Теплотворная способность топлив и пищи

Наиболее распространенными химическими реакциями, используемыми для получения теплоты, являются реакции горения. Энергия, выделяемая при сгорании топлива или пищи, называется их теплотворной способностью (калорийностью).Поскольку все реакции горения экзотермические, принято указывать теплотворную способность без отрицательного знака. Кроме того, поскольку топлива и пища обычно представляют собой смеси, их теплотворная способность указывается в расчете на один грамм, а не на моль. Например, теплотворная способность октана С₈Н₁₈, одного из компонентов бензина, представляет собой теплоту, выделяемую при сгорании 1 г этого вещества:

2С₈Н₁₈ (ж.) + 25О₂ (г.) → 16СО₂ (г.) + 18Н₂О (г.) (1.17)

 

Заметим, что в данной реакции вода, являющаяся одним из продуктов, рассматривается как газообразное вещество. Дело в том, что в условиях горения октана вода должна испаряться. Изменение энтальпии данной реакции = - 10920 кДж. Поскольку каждый моль С₈Н₁₈ имеет массу 114 г, теплотворная способность октана равна 47,9 кДж/г:

(10920 кДж / 2 моля С₈Н₁₈) × (1 моль С₈Н₁₈/114 г С₈Н₁₈) = 47,9 кДж /г С₈Н₁₈

Согласно первому закону термодинамики, теплотворная способность любого вещества не должна зависеть от того, как или где оно вступает в реакцию, при условии, что продукты реакции остаются неизменными. Поэтому калориметрическая бомба часто используется для измерения теплотворной способности (калорийности) пищевых продуктов. Несомненно, такой способ намного проще, чем измерение количества теплоты, выделяемого в двигателе автомобиля или в нашем организме.

 

 

КАЛОРИЙНОСТЬ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

 

Большая часть энергии, в которой нуждается наш организм, поступает из углеводов и жиров. В процессе пищеварения углеводы разлагаются на глюкозу С₆Н₁₂О₆. Глюкоза растворима в крови, и ее часто называют кровяным сахаром. Она переносится током крови к клеткам организма, где реагирует с О₂ в несколько стадий, превращаясь в конце концов в СО₂ (г.) и Н₂О (ж.) с выделением энергии:

С₆Н₁₂О₆ (тв.) + 6О₂ (г.) → 6СО₂ (г.) + 6Н₂О (ж.) = - 2816 кДж

Разложение углеводов происходит быстро, поэтому их энергия сразу же поступает в организм. Однако в нем запасается очень небольшое количество углеводов. Средняя калорийность углеводов равна 17 кДж/г (4 ккал/г).

Подобно углеводам, жиры в результате метаболизма также превращаются в СО₂ и Н₂О (такие же продукты они дают и при сгорании в калориметрической бомбе). Например, сгорание типичного жира стеарина С₅₇Н₁₁₀О₆ происходит по уравнению:

2С₅₇Н₁₁₀О₆ (тв.) + 163О₂ (г.) → 114СО₂ (г.) + 110Н₂О (ж.)

= - 75520кДж

Химическая энергия пищи, которая не расходуется на поддержание температуры тела или на мускульную активность либо, наконец, на перегруппировку атомов пищи в клетки организма, запасается в нем в виде жиров.

ТАБЛИЦА 1.3

Калорийность и состав некоторых распространенных продуктов

Пищевой продукт	Приблизительный состав, %	Калорийность
Белки	Жиры	Углеводы	кДж/г	ккал/г
Зеленый горошек	1,9	-	7,0	1,5	0,38
Земляные орехи					5,5
Молоко	3,3	4,0	5,0	3,0	0,74
Пиво*	0,3		1,2	1,8	0,42
Помадка (сливочная)					4,4
Сосиски			-		3,6
Сыр (чеддер)					4,7
Хлеб (белый)					2,8
Яблоки (свежие)	0,4	0,5		2,5	0,59
Яйца			0,7		1,4
* В пиве обычно содержится 3,5 % этанола, обладающего калорийностью.

Существуют, по крайней мере, две причины, по которым жиры оказываются удобными для хранения избытка энергии в организме: 1) они нерастворимы в воде, что позволяет им накапливаться в теле; 2) жиры выделяют больше энергии в расчете на один грамм, чем белки или углеводы, что делает их наиболее эффективным источником энергии. Средняя калорийность жиров равна 38 кДж/г (9 ккал/г).

