1.7 Теплотворная способность топлив и пищи

Наиболее распространенными химическими реакциями, используемыми для получения теплоты, являются реакции горения. Энергия, выделяемая при сгорании топлива или пищи, называется их теплотворной способностью (калорийностью). Поскольку все реакции горения экзотермические, принято указывать теплотворную способность без отрицательного знака. Кроме того, поскольку топлива и пища обычно представляют собой смеси, их теплотворная способность указывается в расчете на один грамм, а не на моль. Например, теплотворная способность октана С₈Н₁₈, одного из компонентов бензина, представляет собой теплоту, выделяемую при сгорании 1 г этого вещества:

2С₈Н₁₈ (ж.) + 25О₂ (г.) → 16СО₂ (г.) + 18Н₂О (г.) (1.17)

Заметим, что в данной реакции вода, являющаяся одним из продуктов, рассматривается как газообразное вещество. Дело в том, что в условиях горения октана вода должна испаряться. Изменение энтальпии данной реакции = - 10920 кДж. Поскольку каждый моль С₈Н₁₈ имеет массу 114 г, теплотворная способность октана равна 47,9 кДж/г:

(10920 кДж / 2 моля С₈Н₁₈) × (1 моль С₈Н₁₈/114 г С₈Н₁₈) = 47,9 кДж /г С₈Н₁₈

Согласно первому закону термодинамики, теплотворная способность любого вещества не должна зависеть от того, как или где оно вступает в реакцию, при условии, что продукты реакции остаются неизменными. Поэтому калориметрическая бомба часто используется для измерения теплотворной способности (калорийности) пищевых продуктов. Несомненно, такой способ намного проще, чем измерение количества теплоты, выделяемого в двигателе автомобиля или в нашем организме.

КАЛОРИЙНОСТЬ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Большая часть энергии, в которой нуждается наш организм, поступает из углеводов и жиров. В процессе пищеварения углеводы разлагаются на глюкозу С₆Н₁₂О₆. Глюкоза растворима в крови, и ее часто называют кровяным сахаром. Она переносится током крови к клеткам организма, где реагирует с О₂ в несколько стадий, превращаясь в конце концов в СО₂ (г.) и Н₂О (ж.) с выделением энергии:

С₆Н₁₂О₆ (тв.) + 6О₂ (г.) → 6СО₂ (г.) + 6Н₂О (ж.) = - 2816 кДж

Разложение углеводов происходит быстро, поэтому их энергия сразу же поступает в организм. Однако в нем запасается очень небольшое количество углеводов. Средняя калорийность углеводов равна 17 кДж/г (4 ккал/г).

Подобно углеводам, жиры в результате метаболизма также превращаются в СО₂ и Н₂О (такие же продукты они дают и при сгорании в калориметрической бомбе). Например, сгорание типичного жира стеарина С₅₇Н₁₁₀О₆ происходит по уравнению:

2С₅₇Н₁₁₀О₆ (тв.) + 163О₂ (г.) → 114СО₂ (г.) + 110Н₂О (ж.)

= - 75520кДж

Химическая энергия пищи, которая не расходуется на поддержание температуры тела или на мускульную активность либо, наконец, на перегруппировку атомов пищи в клетки организма, запасается в нем в виде жиров.

ТАБЛИЦА 1.3

Калорийность и состав некоторых распространенных продуктов

Пищевой продукт	Приблизительный состав, %			Калорийность
	Белки	Жиры	Углеводы	кДж/г	ккал/г
Зеленый горошек	1,9	-	7,0	1,5	0,38
Земляные орехи	26	39	22	23	5,5
Молоко	3,3	4,0	5,0	3,0	0,74
Пиво*	0,3	0	1,2	1,8	0,42
Помадка (сливочная)	2	11	81	18	4,4
Сосиски	22	30	-	15	3,6
Сыр (чеддер)	28	37	4	20	4,7
Хлеб (белый)	9	3	52	12	2,8
Яблоки (свежие)	0,4	0,5	13	2,5	0,59
Яйца	13	10	0,7	6	1,4
* В пиве обычно содержится 3,5 % этанола, обладающего калорийностью.

Существуют, по крайней мере, две причины, по которым жиры оказываются удобными для хранения избытка энергии в организме: 1) они нерастворимы в воде, что позволяет им накапливаться в теле; 2) жиры выделяют больше энергии в расчете на один грамм, чем белки или углеводы, что делает их наиболее эффективным источником энергии. Средняя калорийность жиров равна 38 кДж/г (9 ккал/г).

