Перетворення енергії при згорянні; Підтримка студентів
Ситуація
Опанування перетворенням енергії завжди було вирішальним фактором для розвитку людства і тісно пов’язане з ідеєю прогресу. З моменту оволодіння «вогнем», що є не ким іншим, як оволодінням перетворенням хімічної енергії, що міститься у паливі, в теплову енергію, через оволодіння «вітром» (перетворенням механічної енергії) до оволодіння хімічними енергіями, що містяться в викопне паливо в 19-20 століттях, що призвело до промислової революції шляхом перетворення в електричну енергію.
На жаль, ця зростаюча спрага енергії також супроводжується глибокою трансформацією нашого довкілля, із зміною клімату, яку вже не можна заперечувати, тоді як відомі вчені, такі як Нобелівський лауреат з хімії Пол Йозеф Крутцен, оголошують, що ми навіть увійшли в нова геологічна ера: антропоцен !
Тому стає надзвичайно важливим контроль за способом трансформації енергії, вибір енергетичних ресурсів, які мають мінімальний вплив на наше довкілля, замислення щодо накопичення енергії та повне інформування про проблеми, які зараз впливають на все людство.
Енергетичні ресурси
Енергетичні ресурси - це основні ресурси, з яких енергія буде трансформована для використання людиною. Існує два типи ресурсів: поновлювані і не відновлюваний.
Відновлювані ресурси це ті, які не вичерпаються в людському масштабі. Само собою зрозуміло, що ми не можемо говорити в масштабі Всесвіту, оскільки ми знаємо, що Сонце вичерпає свої внутрішні енергетичні ресурси приблизно за п’ять мільярдів років, і тому воно більше не буде забезпечувати енергією, випромінюваною до Землі. Але через п’ять мільярдів років людство вже давно не буде або перетвориться на щось інше !
Тому серед поновлюваних джерел енергії ми можемо класифікувати механічну енергію вітру або води, теплову енергію надр (геотермальна енергія), променисту енергію Сонця або хімічну енергію, що міститься в біомасі живих організмів. Всі ці енергії можуть бути перетворені в енергію, яка може бути використана і транспортувана людиною, наприклад, електрична або теплова енергія. Ці ресурси вважаються відновленими досить швидко, щоб бути "невичерпними".
Енергетичні ресурси не відновлювані не поновлюються, або дуже повільно, в людському масштабі. Ми включаємо горючі корисні копалини (природний вугільний газ, нафта) і розподілене паливо (уран 235), які всі перетворюються на теплову енергію (перед перетворенням назад на електричну енергію на теплових або атомних електростанціях).
Переважна більшість наших споживачів енергетичних ресурсів ці невідновлювані ресурси швидко вичерпуються. Наприклад, на рік споживається кілька мільярдів тонн нафти, тоді як для її формування знадобилися мільйони років.
Оцінити залишки світових запасів досить складно, оскільки коливання у споживанні великі. Світова економічна криза 2008 року різко скоротила споживання викопного палива, тоді як війни різко збільшили його. Відкривається небагато нових родовищ, але із зростанням цін експлуатація певних ресурсів, таких як нафтові піски або сланцевий газ, стає вигідною. Без зазначених цифр, ось оцінки 2017 року:
| Ресурс | Тривалість бронювання |
| Олія | 40 років |
| Газ | 57 років |
| Вугілля | 150 років |
| Уран | 80 років |
Ці цифри передбачають ідентичне споживання до споживання 2010 року.
Енергетичні виклики для нашого майбутнього
Отже, у довгостроковій перспективі майбутнє нашого використання енергії залежить від контролю за відновлюваними джерелами енергії та оптимізації їх трансформації. Однак можна покращити використання цих енергоресурсів, беручи до уваги певні важливі питання: транспорт, зберігання, вартість та вплив на навколишнє середовище.
