آنتالپی سوختن: گرمای پنهان درون سوخت‌ها
سوختن چیست و چرا گرما تولید می‌کند؟
سوختن یک واکنش شیمیایی سریع بین یک ماده سوختنی (مانند چوب، بنزین یا گاز طبیعی) و یک ماده اکسنده (معمولاً اکسیژن هوا) است که همراه با آزادسازی انرژی به صورت گرما و نور می‌باشد. این فرآیند در واقع نوعی واکنش اکسایش۲ است. برای درک بهتر، فرآیند سوختن شمع را در نظر بگیرید: پارافین شمع با اکسیژن هوا واکنش داده و به کربن دی‌اکسید و بخار آب تبدیل می‌شود و در این راه، انرژی گرمایی و نوری آزاد می‌کند.
تمام مواد سوختنی، انرژی شیمیایی در پیوندهای بین اتم‌های خود ذخیره کرده‌اند. هنگام سوختن، این پیوندها شکسته شده و پیوندهای جدید و پایدارتری تشکیل می‌شوند. انرژی آزادشده در واقع تفاوت بین انرژی مورد نیاز برای شکستن پیوندهای قدیمی و انرژی آزادشده هنگام تشکیل پیوندهای جدید است. اگر انرژی آزادشده از انرژی مصرفی بیشتر باشد، واکنش گرماده۳ خواهد بود.
آنتالپی سوختن چگونه اندازه‌گیری و محاسبه می‌شود؟
برای اندازه‌گیری دقیق آنتالپی سوختن از دستگاهی به نام کالریمتر یا گرماسنج۴ استفاده می‌شود. در ساده‌ترین نوع آن، یک گرماسنج فنجانی، از یک ظرف عایق‌بندی شده تشکیل شده که در آن ماده سوختنی می‌سوزد و گرمای تولیدشده، دمای مقدار معینی آب را در اطراف ظرف افزایش می‌دهد. با اندازه‌گیری تغییر دمای آب و دانستن ظرفیت گرمایی ویژه آب، می‌توان گرمای آزادشده را محاسبه کرد.
فرمول اصلی برای محاسبه گرمای آزادشده در یک گرماسنج ساده به صورت زیر است:
که در آن:
q گرمای آزادشده (بر حسب ژول)،
m جرم آب (بر حسب گرم)،
c ظرفیت گرمایی ویژه آب ($4.18 \, J/g^\circ C$)،
ΔT تغییر دمای آب (بر حسب سلسیوس) است.
برای به دست آوردن آنتالپی سوختن مولی، کافی است گرمای محاسبه‌شده ($q$) را بر تعداد مول‌های ماده سوخته‌شده تقسیم کنیم:
$\Delta H_c = \frac{-q}{n}$
علامت منفی در فرمول نشان‌دهنده آزادشدن گرما از سیستم است. n تعداد مول‌های ماده سوختی است.
| نام ماده (سوخت) | فرمول شیمیایی | آنتالپی سوختن مولی (kJ/mol) | کاربرد عمده |
|---|---|---|---|
| هیدروژن | $H_2$ | -286 | سوخت موشک، سلول سوختی |
| متان (جزء اصلی گاز طبیعی) | $CH_4$ | -890 | گرمایش خانه‌ها، پخت‌وپز |
| اتانول (الکل) | $C_2H_5OH$ | -1367 | سوخت خودرو (بیو‌اتانول)، ضدعفونی |
| گلوکز (قند) | $C_6H_{12}O_6$ | -2805 | تأمین انرژی در بدن موجودات زنده |
کاربردهای آنتالپی سوختن در زندگی و صنعت
مفهوم آنتالپی سوختن تنها یک موضوع درسی نیست، بلکه کاربردهای گسترده‌ای در دنیای واقعی دارد:
الف) انتخاب سوخت‌های کارآمد: مهندسان با مقایسه آنتالپی سوختن سوخت‌های مختلف، می‌توانند سوخت‌هایی را انتخاب کنند که در ازای جرم یا حجم یکسان، انرژی بیشتری آزاد می‌کنند. برای مثال، آنتالپی سوختن بالای هیدروژن آن را به یک گزینه عالی برای سوخت موشک‌ها و سلول‌های سوختی تبدیل کرده است.
ب) طراحی موتورها و سیستم‌های گرمایشی: برای طراحی یک موتور احتراق داخلی یا یک بویلر۵ صنعتی، باید دقیقاً بدانیم چه مقدار گرما از سوختن یک مقدار معین سوخت آزاد می‌شود تا راندمان سیستم محاسبه و بهینه‌سازی شود.
ج) علوم غذایی و رژیم‌درمانی: برچسب‌های ارزش غذایی روی محصولات، که میزان کالری (انرژی) را نشان می‌دهند، به طور مستقیم با آنتالپی سوختن مواد تشکیل‌دهنده غذا در بدن مرتبط هستند. هر کالری در واقع معادل 4.18 کیلوژول انرژی است.
د) مطالعات زیست‌محیطی: با دانستن آنتالپی سوختن سوخت‌های فسیلی و مقایسه آن با سوخت‌های زیستی، می‌توان تأثیرات مختلف آن‌ها بر انتشار گازهای گلخانه‌ای و گرمایش جهانی را بهتر تحلیل کرد.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
۱ Enthalpy of Combustion
۲ Oxidation
۳ Exothermic Reaction
۴ Calorimeter
۵ Boiler