حرارة الاحتراق

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث

يمكن تعريف القيمة الحرارية على أنها الطاقة الكلية المطلقة كحرارة عندما يحدث للمادة احتراق كامل بالأكسجين تحت الظروف القياسية. يكون التفاعل الكيميائي هيدروكربوني أو يحدث تفاعل للجزيئات العضوية مع الأكسجين ليتكون ثاني أكسيد الكربون و الماء وينتج عنه الحرارة. يمكن التعبير عنه بالكميات الآتيه:

  • وحدة طاقة لكل مول من الوقود (كيلوجول/مول
  • وحدة طاقة لكل كجم من الوقود
  • وحدة طاقة لوحدة الحجوم

يتم قياس القيمة الحرارية باستخدام مسعر. يمكن أيضا قياسها عن طريق حساب الفرق بين حرارة التكوين ΔHof للنواتج والمتفاعلات. بالنسبة إلى الوقود والذي تُعطى مكوناته بالصيغة التالية: CcHhOoNn، فإن مقدار حرارة الاحتراق تكون 418 كيلو جول/مول.[1] تملك القيمة الحرارية للعناصر العضوية إشارة مقابلة للتفاعل الطارد للحرارة لأن الرابطة الثنائية في جزئ الأكسجين تكون أضغف بكثير من الأزواج الثنائية في الروابط الأحادية خاصة لنواتج الاحتراق ثاني أكسيد الكربون والماء حيث تتحول الروابط الضعيفة في الاكسجين O2 إلى ربطة أقوي في CO2 و H2O باعثة طاقة في صورة حرارة.[1]

القيمة الحرارية لأي مادة يمكن تعريفها بأنها كمية الحرارة المنطلقة أثناء احتراق كمية محددة منها مثل الوقود و الطعام. هي خاصية مميزة لكل مادة. تكون وحدتها هي وحدة طاقة لكل وحدة من المادة عادة الكتلة مثل كيلو جول/كجم، كيلو جول/مول، كيلو كالوري/كجم ، وحدة حرارية برياطنية/رطل.

تحويل وحدات القيمة الحرارية:

  • ميجاجول/كجم= كيلوكالوري/كجم * 238.846
  • وحدة حرارية بريطانية/رطل= كيلوجول/كجم* 2.326
  • وحدة حرارية بريطانية/رطل= كيلوكالوري/كجم* 0.5556

يمكن التعبير عن حرارة احتراق الوقود بالقيمة الحرارية العليا، القيمة الحرارية الأدنى والقيمة الحرارية الكلية.

القيمة الحرارية العليا[عدل]

يمكن تحديد القيمة الحرارية العيا عن طريق ارجاع جميع نواتج الاحتراق إلى درجة حرارة ما قبل الاحتراق وتكثيف أي بخار نتج عن الاحتراق. تستخدم مثل هذه القياسات درجة الحرارة القياسية 15 درجة سليزيوس. يشبه هذا حرارة الديناميكا الحرارية للاحتراق حيث أن التغير في الإنثالبي للتفاعل يفترض درجة حرارة مشتركة للعناصر قبل وبعد الاحتراق، في حالة تكثف الماء إلى بخار فإنه يستخدم الحرارة الكامنة للتبخر. في الأنظمة الميكانيكية مثل غلايات الحريق الغازية المستخدمة لإنتاج الحرارة يتم ضبطها لغرض الحصول على القيمة الحرارية العليا لأن الحرارة الناتجة عنها تكون عند درجة حرارة أقل من 150.

القيمة الحرارية الدنيا[عدل]

يمكن تحديد القيمة الحرارية الدنيا بطرح حرارة التبخر لبخار الماء من القيمة الحارية العليا. نتعامل هنا مع H2O كبخار والطاقة المطلوبة لإنتاج البخار لا تنطلق كحرارة.