Ресурси, особливо копалини та копалини, не розподіляються рівномірно на планеті. Окрім управління геополітичною напруженістю, пов’язаною з цими ресурсами, слід пам’ятати, що їх транспорт сам використовує енергію і не завжди є вигідним. З іншого боку, деякі ресурси легко зберігаються, наприклад, нафта, тоді як деякі види енергії не можуть зберігатися довго, наприклад, електрична енергія.
Вартість експлуатації певних енергетичних ресурсів іноді перевищує вартість цієї енергії в трансформованому вигляді. Тоді суспільним і політичним вибором буде субсидування цих енергетичних ресурсів, що може мати перевагу зменшення впливу на зміну клімату.
Нарешті, експлуатація певних енергетичних ресурсів створює серйозні екологічні проблеми або проблеми зі здоров’ям, такі як експлуатація сланцевого газу, смоляних пісків або обробка радіоактивних відходів через трансформацію енергії, що ділиться.
Хімічна енергія
Хімічна енергія пов’язана з утворенням або розпадом ковалентних зв’язків. Отже, будь-яка хімічна реакція приведе цю хімічну енергію в дію, поглинаючи її або виділяючи. Як енергія повинна подаватися для розриву ковалентних зв’язків, деякі хімічні реакції "споживають" більше зовнішньої енергії (зазвичай теплової), ніж виділяють, і навпаки.
Хімічна енергія міститься в танки що можна використати для перетворювати в іншій формі. Ці резервуари можуть бути природними, наприклад, нафта, природний газ або біомаса, або створені людьми, як батареї чи акумулятори. Потім ця хімічна енергія може бути природним чином перетворена або спровокована в пристроях, що дозволяють відновити в іншій формі: тепловий, електричний, променистий ... ми говоримо про перетворювач енергії.
Отже, людське тіло - це перетворювач енергії, який споживає їжу, щоб перетворити свою хімічну енергію в механічну, що змусить її м’язи працювати. Якщо ці продукти є рослинами, вони самі перетворили променисту енергію Сонця на хімічну енергію. Акумуляторні батареї також є перетворювачами енергії, які перетворюють електричну енергію в хімічну, щоб накопичувати її, перш ніж робити навпаки, коли потрібна електрична енергія.
Горіння алканів і спиртів
Алкани та спирти високо цінуються енергію, яку вони виділяють під час хімічної реакції ім горіння. Ця реакція включає горючі, тут алкан або спирт, і a окислювач, зазвичай кисень, присутній у повітрі.
У випадку алканів та спиртів, які містять лише атоми вуглецю, водню та кисню (для спиртів), продукти повного згоряння (якщо кисню в надлишку) буде вуглекислий газ і деякі водяна пара.
Тому результати спалювання алкану або спирту можуть бути записані у формі:
Ці два приклади дозволяють побачити, що, наприклад, один моль пропану при спалюванні дасть три моля вуглекислого газу. Це пояснює дуже сильний вплив цих горінь на збільшення концентрації цього парникового газу в нашій земній атмосфері.
Досягти ці горіння вимагають введення енергії для розриву зв’язків між атомами. Отже, ці реакції не є спонтанними і ми повинні принести цю енергію (наприклад, із сірником, що горить), щоб почалося горіння.
Але утворення нових облігацій, в продуктах реакції, також виділяє енергію. Але реакції згоряння виділяють більше енергії, ніж споживають, звідси їх інтерес до опалення, приготування їжі чи керування нашими автомобілями.
Оцінка реакції горіння
Ми бачили, що людство в основному використовує викопні енергетичні ресурси, щоб перетворити їх в інші енергії, необхідні для нашої сучасної цивілізації: механічну, теплову, електричну ...
Це робиться в основному за допомогою реакції горіння, яку ви вже вивчали в коледжі. Ця реакція включає паливо та окислювач, як правило, кисень O2.
Викопні енергетичні ресурси органічні види які в основному містять атоми вуглецю, водню та кисню. В такому разі, повне згоряння цих видів утворює лише воду та вуглекислий газ. Тому рівняння балансу цих реакцій дуже просте.