Метаболизм белков в организме приводит к выделению меньшего количества энергии, чем сгорание в калориметрической бомбе, потому что они дают разные продукты реакции. Белки содержат азот, который в калориметрической бомбе выделяется в виде N₂. Из организма этот азот выводится главным образом в виде мочевины CH₄N₂O. Белки используются организмом в основном как строительный материал для клеток стенок различных органов, кожи, волос, мускулов и так далее. В среднем при метаболизме белков выделяется 17 кДж/г (4 ккал/г).

Калорийность некоторых наиболее распространенных продуктов указана в табл. 1.3.

УПРАЖНЕНИЕ 1.10

Подсчитано, что бегущий человек среднего веса затрачивает энергию в 100 Кал на 1 км. Какое количество сосисок обладает калорийностью, позволяющей пробежать 3 км?

Решение: Напомним, что пищевая Калория эквивалентна 1 ккал. Бег на 3 км требует затраты энергии в 300 Калорий, т.е. 300 ккал. Требуемое количество сосисок = 300 ккал (1 г сосисок /3,6 ккал) = 83 г сосисок. Таким образом, чтобы пробежать 3 км, более чем достаточно съесть 100 г сосисок.

Потребность организма в энергии в значительной мере зависит от таких факторов, как вес тела, возраст и мускульная активность. В среднем взрослому человеку требуется около 6300 кДж (1500 ккал) в сутки, если он находится в покое в теплом помещении. При выполнении работы средней интенсивности энергетические потребности возрастают приблизительно до 10000-13000 кДж (2500-3000 ккал) в сутки. Это приблизительно соответствует количеству энергии, потребляемому 100-ваттной осветительной лампочкой в течение 24 ч.

ТЕПЛОТВОРНАЯ СПОСОБНОСТЬ ТОПЛИВ

В табл. 1.4 сравниваются характеристики различных видов топлив. Отметим, что теплотворная способность топлив повышается с относительным содержанием в них углерода или водорода. Например, теплотворная способность битумного угля выше, чем дерева, поскольку уголь содержит больше углерода.

Уголь, нефть и природный газ, которые в настоящее время являются нашими главными источниками энергии, называют горючими ископаемыми. Предполагается, что они образовались миллионы лет назад в результате разложения растений и животных. Все они в настоящее время расходуются гораздо быстрее, чем происходит их дальнейшее накопление. Природный газ состоит из газообразных углеводородов (соединений углерода и водорода). Состав природного газа неодинаков, но в основном он содержит метан СН₄ с небольшими добавками этана С₂Н₆, пропана С₃Н₈ и бутана С₄Н₁₀. Нефть представляет собой жидкую смесь сотен различных соединений. Большая их часть является углеводородами, а остальная часть представляет собой главным образом органические соединения, содержащие серу, азот или кислород. Уголь - это твердое вещество, содержащее углеводороды с большой молекулярной массой, а также соединения серы, кислорода и азота. Наличие серы в угле и нефти имеет большое значение при обсуждении проблемы загрязнения воздуха.

ТАБЛИЦА 1.4

Теплотворная способность и состав некоторых распространенных видов топлив

Вид топлива	Приблизительный элементный состав, %			Теплотворная способность, кДж/г
	С	Н	О
Антрацит (уголь)	82	1	2	31
Бензин	85	15	0	48
Битумный уголь	77	5	7	32
Водород	0	100	0	142
Древесина (сосна)	50	6	44	18
Древесный уголь	100	0	0	34
Природный газ	70	23	0	49
Сырая нефть	85	12	0	45

Водород Н₂ представляет собой весьма перспективное топливо, поскольку имеет очень высокую теплотворную способность, а при его сгорании образуется только вода, следовательно, он является «чистым» горючим, не вызывающим загрязнения воздуха. Однако его широкому использованию в качестве источника энергии мешает то обстоятельство, что в природе содержится слишком мало Н₂ в свободной форме. Большую часть водорода получают разложением воды или углеводородов. Такое разложение требует расхода энергии, причем на практике из-за тепловых потерь на получение водорода приходится затрачивать больше энергии, чем ее можно получить при последующем использовании водорода в качестве горючего. Однако если удастся создать большие и дешевые источники энергии в результате развития техники получения ядерной или солнечной энергии, часть ее можно будет использовать на получение водорода. Этот водород можно будет затем применять как удобный носитель энергии. Экономически выгоднее транспортировать водород по существующим газопроводам, чем передавать электроэнергию; водород удобен как для транспортировки, так и для хранения. Поскольку современная промышленная технология основана на использовании горючих топлив, водород сможет заменить нефть и природный газ, когда эти виды топлива истощатся и станут более дорогими.