يتم فرض عند حساب القيمة الحرارية الدنيا أن الماء كله تحول إلى بخار في نهاية عملية الاحتراق، بينما نفرض أنه في حالة سائلة في نهاية عملية الاحتراق عند حساب القيمة الحرارية العليا. تفرض القيمة الحرارية الدنيا ان الحرارة الكامنة للتبخر للماء في الوقود ونواتج التفاعل غير قابلة للاسترجاع. من الجيد المقارنة بين أنواع الوقود حيث أن تكثيف نواتج التفاعل بها غير عملي أو أن الحرارة التي لها درجة حرارة أقل من 150 درجة سليزيوس غير قابل للانتفاع بها. التعريف السابق هو التعريف المعتمد من الجمعية الأمريكية للبترول وتستخدم درجة حرارة مرجعية 60 فهرنهيت. هناك تعريف آخر يستخدم بواسطة جمعية الموردون المعالجون للغاز والجمعية الأمريكية للبترول وهو محتوى الحراري لنواتج التفاعل مطروح منه المحتوى الحراري للوقود عند درجة حرارة مرجعية (60 فهرنهيت) مطروح منه المحتوى الحراري للأكسجين عند درجة الحرارة المرجعية مطروح منه حرارة التبخر للبخار المتواجد في نواتج التفاعل. يرجع الاختلاف بين التعريفين أن التعريف الثاني يفرض أن نواتج الاحتراق تعود إلى درجة حرارة مرجعية والمحتوى الحراري من البخار المتكثف ليس له فائدة. يعتبر حساب القيمة الحرارية الدنيا أكثر سهولة من حساب القيمة الحرارية العليا وعند حساب الفرق بينهم نجده ليس بالكبير.

القيمة الحرارية الكلية[عدل]

تأخذ القيمة الحرارية الكلية الماء الخارج كبخار في حساباته ويشمل أيضا الماء السائل في الوقود قبل الاحتراق. هذه القيمة مهمة جدا للوقود مثل الخشب و الفحم الذي عادة يحتوي على ماء قبل الاحتراق. == قياس القيمة الحرارية == تقاس القيمة الحرارية العليا بالتجربة بسواطة مسعر. يتم بدأ الاحتراق لخليط الوقود والمؤكسد المتوازن ( 2 مول من الهيدروجين، 1 مول من الأكسجين) بواسطة جهاز إشعال في وعاء من الصلب عند درجة حارة 25 درجة سليزيوس. يتكون بخار الماء عند تفاعل الهيدورجين والأكسجين أثناء التفاعل . يتم تبريد الوعاء إلى درجة حرارة 25 سليزيوس مرة أخرى ويتم حساب القيمة الحرارية العليا عن طريق حساب الحرارة الانتجة بين درجة الحرارة الابتدائية والنهائية.

عند حساب القيمة الحرارية الدنيا، يتم إيقاف التبريد عند 150 درجة سليزيوس ويتم استرجاع جزأ من حرارة التفاعل. تم اختيار هذه الدجرة اعتمادا على درجة حرارة التندي للغاز الحامض. لاحظ: القيمة الحرارية العليا تحسب بفرض أن ماء النواتج في حالة سائلة بينما القيمة الحرارية الدنيا فماء النواتج يكون في حالة بخارية. == العلاقة بين القيم الحرارية == يعتمد الفرق بين القيمتين الحراريتين على التكوين الكيميائي للوقود. في حالة الكربون وأول أكسيد الكربون، فإن القيمة الحرارية العليا والدنيا متماثلتان، ينحصر الفرق في قيمة الحرارة المحسوسة التي تكون بين 150 و 25 درجة سليزيوس ( تغير الحرارة المحسوسة يغير من من درجة الحرارة، الحرارة الكامنة تضاف أو تطرح لتغير الحالة عند ثبوت درجة الحرارة، أمثلة: حرارة التبخر و حرارة الانصهار). في حالة الهيدروجين يكون الفرق بين القيميتين أكبر حيث يشمل الحرارة المحسوسة لبخار الماء بين 150 و 100 درجة سليزيوس، الحرارة الكامنة للتكثيف عند 100 درجة سليزيوس والحرارة المحسوسة للماء المتكثف بين 100 و 25 درجة سليزيوس. تكون القيمة الحرارية العليا أكبر من القيمة الحرارية الدنيا بنسبة تصل غلى 18.2% (142 ميجاجول/كجم . 120 ميجاجول/كجم). في الهيدروكربونات فإن الفرق يعتمد على قيمة الهيدروجين في الوقود. بالنسبة للجازولين والديزل فإن القيمة الحرارية العليا تكون أكبر بنسبة 10% و 7% على التوالي وللغاز الطبيعي بنسبة 11%.

العلاقة بين القيميتين:

حيث:

Hv هي حرارة التبخر.

nH2O,out عدد مولات الماء المتبخر.

nfuel,in عدد مولات الوقود المحترق..[2]

معظم التطبيقات التي يحترق بها الوقود ينتج عنها بخار ماء والذي لا يستخم وتهدر حرارته. في هذه التطبيقات فإن القيمة الحرارية الدنيا يتم استخدامها لإعطاء مؤشر للعملية.

