Теплотворна здатність палив і їжі

Найбільш поширеними хімічними реакціями, використовуваними для отримання теплоти, є реакції горіння. Енергія, що виділяється при згорянні палива або їжі, називається їх теплотворною здатністю (калорійністю) .Оскільки всі реакції горіння екзотермічні, прийнято вказувати теплотворну здатність без негативного знака. Крім того, оскільки палива і їжа зазвичай представляють собою суміші, їх теплотворна здатність вказується в розрахунку на один грам, а не на моль. Наприклад, теплотворна здатність октану С8 Н18. одного з компонентів бензину, являє собою теплоту, що виділяється при згорянні 1 г цієї речовини:

Зауважимо, що в даній реакції вода, яка є одним з продуктів, розглядається як газоподібна речовина. Справа в тому, що в умовах горіння октану вода повинна випаровуватися. Зміна ентальпії даної реакції = - 10920 кДж. Оскільки кожен моль С8 Н18 має масу 114 г, теплотворна здатність октану дорівнює 47,9 кДж / г:

Відповідно до першого закону термодинаміки, теплотворна здатність будь-якої речовини не повинна залежати від того, як або де воно вступає в реакцію, за умови, що продукти реакції залишаються незмінними. Тому калориметрична бомба часто використовується для вимірювання теплотворної здатності (калорійності) харчових продуктів. Безсумнівно, такий спосіб набагато простіше, ніж вимір кількості теплоти, що виділяється в двигуні автомобіля або в нашому організмі.

Калорійність харчових продуктів

Велика частина енергії, яку потребує наш організм, надходить з вуглеводів і жирів. В процесі травлення вуглеводи розкладаються на глюкозу С6 Н12 ПРО6. Глюкоза розчинна в крові, і її часто називають кров'яним цукром. Вона переноситься потоком крові до клітин організму, де реагує з О2 в кілька стадій, перетворюючись в кінці кінців в СО2 (м) і Н2 О (ж.) З виділенням енергії:

Розкладання вуглеводів відбувається швидко, тому їх енергія відразу ж надходить в організм. Однак в ньому запасається дуже невелика кількість вуглеводів. Середня калорійність вуглеводів дорівнює 17 кДж / г (4 ккал / г).

Подібно вуглеводів, жири в результаті метаболізму також перетворюються в СО2 і Н2 О (такі ж продукти вони дають і при згорянні в калориметричних бомбі). Наприклад, згоряння типового жиру стеарину С57 Н110 ПРО6 відбувається за рівнянням:

Хімічна енергія їжі, яка не витрачається на підтримання температури тіла або на м'язову активність або, нарешті, на перегрупування атомів їжі в клітини організму, запасається в ньому у вигляді жирів.

Калорійність і склад деяких поширених продуктів

* У пиві зазвичай міститься 3,5% етанолу, що володіє калорійністю.

Існують, принаймні, дві причини, за якими жири виявляються зручними для зберігання надлишку енергії в організмі: 1) вони нерозчинні у воді, що дозволяє їм накопичуватися в тілі; 2) жири виділяють більше енергії в розрахунку на один грам, ніж білки або вуглеводи, що робить їх найбільш ефективним джерелом енергії. Середня калорійність жирів дорівнює 38 кДж / г (9 ккал / г).

Метаболізм білків в організмі призводить до виділення меншої кількості енергії, ніж згоряння в калориметричних бомбі, тому що вони дають різні продукти реакції. Білки містять азот, який в калориметричних бомбі виділяється у вигляді N2. З організму цей азот виводиться головним чином у вигляді сечовини CH4 N2 O. Білки використовуються організмом в основному як будівельний матеріал для клітин стінок різних органів, шкіри, волосся, м'язів і так далі. В середньому при метаболізмі білків виділяється 17 кДж / г (4 ккал / г).

Калорійність деяких найбільш поширених продуктів вказана в табл. 1.3.

Підраховано, що біжить середньої ваги витрачає енергію в 100 Кал на 1 км. Яка кількість сосисок має калорійністю, що дозволяє пробігти 3 км?