Приклад повного згоряння октану (бензину):
Визначте масу вуглекислого газу, що утворюється при спалюванні одного літра октану.
Почнемо з написання рівняння реакційного балансу:
Ми можемо скласти таблицю прогресу:
| 2 C8H18 (l) + 25 O2 (g) ⟶ 16 CO2 (g) + 18 H2O (g) | ||||
| Початковий стан | ні | надлишок | 0 | 0 |
| Проміжний стан | n - 2x | надлишок | 16 х | 18 х |
| Кінцевий стан | n- 2 xmax | надлишок | 16 xmax | 18 xmax |
Щільність октану дорівнює 703 кг.м -3, тому його щільність ρ дорівнює 0,703 кг. Л -1 (оскільки на 1 м 3 є 1000 л).
За атомних молярних мас вуглецю (12 гмоль -1), кисню (16 гмоль -1) та водню (1 гмоль -1) можна розрахувати молярну масу октану (114 гмоль -1) та діоксиду вуглецю (44 гмоль -1).
Один літр октану відповідає масі 0,703 кг, або 703 г. Отже, при кількості речовини n = 6,17 моль (n = m/M)
Отже, у кінцевому стані xmax = n/2 = 3,09 моль.
одержана маса вуглекислого газу, отже, m = 16 × 3,09 × 44 = 2175 г (оскільки m = n × M).
Отже, спалюючи один літр октану, утворюється більше 2 кг вуглекислого газу !
Коли кисню немає у достатній кількості, реакція стає неповною, а потім утворюються інші сполуки, такі як вуглець (сажа) або чадний газ CO, який є смертельним газом. Потім потрібно буде написати рівняння балансу реакцій для кожного виду вуглецю, оскільки це окремі реакції, що відбуваються одночасно з основною реакцією горіння.
Наприклад, для неповного згоряння бутану (C4H10), що утворює окис вуглецю, ми можемо написати:
Горіння - це реакція, яка у великих кількостях перетворює хімічну енергію в теплову. Тепер подивимося, як точно розрахувати виділену енергію.
Енергетичний аспект
Якщо ми хочемо кип’ятити воду в алкогольній плиті під час кемпінгу біля моря, можливо, варто спробувати передбачити, скільки спирту нам потрібно буде спалити, щоб отримати саме ту кількість тепла.
А тепер уявімо, що вам не подобається ваш гарячий чай, і все, що ви хочете зробити, - це підвищити температуру води за допомогою алкогольної плити. У цьому випадку потрібно буде розрахувати кількість теплоти, яка повинна подаватися до тіла масою m, щоб привести його до потрібної температури, використовуючи наступне співвідношення:
Q = C \ раз m \ раз \ Delta \ t
Одиниці:
- Q: кількість поглиненого тепла (енергія) в джоулях (J)
- m: маса тіла в кілограмах (кг)
- С: питома теплота тіла в джоулях на кілограм на градус
(Дж. Кг -1. ° К) - Δt: різниця температур між температурою відправлення та температурою прибуття
Примітки:
- Раніше питома теплота виражалася в калоріях (кал), що представляє кількість тепла, необхідного для підвищення температури 1 грама води на 1 ° C: 1 кал = 4,18 Дж
- Ступінь виражена в градусах Кельвіна, але 1 ° K = 1 ° C, єдина зміна походить від основи температурної шкали.
Питому теплоту також називають теплоємністю і залежить від досліджуваного організму. Ось кілька прикладів теплової потужності:
У цій таблиці ми відразу бачимо, що металам, які мають хороший теплопровідник, потрібно дуже мало енергії, щоб побачити, як їх температура зросте на один градус, на відміну від води, людського тіла чи водню.
Приклад:
- Скільки енергії потрібно для підвищення температури літра рідкої води з 20 до 40 ° C ?