Метаболизм белков в организме приводит к выделению меньшего количества энергии, чем сгорание в калориметрической бомбе, потому что они дают разные продукты реакции. Белки содержат азот, который в калориметрической бомбе выделяется в виде N₂. Из организма этот азот выводится главным образом в виде мочевины CH₄N₂O. Белки используются организмом в основном как строительный материал для клеток стенок различных органов, кожи, волос, мускулов и так далее. В среднем при метаболизме белков выделяется 17 кДж/г (4 ккал/г).

Калорийность некоторых наиболее распространенных продуктов указана в табл. 1.3.

 

УПРАЖНЕНИЕ 1.10

Подсчитано, что бегущий человек среднего веса затрачивает энергию в 100 Кал на 1 км. Какое количество сосисок обладает калорийностью, позволяющей пробежать 3 км?

Решение: Напомним, что пищевая Калория эквивалентна 1 ккал. Бег на 3 км требует затраты энергии в 300 Калорий, т.е. 300 ккал. Требуемое количество сосисок = 300 ккал (1 г сосисок /3,6 ккал) = 83 г сосисок. Таким образом, чтобы пробежать 3 км, более чем достаточно съесть 100 г сосисок.

Потребность организма в энергии в значительной мере зависит от таких факторов, как вес тела, возраст и мускульная активность. В среднем взрослому человеку требуется около 6300 кДж (1500 ккал) в сутки, если он находится в покое в теплом помещении. При выполнении работы средней интенсивности энергетические потребности возрастают приблизительно до 10000-13000 кДж (2500-3000 ккал) в сутки. Это приблизительно соответствует количеству энергии, потребляемому 100-ваттной осветительной лампочкой в течение 24 ч.

 

ТЕПЛОТВОРНАЯ СПОСОБНОСТЬ ТОПЛИВ

 

В табл. 1.4 сравниваются характеристики различных видов топлив. Отметим, что теплотворная способность топлив повышается с относительным содержанием в них углерода или водорода. Например, теплотворная способность битумного угля выше, чем дерева, поскольку уголь содержит больше углерода.

Уголь, нефть и природный газ, которые в настоящее время являются нашими главными источниками энергии, называют горючими ископаемыми. Предполагается, что они образовались миллионы лет назад в результате разложения растений и животных. Все они в настоящее время расходуются гораздо быстрее, чем происходит их дальнейшее накопление. Природный газ состоит из газообразных углеводородов (соединений углерода и водорода). Состав природного газа неодинаков, но в основном он содержит метан СН₄ с небольшими добавками этана С₂Н₆, пропана С₃Н₈ и бутана С₄Н₁₀. Нефть представляет собой жидкую смесь сотен различных соединений. Большая их часть является углеводородами, а остальная часть представляет собой главным образом органические соединения, содержащие серу, азот или кислород. Уголь - это твердое вещество, содержащее углеводороды с большой молекулярной массой, а также соединения серы, кислорода и азота. Наличие серы в угле и нефти имеет большое значение при обсуждении проблемы загрязнения воздуха.

ТАБЛИЦА 1.4

Теплотворная способность и состав некоторых распространенных видов топлив

Вид топлива	Приблизительный элементный состав, %	Теплотворная способность, кДж/г
С	Н	О
Антрацит (уголь)
Бензин
Битумный уголь
Водород
Древесина (сосна)
Древесный уголь
Природный газ
Сырая нефть

 

Водород Н₂ представляет собой весьма перспективное топливо, поскольку имеет очень высокую теплотворную способность, а при его сгорании образуется только вода, следовательно, он является «чистым» горючим, не вызывающим загрязнения воздуха. Однако его широкому использованию в качестве источника энергии мешает то обстоятельство, что в природе содержится слишком мало Н₂ в свободной форме. Большую часть водорода получают разложением воды или углеводородов. Такое разложение требует расхода энергии, причем на практике из-за тепловых потерь на получение водорода приходится затрачивать больше энергии, чем ее можно получить при последующем использовании водорода в качестве горючего. Однако если удастся создать большие и дешевые источники энергии в результате развития техники получения ядерной или солнечной энергии, часть ее можно будет использовать на получение водорода. Этот водород можно будет затем применять как удобный носитель энергии. Экономически выгоднее транспортировать водород по существующим газопроводам, чем передавать электроэнергию; водород удобен как для транспортировки, так и для хранения. Поскольку современная промышленная технология основана на использовании горючих топлив, водород сможет заменить нефть и природный газ, когда эти виды топлива истощатся и станут более дорогими.

 

1.8 Потребление энергии: тенденции и перспективы

Самое высокое среднесуточное потребление энергии на душу населения в мире приходится на и США составляет около 1,3∙10⁶ кДж. Это количество энергии приблизительно в 100 раз превышает наши энергетические потребности в пище. Потребление энергии с каждым годом растет, что показано на рис. 1.6. В настоящее время почти 30 % ежегодно произ-

Рис. 1.6. Ежегодное потребление энергии в США (1 Btu = 1,05 кДж).

