Работа 16. Определение теплоты сгорания парафина

1. Цель работы

16.1.1. Освоить экспериментальный и расчетный методы определения теплоты сгорания горючего вещества.

16.1.2. Установить зависимость теплоты сгорания углеводородов от их молярной массы.

16.1.3. Научиться оценивать горючесть вещества по его теплоте сгорания.

2. Подготовка к работе

16.2.1. Повторите тему «Энергетика химических процессов».

16.2.2. Теоретические сведения

Теплотой сгорания вещества называют тепловой эффект реакции окисления кислородом входящих в состав этого вещества элементов до образования высших оксидов. Так, углеводороды при полном сгорании образуют оксид углерода (IV) и воду.

Теплоту сгорания обычно относят к стандартным условиям: 298 К, давлению 101кПа, одному моль вещества - и называют стандартной теплотой сгорания Н^О_СГ (кДж/моль).

В пожарно-технических расчетах теплоту сгорания обычно относят к единице массы (1 кг) или объёма (1 м³) горючего вещества и называют ее удельной теплотой сгорания Q_сг.

Q_сг = , кДж/кг , (16.1)

где H_СГ – стандартная теплота сгорания вещества, кДж/моль; М – молярная масса, г/моль.

Расчет теплоты сгорания, как и теплового эффекта любой реакции, можно произвести, если известны теплоты образования горючего вещества и продуктов его полного окисления (следствие закона Гесса).

Теплоту сгорания экспериментально определяют с помощью приборов – калориметрической бомбы и газового калориметра.

Теплота сгорания веществ, состав которых непостоянен (каменного угля, древесины, нефти и др.), может определяться по данным элементарного состава, для чего наиболее применима формула Д.И. Менделеева:

Q_СГ.Н. = 339,4 ω(С) + 1257 ω(Н) - 108,9[(ω(O) - ω(S)]– -25,1 (9 (Н) +

+(W)), (16.2)

где Q_СГ.Н - низшая удельная теплота сгорания твердого или жидкого вещества,

кДж/кг; ω(С), ω(Н), ω(О), ω(S), (W) – массовые доли углерода, водорода, кислорода серы и влаги соответственно.

Литература: [1 - гл. V, § 51 – 52]; [2 - гл.VI, § 54 – 56, § 66 – 68].

16.3. Рабочее задание

При горении свечи происходит взаимодействие разогретого воска, в состав которого входят длинноцепочечные алканы, с кислородом. При этом происходит множество реакций, но для простоты обычно рассматривают превращение в целом. Например, горение одного из компонентов воска можно описать следующим уравнением:

С₂₅Н₅₂ + 38О₂  25СО₂ + 26Н₂О; ΔН<0.

Выполняйте работу в следующей последовательности:

1. Взвесьте консервную банку (объем 0,5 л) на технических весах с точностью до второго знака.

2. Налейте в банку 90-100 мл воды. Внося в воду небольшие кусочки льда, охладите ее до температуры на 9…10 ⁰С ниже комнатной. Лишний лед удалите.

3. Взвесьте банку с водой.

4. Закрепите свечу на стеклянной пластинке. Для этого подержите низ свечи над огнем, пока воск не растает и не начнет капать. Поставьте свечу на расплавленный воск и придерживайте её, пока воск не застынет.

5. Определите массу свечи вместе со стеклянной пластиной.

6. Соберите установку, показанную на рис. 4. Верхний конец свечи должен быть на расстоянии 2 см от дна банки.

Рис. 4. Схема установка для определения теплоты сгорания:

1- термометр, 2 –банка, 3- свеча

7. Измерьте температуру воды с точностью до 0,2 ⁰С.

8. Зажгите свечу. Осторожно перемешивайте воду палочкой при нагревании. По мере сгорания свечи может возникнуть необходимость опустить банку, чтобы пламя было точно под её дном.

9. Продолжайте нагревание до тех пор, пока температура воды в банке не поднимется выше комнатной на столько же градусов, на сколько она была ниже её до начала эксперимента (например, если температура воды вначале была 15 ⁰С, а комнатная – 25 ⁰С, то вы должны нагреть воду до 35 ⁰С). Сразу после этого потушите пламя.

10. Продолжайте помешивание, пока температура воды не перестанет повышаться. Запишите наибольшее значение.

11. Определите массу остывшей свечи, включая массу оплавившегося воска (вместе со стеклянной пластиной).

Основываясь на экспериментальных данных, рассчитайте:

- массу нагретой воды m_Н2О, г;

- массу сгоревшего парафина m_п, г;

- изменение температуры, равное разности конечной и начальной температур ΔТ, ⁰С;

- теплоту, поглощенную водой q, Дж; по формуле q = m_H2O·C·ΔT, где С – удельная теплоёмкость воды, равная 4,184 Дж/(⁰С·г);

- теплоту сгорания парафина Q_СГ, допустив, что всё выделившееся при сгорании парафина тепло идет на нагревание воды:

, Дж/г (кДж/кг);

Дж/моль; где 352 г/моль – принятая нами молярная масса парафина;

- теплоту сгорания парафина по формуле Д.И. Менделеева (см. формулу (16.2)).

Сравните экспериментально определенную теплоту сгорания парафина с вычисленной по формуле Менделеева.

Результаты вычислений занесите в табл. 18.

Таблица 18

Таблица измеряемых величин

Измеряемая величина	Значение измеряемой величины
Масса пустой консервной банки, г
Исходная масса свечи, г
Комнатная температура, 0С
Исходная масса свечи, г
Комнатная температура, 0С
Исходная температура воды в банке, 0С
Конечная температура воды в банке, 0С
Масса банки с водой, г
Конечная масса свечи, г