Расчет теплоты горения

Энтальпией горения (DН_гор, кДж/моль) вещества называется тепловой эффект реакции окисления 1 моль горючего вещества с образованием высших оксидов.

Теплота горения (Q_гор) численно равна энтальпии горения, но противоположна по знаку.

Для индивидуальных веществ тепловой эффект реакции может быть рассчитан по

I следствию закона Гесса.

Расчет теплового эффекта реакции горения индивидуального вещества

Пример 3.1. Рассчитать тепловой эффект реакции горения 1 моль бутана С4Н10.

1. Запишем уравнение реакции горения бутана.

С₄Н₁₀ + 6,5(О₂ +3,76 N₂) = 4СО₂ + 5Н₂О + 6,5×3,76 N₂

2. Выражение для теплового эффекта этой реакции по I следствию закона Гесса

DН⁰_р-и = 4DН⁰(СО₂) + 5DН⁰(Н₂О) - DН⁰(С₄Н₁₀).

3. По таблице 1 приложения находим значения энтальпий образования углекислого газа, воды (газообразной) и бутана.

DН⁰(СО₂) = -393,5 кДж/моль; DН⁰(Н₂О) = - 241,8 кДж/моль;

DН⁰(С₄Н₁₀) = - 126, 2 кДж/моль.

Подставляем эти значения в выражение для теплового эффекта реакции

DН⁰_р-и = 4×(–393,5) + 5×(–241,8) – (- 126,2) = - 1656,8 кДж

DН⁰_р-и = DН⁰_гор = - 1656,8 кДж/моль или Q_гор = + 1656,8 кДж/моль.

Таким образом, при сгорании 1 моля бутана выделяется 1656,8 кДж тепла.

В пожарно-технических расчетах часто пользуются понятием удельной теплоты горения. Удельная теплота горения – это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества. Размерность удельной теплоты горения – кДж/кг или кДж/м³.

В зависимости от агрегатного состояния воды в продуктах горения различают низшую и высшую теплоту горения. Если вода находится в парообразном состоянии, то теплоту горения называют низшей теплотой горения Q_н. Если пары воды конденсируются в жидкость, то теплота горения – высшая Q_в.

Температура пламени достигает 100 К и выше, а вода кипит при 373 К, поэтому в продуктах горения на пожаре вода всегда находится в парообразном состоянии, и для расчетов в пожарном деле используется низшая теплота горения Q_н.

Низшая теплота горения индивидуальных веществ может быть определена переводом значения DН_гор, кДж/моль в Q_н, кДж/кг или кДж/м³. Для веществ сложного элементного состава низшая теплота горения может быть определена по формуле Д.И. Менделеева. Кроме того, для многих веществ значения низшей теплоты горения приведены в справочной литературе, некоторые данные представлены в приложении 2.

Перевод значения энтальпии горения из кДж/моль в кДж/кг

Пример 3.2. Энтальпия горения этилацетата СН3СООС2Н5 равна DНгор = - 2256,3 кДж/моль. Выразить эту величину в кДж/кг.

Значение DН_гор = - 2256,3 кДж/моль показывает, что при сгорании 1 моля этилацетата выделяется 2256,3 кДж тепла, т.е. Q_гор = + 2256,3 кДж/моль.

1 моль СН₃СООС₂Н₅ имеет массу 88 г. Можно составить пропорцию

М (СН₃СООС₂Н₅) = 88 г/моль ¾ Q_гор = 2256,3 кДж/моль

1 кг = 1000 г ¾ Q_н кДж/кг

кДж/кг

В общем виде формула для перевода из размерности кДж/моль в кДж/кг выглядит следующим образом:

; кДж/кг (3.1)

Если необходимо осуществить перевод из размерности кДж/моль в кДж/м³, то можно воспользоваться формулой

, кДж/м³. (3.2)

Расчет низшей теплоты сгорания Qн по формуле Д.И. Менделеева

Пример 3.3. Вычислить низшую теплоту сгорания сульфадимезина С12Н14О2N4S по формуле Д.И. Менделеева.

Значения низшей теплоты сгорания веществ и материалов могут быть рассчитаны по формуле Д.И.Менделеева. Данная формула может быть использована для расчетов Q_н веществ сложного элементного состава, а также для любых индивидуальных веществ, если предварительно рассчитать массовую долю каждого элемента в соединении (w).

Q_Н = 339,4×w(C) + 1257×w(H) - 108,9 [(w(O) +w(N)) -w(S)] - 25,1[9×w(H) +w(W)], кДж/кг,

(3.3)

где

w (С), w (Н), w (S), w (О),w (N) – – массовые доли элементов в веществе, %; w (W) – содержание влаги в веществе, %.

1. Для того, чтобы воспользоваться данной формулой, необходим расчет процентного состава каждого элемента в веществе (массовой доли).

Молярная масса сульфадимезина С₁₂Н₁₄О₂N₄S составляет 278 г/моль.

w(C) = (12×12)/278 = 144/278 = 0,518 ×100 = 51,8 %

w(H) = (1×14)/278 = 14/278 = 0,05 ×100 = 5,0 %

w(O) = (16×2)/278 = 32/278 = 0,115 ×100 = 11,5 %

w(N) = (14×4)/278 = 56/278 = 0,202 ×100 = 20,2 %

w(S) = 100 – (51,8 + 5,0 + 11,5 + 20,2) = 11,5 %

2. Подставляем найденные значения в формулу Д.И. Менделеева.

Q_Н = 339,4×51,8+1257×5,0-108,9×(11,5+20,2-11,5)-25,1×9×5,0 = 22741 кДж/кг.

Теплота горения смеси газов и паров определяется как сумма произведений теплот горения каждого горючего компонента (Q_н) на его объемную долю в смеси (j^об):

Q_н = , кДж/м³. (3.4)

Можно воспользоваться эмпирической формулой для расчета Q_н для газовой смеси:

Q_н = 126,5×j(СО) + 107,7×j(Н₂) + 358,2×j(СН₄) + 590,8×j(С₂Н₄) + 636,9×j(С₂Н₆) + 913,4×j(С₃Н₈) + 1185,8×j(С₄Н₁₀) + 1462,3×j(С₅Н₁₂) + 234,6×j(Н₂S), кДж/м³(3.5)