燃燒熱計算機
透過簡單的水量熱測量,計算燃料能量與莫耳燃燒焓。
量熱實驗資料
此理想計算採用水的比熱容:每克每攝氏度4.184 J。
關於燃燒熱
燃燒熱是物質在氧氣中完全燃燒時釋放的熱能。化學上通常以每克或每莫耳燃料表示,方便依質量或分子數量比較不同物質。在簡單的課堂量熱實驗中,燃料燃燒會加熱已知質量的水,水溫上升可用來估算反應傳遞的能量。
本計算機先計算q = m × c × delta T。水的質量m以克輸入,比熱容c固定為每克每攝氏度4.184焦耳,delta T則是測得的溫升。將q除以1000可把焦耳換算為千焦耳。再除以燃燒消耗的燃料質量,得到每克的千焦耳數;乘上燃料莫耳質量,就得到每莫耳的千焦耳數。
燃燒屬於放熱反應,因此熱力學表通常將燃燒焓列為負值,表示反應系統向周圍環境放熱。本計算機顯示釋放能量的正值大小,這也是討論燃料能量含量時常見的方式。撰寫正式熱化學方程式時,應依慣例為放熱燃燒反應的莫耳焓加上負號。
簡單的明火實驗很難收集所有釋放的能量。熱量可能加熱燃燒器、容器、溫度計和周圍空氣,而不是水。燃料可能蒸發、燃燒不完全或產生碳煙,採用的熱容也可能未計入量熱器本身。這些損失通常使實驗結果低於參考值。彈式量熱器利用密閉容器與經校正的總熱容,減少其中許多誤差。
為取得可靠的測量,應在燃燒前後秤量燃燒器,輕輕攪拌水,以一致方式記錄溫度,避免氣流干擾,並重複實驗。請使用燃料實際減少的質量,而非初始質量。本教學計算機適合比較燃料與核對實驗計算;精密熱力學研究仍需校正設備、不確定度分析及標準態修正。
燃燒熱計算範例
| 測量資料 | 計算熱量 | 結果說明 |
|---|---|---|
| 燃料1.5 g,46.07 g/mol,水200 g,溫升12 °C | 308.411 kJ/mol | 在理想模型中,水吸收10.0416 kJ。 |
| 燃料0.8 g,32.04 g/mol,水100 g,溫升10 °C | 167.5692 kJ/mol | 計算得到的單位質量能量為5.23 kJ/g。 |
| 燃料2 g,58.12 g/mol,水250 g,溫升15 °C | 456.0023 kJ/mol | 受熱水量越多、溫升越大,代表傳遞的熱量越多。 |
如何計算燃燒熱
- 輸入測得的燃燒過程中消耗的燃料質量。
- 輸入燃料的莫耳質量與受熱水的質量。
- 輸入水的最終溫度與初始溫度之差。
- 選擇「計算熱量」,取得每克與每莫耳的能量。
燃燒熱常見問題
為什麼燃燒焓通常是負值?
燃燒將能量從反應系統傳遞至周圍環境。因此,依照熱力學符號慣例,此反應的焓變為負值。
為什麼計算機顯示正值?
這裡顯示燃料釋放能量的大小,方便比較。正式表示放熱反應的焓變時,請加上負號。
計算包含量熱器的熱容嗎?
不包含。模型僅計算水,採用每克每攝氏度4.184 J的比熱容。經校正的量熱器需另行進行熱容修正。
為什麼我的實驗值低於參考值?
熱損失、不完全燃燒、蒸發及未計入的儀器吸熱,都會降低測得的水溫升幅。加強保溫並重複實驗可改善估算。
應輸入哪個燃料質量?
使用實際消耗的質量,可由實驗前後燃燒器的質量差求得。若使用最初全部燃料的質量,會使分母偏大。