Теплота сгорания

Химические реакции сопровождаются поглощением или выделением энергии, в частности тепла. Реакции, сопровождающиеся поглощением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются эндотермическими. При эндотермических реакциях нагрев реагирующих веществ необходим не только для возникновения реакции, но и в течение всего времени их протекания. Без нагревания извне эндотермическая реакция прекращается.

Реакции, сопровождающиеся выделением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются экзотермическими. Все реакции горения относятся к экзотермическим. Вследствие выделения тепла они, возникнув в одной точке, способны распространяться на всю массу реагирующих веществ.

Количество тепла, выделяемое при полном сгорании вещества и отнесенное к одному молю, единице массы (кг, г) или объема (м³) горючего вещества, называется теплотой сгорания. Теплоту сгорания можно вычислить по табличным данным, пользуясь законом Гесса. Русский химик Г. Г. Гесс в 1840 г. открыл закон, который является частным случаем закона сохранения энергии. Закон Гесса состоит в следующем: тепловой эффект химического превращения не зависит от пути, по которому реакция протекает, а зависит лишь от начального и конечного состояний системы при условии, что температура и давление (или объем) в начале и конце реакции одинаковы.

Поясним это на примере вычисления теплоты сгорания метана. Метан можно получить из 1 моль углерода и 2 моль водорода. При сжигании метана пoлучается 2 моль воды и 1 моль диоксида углерода

С + 2Н₂ = СН₄ + 74,8 кДж (Q₁);

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О + _Qгор..

Те же продукты образуются при сгорании водорода и углерода. При этих реакциях общее количество выделившегося тепла равно 963,5 кДж.

2Н_а + О₂ = 2Н₂О + 570,6 кДж;

С + О₂ = СО₂ + 392,9 кДж

963,5 кДж(Q)

Поскольку начальные и конечные продукты случаях одинаковы, их общие тепловые эффект должны быть равны согласно закону Гесса, т. е.

Q₁ + Qгор. = Q, откуда

Qгор. = Q – Q₁,

следовательно, теплота сгорания метана будет равна Qгор. = 963,5 — 74,8 = 888,7 кДж/моль

Таким образом, теплота сгорания химического соединения (или их смеси) равна разности между суммой теплот образования продуктов сгорания и теплотой образования сгоревшего химического соединения (или веществ, составляющих горючую смесь).

Теплота образования — теплота, выделяющаяся или поглощающаяся при образовании 1 моля соединения из простых веществ

Следовательно, для определения теплоты сгорания химических соединений необходимо знать теплоту их образования и теплоту образования продуктов, получающихся после сгорания. Ниже приведены значения теплот образования некоторых химических соединений- кДж/моль:

Соединение	-ΔНобр., кДж/моль	Соединение	-ΔНобр., кДж/моль
Аl2Оз	1631,6	Метан СН4	75,0
Fe2O3	822,5	Этан С2Нб	88,4
СО	110,6	Ацетилен С2Н2	224,6
CO2	396,9	Бензол С6Н6	34,8
Вода Н2О	285,7	Этилен С2Н4	48,6
Водяной пар Н2О	242,2	Толуол С6Н6СН3	4,19

Пример 10. Определить теплоту сгорания этана, если теплота его образования Q₁=88,4 кДж. Напишем уравнение горения

С₂Н₆ + 3, 5О₂ = 2СО_а + ЗН₂О + Q_гор.

Для определения Qгоp. необходимо знать теплоты образования продуктов сгорания. Теплота образования диоксида углерода 396,9 кДж, а воды 285,7 кДж. Следовательно, Q будет равно

Q = 2^.396,9+ 3^.286,6 = 1653,6 кДж,

а теплота сгорания этана

Qгор. = Q — Q₁= 1653,6 —88,4 = 1565,2 кДж.

Теплоту сгорания экспериментально определяют в калориметрической бомбе и газовом калориметре. Различают высшую и низшую теплоты сгорания. Высшей теплотой сгорания Q_B называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м³ горючего вещества при условии, что содержащийся в нем водород сгорает с образованием жидкой воды. Низшей теплотой сгорания Q_H называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м³ горючего вещества при условии сгорания водорода до образования водяного пара и испарении влаги горючего вещества.