لكن في بعض الحالات عند حساب الطاقة فإن القيمة الحرارية العليا تكون صحيحة. هذه يتعلق بالغاز الطبيعي كونه يحتوي على محتوي هيدروجيني كبير والذي ينتج عنه كمية أكبر من الماء عند احتراقه في الغلايات و محطات الطاقة والذي ينتج عنها تكئف لبخار الماء ب مكثفات الغاز الناتج عن الاحتراق.

الاستخدام[عدل]

يقيس معظم مصنعي المحركات استهلاك الوقود بالقيمة الحرارية الدنيا. يجب أن يكون المستهلك الأمريكي حذر حيث أن الرسم التوضيحي لاستهلاك الوقود اعتمادا على القيمة الحرارية العليا سيكون أكبر. يسبب الفرق بين القيمتين ارتباك لا منتهي عندما لا يذكر المصنع أي القيميتين يستخدم حيث أنه هناك فرق يصل إلى 10% بينهما للمحطات التي تحرق الغاز الطبيعي. يجب توضيح أي القيمتين تستخدم لان القيمة الحرارية العليا تستخدم في حساب كفاءة الطاقة الكلية واحيانا تكون القيمة الحرارية الدنيا مناسبة.

جدول حرارة الاحتراق[عدل]

القيمة الحرارية العليا والدنيا لبعض أنواع الوقود
Fuel العليا جول/كجم العليا وحدة حرارية بريطانية/رطل العليا جول/مول الدنيا ميجاجول/كجم
هيدروجين 141.80 61,000 286 119.96
ميثان 55.50 23,900 889 50.00
إيثان 51.90 22,400 1,560 47.622
بروبان 50.35 21,700 2,220 46.35
بوتان (كيمياء) 49.50 20,900 2,877 45.75
بنتان 48.60 21,876 3,507 45.35
برافين 46.00 19,900 41.50
كيروسين 46.20 19,862 43.00
ديزل (وقود) 44.80 19,300 43.4
فحم حجري (فحم صلب) 32.50 14,000
فحم حجري (فحم بني - الولايات المتحدة) 15.00 6,500
خشب (حرارة الاحتراق) 21.70 8,700
وقود حطبي 21.20 9,142 17.0
خث (dry) 15.00 6,500
خث (damp) 6.00 2,500
القيمة الحرارية العليا لبعض انواع الوقود غير الشائعة
وقود جول/كجم وحدة حرارية بريطانية/رطل جول/مول
ميثانول 22.7 9,800 726.0
إيثانول 29.7 12,800 1,300.0
1-بروبانول 33.6 14,500 2,020.0
أسيتيلين 49.9 21,500 1,300.0
بنزين (مركب كيميائي) 41.8 18,000 3,270.0
أمونياك 22.5 9,690 382.6
هيدرازين 19.4 8,370 622.0
سداسي ميثيلين رباعي أمين 30.0 12,900 4,200.0
كربون 32.8 14,100 393.5
حرارة الاحتراق لبعض انواع الوقود (القيمة الحرارية العليا)
وقود جول/كجم سعرة/جرام وحدة حرارية بريطانية/رطل
هيدروجين 141.9 33.9 61,000
وقود السيارات 47.0 11.3 20,000
ديزل (وقود) 45.0 10.7 19,300
إيثانول 29.7 7.1 12,000
بروبان 49.9 11.9 21,000
بوتان (كيمياء) 49.2 11.8 21,200
خشب 15.0 3.6 6,000
فحم حجري (فحم بني) 15.0 4.4 8,000
فحم حجري (فحم صلب[بحاجة لمصدر] 36 7.8 14,000
غاز طبيعي 54.0 13.0 23,000
القيمة الحرارية الدنيا لبعض العناصر العضوية عند 25 درجة سليزيوس
وقود جول/كجم جول/لتر وحدة حرارية بريطانية/رطل جول/مول
ألكانات
ميثان 50.009 6.9 21,504 802.34
إيثان 47.794 20,551 1,437.2
بروبان 46.357 25.3 19,934 2,044.2
بوتان (كيمياء) 45.752 19,673 2,659.3
بنتان 45.357 28.39 21,706 3,272.6
هكسان 44.752 29.30 19,504 3,856.7
هبتان 44.566 30.48 19,163 4,465.8
أوكتان 44.427 19,104 5,074.9
نونان 44.311 31.82 19,054 5,683.3