водимой в мире энергии потребляется в США. Относительная роль различных источников энергии со временем изменяется. До середины XIX века около 90 % потребляемой энергии получали из древесины. Постепенно повышалась роль угля, который к 1910 г. давал уже 75 % потребляемой энергии. В настоящее время на долю природного газа приходится 31 %, на долю нефти 46 %, на долю угля 19 % потребляемой энергии; около 2 % энергии дают

гидроэлектростанции и несколько больше 2 % - атомные электростанции. Самая большая проблема, связанная с использованием горючих ископаемых, заключается в том, что, в конце концов, мы полностью истощим их. При этом нам придется пользоваться все более дорогостоящими источниками этих видов топлива.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ БУДУЩЕГО

 

Согласно некоторым оценкам, к концу XX века существующие запасы нефти и природного газа должны полностью истощиться, если не появятся другие источники энергии или не уменьшится ее потребление в расчете на душу населения. Этим определяется значительный интерес к созданию новых источников энергии. В настоящее время много усилий сосредоточено на исследовании возможностей использования ядерной и солнечной энергии и на разработке способов более эффективного использования угля. Проявляется также интерес к использованию геотермальной энергии (тепловой энергии, поступающей из недр земли), энергии ветра и морских приливов. Эксперты предсказывают, что каждый из этих трех источников энергии может внести небольшой, но важный вклад в общий баланс энергии, но в целом они не окажут решающего влияния на обозримое будущее, и поэтому мы не обсуждаем их подробнее. Здесь мы лишь кратко остановимся на проблемах использования энергии угля и солнечной энергии.

Запасы угля превышают запасы всех остальных горючих ископаемых; на его долю приходится 80 % запасов горючих ископаемых в США и 90 % во всем мире. Однако использование угля сталкивается с целым рядом проблем. Из всех видов топлив уголь вызывает максимальное загрязнение атмосферы. Его добыча нередко бывает дорогой и небезопасной. Месторождения угля могут находиться далеко от районов его потребления; так, в США большая часть неиспользованных богатых залежей угля находится в западной части страны, а потребители энергии сосредоточены большей частью вдоль восточного побережья; транспортировка угля на большие расстояния еще больше повышает его стоимость. Некоторые специалисты утверждают, что уголь можно было бы использовать более эффективно, если превратить его в газ, который называют синтетическим газом («сингаз»). В процессе превращения из угля можно удалить серу, что должно уменьшить загрязнение воздуха при последующем сжигании синтетического газа. Синтетический газ легко транспортировать по трубам, и он может восполнить наши уменьшающиеся запасы природного газа. Газификация угля требует добавления к нему водорода. Для этого уголь измельчают в пыль, которую обрабатывают перегретым паром. Продукт содержит смесь СО, Н₂ и СН₄, и все эти вещества можно использовать в качестве топлив. Однако условия процесса подбирают таким образом, чтобы получить максимальный выход СН₄. Упрощенная схема важнейших реакций, протекающих в этом процессе, показана на рис. 1.7.

Солнечная энергия является самым большим источником энергии в мире. Солнечная энергия, падающая только на 0,1 % сухопутной территории США, эквивалентна всей энергии, потребляемой в США в настоящее время. Трудность использования солнечной энергии заключается в том, что она очень рассеяна, непостоянна во времени и зависит от погодных условий. Устройства, преобразующие солнечную энергию в электрическую, в настоящее время еще недостаточно эффективны. Один из возможных способов использования солнечной энергии заключается в создании «плантаций энергии». На таких плантациях можно быстро выращивать большие урожаи различных растений, сжигая затем эти растения для получения энергии. Солнечная энергия в настоящее время может служить как вспомогательное средство для обогрева жилищ совместно с традиционными; использование солнечных водонагревательных устройств и продуманное расположение стен и окон домов помогает создавать и поддерживать в жилищах необходимую температуру.

Рис. 1.7. Важнейшие стадии процесса газификации угля для получения синтетического газа.   Катализатор представляет собой вещество, способное повысить скорость реакции, но не расходуемое в ней.

В заключение обсуждения отметим, что наше основное внимание было сосредоточено на предотвращении энергетического кризиса путем создания новых источников энергии.

Однако к решению этой проблемы можно подойти и с другой стороны - снижая уровень потребления энергии на душу населения и непроизводительные затраты энергии. Такой путь экономии энергии, возможно, представляет собой наиболее разумный выход из положения.

 

МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