Рішення: Нагадаємо, що харчова Калорія еквівалентна 1 ккал. Біг на 3 км вимагає витрати енергії в 300 Калорій, тобто 300 ккал. Необхідна кількість сосисок = 300 ккал (1 г сосисок / 3,6 ккал) = 83 г сосисок. Таким чином, щоб пробігти 3 км, більш ніж достатньо з'їсти 100 г сосисок.

Потреба організму в енергії в значній мірі залежить від таких факторів, як вага тіла, вік і м'язова активність. У середньому дорослій людині потрібно близько 6300 кДж (1500 ккал) на добу, якщо він знаходиться в спокої в теплому приміщенні. При виконанні роботи середньої інтенсивності енергетичні потреби зростають приблизно до 10000-13000 кДж (2500-3000 ккал) на добу. Це приблизно відповідає кількості енергії, потребляемому 100-ватної освітлювальної лампочкою протягом 24 год.

Теплотворна здатність ПАЛИВ

Вугілля, нафта і природний газ, які в даний час є нашими головними джерелами енергії, називають горючими копалинами. Передбачається, що вони утворилися мільйони років тому в результаті розкладання рослин і тварин. Всі вони в даний час витрачаються набагато швидше, ніж відбувається їх подальше накопичення. Природний газ складається з газоподібних вуглеводнів (сполук вуглецю і водню). Склад природного газу неоднаковий, але в основному він містить метан СН4 з невеликими добавками етану С2 Н6. пропану С3 Н8 і бутану С4 Н10. Нафта являє собою рідку суміш сотень різних сполук. Велика їх частина є вуглеводнями, а інша частина являє собою головним чином органічні сполуки, що містять сірку, азот або кисень. Вугілля - це тверда речовина, що містить вуглеводні з великою молекулярною масою, а також сполуки сірки, кисню та азоту. Наявність сірки в вугіллі та нафті має велике значення під час обговорення проблеми забруднення повітря.

Теплотворна здатність і склад деяких поширених видів палив

Приблизний елементарний склад,%

Теплотворна здатність, кДж / г

Водень Н2 є вельми перспективний паливо, оскільки має дуже високу теплотворну здатність, а при його згорянні утворюється тільки вода, отже, він є «чистим» пальним, яке викликає забруднення повітря. Однак його широкому використанню в якості джерела енергії заважає та обставина, що в природі міститься занадто мало Н2 у вільній формі. Більшу частину водню отримують розкладанням води або вуглеводнів. Таке розкладання вимагає витрати енергії, причому на практиці через теплових втрат на отримання водню доводиться витрачати більше енергії, ніж її можна отримати при подальшому використанні водню як пального. Однак якщо вдасться створити великі і дешеві джерела енергії в результаті розвитку техніки отримання ядерної або сонячної енергії, частина її можна буде використовувати на отримання водню. Цей водень можна буде потім застосовувати як зручний носій енергії. Економічно вигідніше транспортувати водень за існуючими газопроводами, ніж передавати електроенергію; водень зручний як для транспортування, так і для зберігання. Оскільки сучасна промислова технологія заснована на використанні горючих палив, водень зможе замінити нафту і природний газ, коли ці види палива вичерпаються і стануть більш дорогими.

1.8 Споживання енергії: тенденції та перспективи

Найвища середньодобове споживання енергії на душу населення в світі припадає на і США становить близько 1,3 # 8729, 10 6 кДж. Ця кількість енергії приблизно в 100 разів перевищує наші енергетичні потреби в їжі. Споживання енергії з кожним роком зростає, що показано на рис. 1.6. В даний час майже 30% щорічно ви-

Мал. 1.6. Щорічне споживання енергії в США (1 Btu = 1,05 кДж).

водимо в світі енергії споживається в США. Відносна роль різних джерел енергії з часом змінюється. До середини XIX століття близько 90% споживаної енергії отримували з деревини. Поступово підвищувалася роль вугілля, який на 1910 р давав уже 75% споживаної енергії. В даний час на частку природного газу припадає 31%, на частку нафти 46%, на частку вугілля 19% споживаної енергії; близько 2% енергії дають

гідроелектростанції і дещо більше 2% - атомні електростанції. Найбільша проблема, пов'язана з використанням горючих копалин, полягає в тому, що, врешті-решт, ми повністю виснажити їх. При цьому нам доведеться користуватися все більш дорогими джерелами цих видів палива.