ديكان 44.240 33.29 19,023 6,294.5
أونديكان 44.194 32.70 19,003 6,908.0
دوديكان 44.147 33.11 18,983 7,519.6
أيزوبارفين
إيزوبوتان 45.613 19,614 2,651.0
أيزوبيوتان 45.241 27.87 19,454 3,264.1
ميثيل بنتان 44.682 29.18 19,213 6,850.7
دايمثيل بيوتان 44.659 29.56 19,203 3,848.7
دايمثيل بينتان 44.496 30.92 19,133 4,458.5
ترايميثيل بينتان 44.310 30.49 19,053 5,061.5
نافسينز
حلقي البنتان 44.636 33.52 19,193 3,129.0
ميثيل حلقي بنتان 44.636? 33.43? 19,193? 3,756.6?
حلقي الهكسان 43.450 33.85 18,684 3,656.8
ميثيل حلقي الهكسان 43.380 33.40 18,653 4,259.5
مونوليفن
إيثيلين 47.195
بروبيلين 45.799
بيوتين-1 45.334
بيوتين-2 45.194
ترانس -2 بيوتين 45.124
إيزوبيوتين 45.055
بينتين 45.031
ميثيل-1 بينتين-2 44.799
هيكسان-1 44.426
دايوليفن
3،1-بوتاديين 44.613
إيزوبرين 44.078 -
مشتقات نيتروس
نترو الميثان 10.513
نيترو بروبان 20.693
أسيتيلين
أسيتيلين 48.241
ميثيل أسيتيلين 46.194
بويتن-1 45.590
بينتين-1 45.217
عطريات
بنزين (مركب كيميائي) 40.170
تولوين 40.589
o-Xylene 40.961
m-Xylene 40.961
p-Xylene 40.798
إيثيل بنيزن 40.938
ترايميثيل بنزين 40.984
بروبي بنزين 41.193
كيومين 41.217
الكحوليات
ميثانول 19.930 15.78 8,570 638.55
إيثانول 28.865 22.77 12,412 1,329.8
1-بروبانول 30.680 24.65 13,192 1,843.9
إيزوبروبانول 30.447 23.93 13,092 1,829.9
ن-بوتانول 33.075 26.79 14,222 2,501.6
إيزوبوتانول 32.959 26.43 14,172 2,442.9
بيوتانول 32.587 25.45 14,012 2,415.3
بينتانول-1 34.727 28.28 14,933 3,061.2
Isoamyl alcohol 31.416? 35.64? 13,509? 2,769.3?
إيثرز
ثنائي ميثيل الإيثر 28.703 12,342 1,322.3
ثنائي إيثيل الإيثر 33.867 24.16 14,563 2,510.2
بروبوكسي بروبان 36.355 26.76 15,633 3,568.0
بيتوكسي بيوتان 37.798 28.88 16,253 4,922.4
ألدهيدز
ميثانال 17.259 570.78 [3]
أسيتالدهيد 24.156
بروباين ألدهيد 28.889
ألدهيد البوتان 31.610
أسيتون 28.548 22.62
أخرى
غرافيت 32.808
هيدروجين 120.971 1.8 52,017 244
أحادي أكسيد الكربون 10.112 4,348 283.24
أمونياك 18.646 8,018 317.56
كبريت (solid) 9.163 3,940 293.82
لاحظ
  • ليس هناك فرق بين القيمة الحرارية العليا والدنيا لعناصر الكربون وأول أكسيد الكربون والكبريت عند الاحتراق لانه ليس هناك تكون للماء في نواتج التفاعل.
  • 1 ميجاجول/كجم= 430وحدة حرارية بريطانية/رطل.

القيمة الحرارية العليا للغاز الطبيعي من مصادر مختلفة[عدل]

تساوي القيمة الحرارية الدنيا للغاز الطبيعي تقريبا 90% من القيمة الحرارية العليا.

انظر أيضا[عدل]

مراجع[عدل]

  1. ^ أ ب Schmidt-Rohr، K (2015). "Why Combustions Are Always Exothermic, Yielding About 418 kJ per Mole of O2". J. Chem. Educ. 92: 2094–2099. doi:10.1021/acs.jchemed.5b00333. 
  2. ^ Air Quality Engineering, CE 218A, W. Nazaroff and R. Harley, University of California Berkeley, 2007
  3. ^ http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C50000&Mask=1