Высшую и низшую теплоты сгорания твердых и жидких горючих веществ можно определить по формулам Д. И. Менделеева

Q_B = 339,4 [С] + 1257 [Н] — 108,9 ([О] — [S]) (12)

Q_h = 339,4 [С] +1257 [HI —108,9 ([О] —[S]) —25,1 (9 [Н] + W) (13),

где Q_B, Q_h — высшая и низшая теплота сгорания, кДж/кг; [С], [Н], [О], [S], W — содержание в горючем веществе углерода, водорода, кислорода, горючей серы и влаги, %•

Пример 11. Определить низшую теплоту сгорания сернистого мазута, состоящего из 82,5% С, 10,65% Н, 3,1% S и 0,5% О; А (зола) = 0,25%; W=3%. Используя уравнение Д. И. Менделеева (13), получаем

Q_H = 339,4 ^..82,5 + 1257^.10,65 — 103,9(0,5 — 3,1) — 25,1 (9^.10,65 + 3) = 38622,7 кДж/кг

Низшую теплоту сгорания 1 м³ сухих газов можно определить по уравнению

Qн. = 126,5 [СО] + 107,7 [Н₂] + 358,2 [СН₄] + 590,8 [С₂Н₄] +

+ 636,9 [С₂Н„] + 913,4 [С₃Н₈] + 1185,8 [С₄Н₁₀] +

+ 1462,3 [С₅Н₁₂] + 234,6 [Н₂] кДж/м³

Низшая теплота сгорания некоторых горючих газов и жидкостей, полученная экспериментально, приведена ниже:

Соединение	-ΔНсгор., кДж/кг	-ΔНсгор., кДж/мЗ	-ΔНсгор., кДж/моль
Углеводороды
метан	50004,0	35874,8	803,6
этан	47569,0	63838,8	1430,4
пропан	46441,9	91350,4	2047,6
Спирты
метиловый	22374,6	—	716,0
этиловый	29874,7	—	1374,3
пропиловый	33658,3	—	2019,5

Низшая теплота сгорания некоторых горючих мате­риалов, рассчитанная по их элементарному составу, имеет следующие значения, кДж:

Материал	-ΔНсгор., кДж	Материал	-ΔНсгор., кДж
Бензин	43157,0—43785,5	Каучук синтетический	37710
Бумага	13408,0	Керосин	42109,5—42947,5
Древесина Воздушно-сухая	12570—14665	Органическое стекло	25140
Древесина в конструкциях зданий	16760—17070	Резина	33520
Торф (W=20%)	15125,9

Существует нижний предел теплоты сгорания, ниже которого вещества становятся не способными к горению в атмосфере воздуха. Эксперименты показывают, что вещества являются негорючими, если они не относятся к взрывоопасным и если их низшая теплота сгорания в воздухе не превышает 2100 кДж/кг. Следовательно теплота сгорания может служить для ориентировочной оценки горючести веществ. Однако следует отметить, что горючесть твердых веществ и материалов в значительной степени зависит и от их состояния. Так, лист бумаги, легко воспламеняющийся от пламени спички, будучи нанесенным на гладкую поверхность металлической плиты или бетонной стены, становится трудногорючим. Следовательно горючесть веществ зависит также от скорости отвода тепла из зоны горения.

Практически в процессе горения, особенно на пожарах, указанная в таблицах теплота сгорания полностью не выделяется, так как горение сопровождается недожогом. Известно, что нефтепродукты, также бензол, толуол, ацетилен, т. е. вещества, богатые углеродом, горят на пожарах с образованием значительного количества сажи. Сажа (углерод) способна гореть и выделять теп­ло. Если при горении она образуется, то, следовательно, горючее вещество выделяет тепла меньше того количе­ства, которое указано в таблицах. Для веществ, богатых углеродом, коэффициент недожога  составляет 0,8— 0,9. Следовательно, на пожарах при горении 1 кг рези­ны может выделиться не 33520 кДж, а только 33520• 0,8 = 26816 кДж.

Размер пожара обычно характеризуется площадью пожара. Количество тепла, выделяющееся с единицы площади пожара в единицу времени, называется теплотой пожара Q_п

Qп = QhV«t\

где _м — массовая скорость выгорания, кг/(м^2.с).

Удельная теплота пожара при внутренних пожарах характеризует тепловую нагрузку на конструкции зда­ний и сооружений и используется для расчета темпера­туры пожара.

Лекция 3