ЕНЕРГЕТИЧНІ ДЖЕРЕЛА МАЙБУТНЬОГО

Згідно з деякими оцінками, до кінця XX століття існуючі запаси нафти і природного газу повинні повністю виснажитися, якщо не з'являться інші джерела енергії або не зменшиться її споживання в розрахунку на душу населення. Цим визначається значний інтерес до створення нових джерел енергії. В даний час багато зусиль зосереджено на дослідженні можливостей використання ядерної і сонячної енергії і на розробці способів ефективнішого використання вугілля. Виявляється також інтерес до використання геотермальної енергії (теплової енергії, що надходить з надр землі), енергії вітру і морських припливів. Експерти пророкують, що кожен з цих трьох джерел енергії може внести невеликий, але важливий внесок в загальний баланс енергії, але в цілому вони не зроблять вирішального впливу на найближче майбутнє, і тому ми не обговорюємо їх докладніше. Тут ми лише коротко зупинимося на проблемах використання енергії вугілля та сонячної енергії.

Запаси вугілля перевищують запаси всіх інших горючих копалин; на його частку припадає 80% запасів горючих копалин в США і 90% у всьому світі. Однак використання вугілля стикається з цілою низкою проблем. З усіх видів палив вугілля викликає максимальне забруднення атмосфери. Його видобуток нерідко буває дорогий і небезпечною. Родовища вугілля можуть перебувати далеко від районів його споживання; так, в США велика частина невикористаних багатих покладів вугілля знаходиться в західній частині країни, а споживачі енергії зосереджені здебільшого вздовж східного узбережжя; транспортування вугілля на великі відстані ще більше підвищує його вартість. Деякі фахівці стверджують, що вугілля можна було б використовувати більш ефективно, якщо перетворити його в газ, який називають синтетичним газом ( «сингаза»). В процесі перетворення з вугілля можна видалити сірку, що має зменшити забруднення повітря при подальшому спалюванні синтетичного газу. Синтетичний газ легко транспортувати по трубах, і він може заповнити наші менші запаси природного газу. Газифікація вугілля вимагає додавання до нього водню. Для цього вугілля подрібнюють на порох, яку обробляють перегрітою парою. Продукт містить суміш СО, Н2 і СН4. і всі ці речовини можна використовувати в якості палив. Однак умови процесу підбирають таким чином, щоб отримати максимальний вихід СН4. Спрощена схема найважливіших реакцій, що протікають в цьому процесі, показана на рис. 1.7.

Сонячна енергія є найбільшим джерелом енергії в світі. Сонячна енергія, падаюча тільки на 0,1% сухопутної території США, еквівалентна всієї енергії, споживаної в США в даний час. Труднощі використання сонячної енергії полягає в тому, що вона дуже розсіяна, непостійна в часі і залежить від погодних умов. Пристрої, що перетворюють сонячну енергію в електричну, в даний час ще недостатньо ефективні. Один з можливих способів використання сонячної енергії полягає в створенні «плантацій енергії». На таких плантаціях можна швидко вирощувати великі врожаї різних рослин, спалюючи потім ці рослини для отримання енергії. Сонячна енергія в даний час може служити як допоміжний засіб для обігріву осель спільно з традиційними; використання сонячних водонагрівальних пристроїв і продумане розташування стін і вікон будинків допомагає створювати і підтримувати в оселях необхідну температуру.

Мал. 1.7. Найважливіші стадії процесу газифікації вугілля для отримання синтетичного газу. Каталізатор є речовина, здатне підвищити швидкість реакції, але не витрачається в ній.

На закінчення обговорення відзначимо, що наше основна увага була зосереджена на запобіганні енергетичної кризи шляхом створення нових джерел енергії.

Однак до вирішення цієї проблеми можна підійти і з іншого боку - знижуючи рівень споживання енергії на душу населення і непродуктивні витрати енергії. Такий шлях економії енергії, можливо, являє собою найбільш розумний вихід з положення.

МАТЕРІАЛ ДЛЯ ПОВТОРЕННЯ