- Яку масу чавуну (сплаву заліза та вуглецю) (C = 0,47 кДж/кг -1 .K -1) при 100 ° C слід занурити у воду при 20 ° C, щоб вона досягла цих 40 ° C ?
Отже, майже 3 кг чавуну при 100 ° C переходять до 40 ° C при контакті лише з одним літром води, яка опуститься з 20 до 40 ° C. Ви повинні краще розуміти, чому пожежники в основному використовують воду: не просто для придушення полум'я, а для поглинання тепла від гарячих предметів та запобігання поширенню вогню. !
Енергія, що виділяється при згорянні
Говорячи про вогонь, який є різновидом горіння, енергія, що виділяється при цьому типі реакції, пропорційна кількості спаленого паливного матеріалу і виражається наступним співвідношенням:
Одиниці:
- Еліб: Енергія, що виділяється згорянням у Джоулі (Дж)
- n: кількість молей палива в молях (моль)
- Екомб: Молярна енергія згоряння палива в Джоулях на моль
(J.mol -1)
Тому для розрахунку енергії, що виділяється при згорянні, необхідно написати балансове рівняння горіння, щоб зробити матеріальний баланс цього горіння для визначити кількість молей палива залежно від наявної інформації (маса, об’єм, щільність, щільність ...), а потім виконайте розрахунок енергії за попередньою формулою.
Енергія молярної реакції
Порядки величин молярних теплових енергій у 100-1000 разів більші, ніж у змін стану через зв'язків, які необхідно розірвати.
Енергія молярної хімічної реакції - це різниця між енергією дисоціації, необхідною для розриву зв’язків, та енергією утворення, необхідною для утворення нових зв’язків.
Кожна зв'язок має середню енергію зв'язку:
Довідково: Huheey, pps. А-21 - А-34; Т.Л. Коттрелл, “Міцність хімічних зв’язків”, 2-е видання, Батервортс, Лондон, 1958; Б. деБ. Дарвент, “Національні стандартні довідкові серії”, Національне бюро стандартів, № 31, Вашингтон, округ Колумбія, 1970; С. Бенсон, Дж. Хім. Освіта, 42, 502 (1965).
| Тип посилання | Середня енергія зв'язку (кДжмоль -1) |
| Н-Н | 432 |
| H-C | 411 |
| Н-О | 459 |
| H-N | 386 |
| ЦК | 346 |
| C = C | 602 |
| C≡C | 835 |
| C-N | 305 |
| C = N | 615 |
| CO | 358 |
| C = O (CO2) | 799 |
| N-N | 167 |
| О-О | 142 |
| O = O | 494 |
За цими середніми енергіями зв’язку можна розрахувати енергію реакції. Для цього напишіть рівняння балансу реакції і підрахуйте зруйновані зв’язки та утворені зв’язки. Цікаво зробити це у вигляді енергетичної діаграми, щоб нічого не забути.
Приклад згоряння метану:
З попередньої таблиці ми можемо розрахувати молярну енергію реакції:
E _ = (4 \ по 411 + 2 \ по 494) - (2 \ по 799 + 4 \ по 459) = - 802 \ mathrm \ cdot \ mathrm ^
Калорійність
Для палива ми часто розраховуємо теплотворну здатність, тобто енергію, що виділяється при згорянні кілограма палива.
Для визначення його значення можна виконати наступні кроки:
- Напишіть рівняння балансу реакції
- Визначте кількість молей палива на кілограм
- За допомогою енергетичної діаграми обчисліть молярну енергію реакції
- Виведіть енергію, що виділяється в результаті реакції за допомогою
Експериментально
Для експериментального визначення цих молярних енергій згоряння ми будемо використовувати згоряння для нагрівання відомої кількості води в ємності, властивості якої ми знаємо (наприклад, алюмінієва банка). Вивчаючи підвищення температури у воді, ми знаємо, яка енергія виділилася, і можемо визначити енергію, що виділяється (не забуваючи про будь-які пов'язані зі зміною стану, такі як віск свічок, який, наприклад, тане).