VerbrennungswärmeVortrag von Lucia Rösch im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", SS 2005
Gliederung:
1 Verbrennung als älteste Technik der MenschheitVerbrennung ist die älteste Technik der Menschheit; sie wird wahrscheinlich seit mehr als einer Million Jahren benutzt. Von der Feuerstelle in der Höhle des Steinzeit-Menschen bis zum Verbrennungsraum des Automotors oder des Kohlekraftwerks zur Stromerzeugung führt ein langer Weg. Die Wegmarken wurden von Philosophen, Naturforschern und Technikern gesetzt. Etwa 90 % der weltweiten Energieversorgung beruhen heute auf Verbrennungsvorgängen, so dass es in jedem Fall lohnenswert ist sich mit diesem Thema zu befassen.
2 ReaktionswärmeWärme lässt sich zum Beispiel durch Reibung, Verbrennung, Kristallisation erzeugen. Die bei einer chemischen Reaktion in Form von Wärme freiwerdende oder aufgenommene Energie wird als Reaktionswärme bezeichnet. Es existieren viele verschiedene Formen der Reaktionswärme: Verbrennungswärme, Kristallisationswärme, etc. Beispiel 1: Verbrennungswärme - Kerze Eine Kerzenflamme ist ein brennendes Gas. Im Docht steigt die flüssige Kerzenmasse empor, geht in den Dampfzustand über und verbrennt. Dabei wird Verbrennungswärme frei. Beispiel 2: Kristallisationswärme - Wärmekissen In diesem Kissen befindet sich eine übersättigte Salzlösung (=Natriumacetat - Trihydrat), die durch das Knicken des Plättchens sofort kristallisiert. Die Kristallisationswärme heizt das Kissen auf. Dabei wird die Wärme die vorher durch das Kochen dem Kissen zugeführt wurde, wieder freigegeben. Dieser Vortrag behandelt ausschließlich die Reaktionswärme, die bei Verbrennungsreaktionen frei wird.
3 VerbrennungswärmeDie Verbrennungswärme gibt an, wie viel Wärme abgegeben wird, wenn eine bestimmte Menge Brennstoff (Wachs, Holz, Kohle, Benzin, etc) verbrannt wird. 3.1 Wärmeerzeugung durch VerbrennungVerbrennung ist die vollständige Reaktion eines Brennstoffs mit Sauerstoff. Da die Produkte andere Eigenschaften als die Edukte haben, handelt es sich bei der Verbrennung um einen chemischen Vorgang. Als Verbrennungsprodukt entsteht eine chemische Verbindung des Brennstoffes mit Sauerstoff. Eine solche Verbindung wird Oxid genannt. Der Vorgang selbst ist eine Oxidation. Damit die Verbrennungsreaktion einsetzt, ist es notwendig die Stoffe auf eine bestimmte Temperatur, die Entzündungstemperatur zu erhitzen (Zufuhr von Aktivierungsenergie). Die Verbrennung läuft jetzt ohne weitere Energiezufuhr von außen ab. Die überschüssige Energie wird in Form von Wärme (=Verbrennungswärme) frei. Beispiel: Knallgasreaktion Ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff kann bei Zimmertemperatur wochenlang aufbewahrt werden, ohne dass sich dabei eine merkliche Menge Wasser bildet. Erhitzt man jedoch das Gemisch an einer Stelle (z.B. durch einen Funken), so läuft die Reaktion spontan ab, wobei viel Reaktionswärme frei wird. 2 H2 + O2 ---> 2H2O dH < 0
3.2 Bestimmung von VerbrennungswärmenExperiment: Bestimmung der Wärme bei der Bildung von Eisensulfid Prinzip: Eisen reagiert mit Schwefel exotherm (d.h. unter Wärmeabgabe, das System wird hier um 100 kJ/mol energieärmer). Die bei der Bildung von Eisensulfid aus den Elementen Schwefel und Eisen unter Standardbedingungen frei gesetzte Wärme Qm lässt sich in einem einfachen Kalorimeter bestimmen. Fe(s) + S(s) ---> FeS(s) Qm= -100 kJ / mol Das Reagenzglas mit dem Gemisch aus Schwefel und Eisen taucht in ein Wasserbad ein. Die bei der Verbrennungsreaktion von Eisen mit Schwefel zu Eisensulfid frei werdende Wärme erhitzt das Wasser. Mit einem Temperaturfühler wird die Temperaturänderung des Wassers gemessen. Der Temperaturverlauf wird grafisch am Computer verfolgt.
Auswertung: Der Temperaturanstieg wird grafisch am Computer verfolgt und mit der so genannten Drei-Geraden-Methode berechnet (siehe nachfolgende Abbildung).
Berechnung der molaren Verbrennungswärme: Molare Verbrennungswärme: Die auf ein Mol eines Stoffes bezogene Wärmemenge Q, die bei der Verbrennung der Masse m eines Stoffes frei wird.
Wärmekapazität des „Kalorimeters“: C = cWasser· mWasser + WKal Schwefelanteil : m(S in Gemisch)= m(Gemisch)· [m(S) / (m(S) + m(Fe))] Qm : molare Verbrennungswärme (J/mol) C: Wärmekapazität des Kalorimeters (Wasserwert), (J/K) dT: Temperaturänderung (K) m: Masse der Probe (g) M: molare Masse der Probe (g/mol) Im Alltag stößt man jedoch häufiger auf die spezifische Verbrennungswärme, auch Heizwert genannt. Unter der spezifischen Verbrennungswärme Qs (J/g) versteht man die auf ein Kilogramm eines Stoffes bezogene Wärmemenge Q, die bei der Verbrennung der Masse m eines Stoffes frei wird.
4 ZusammenfassungDie Verbrennungswärme, als eine Art der Reaktionswärme, gibt an, wie viel Wärme abgegeben wird, wenn eine bestimmte Menge Brennstoff verbrannt wird. Man unterscheidet zwischen Verbrennungswärmen bezogen auf ein Mol des Brennstoffes (=molare Verbrennungswärme) und solchen, die sich auf die Brennstoffmasse beziehen (=spezifische Verbrennungswärme). Mit Hilfe eines Kalorimeters kann die Verbrennungswärme eines Stoffes bestimmt werden.
5 Das Kohlekraftwerk ein Anwendungsbeispiel unter VielenTag und Nacht laufen die Kohlekraftwerke, um den Strombedarf der modernen Zivilisation zu decken. Das Kernstück des Kraftwerks sind die Generatoren, 3m lange Dynamos, die 400 Tonnen wiegen und 50 – 60 mal in der Sekunde rotieren. Die Antriebskraft für die Drehung dieser Generatoren stammt aus der Verbrennung von Kohle. Die dabei frei werdende Verbrennungswärme produziert über einen Wärmetauscher heißen Dampf aus Wasser. Dieser Dampf treibt eine Dampfturbine an, die über einen Generator elektrischen Strom erzeugt. Deutschland hat einen Stromverbrauch von ca. 500 Mrd. kWh. Ein durchschnittliches Kohlekraftwerk in Deutschland erzeugt ca. 3 Mrd. kWh Strom. Daraus folgt, dass ca. 170 Kohlekraftwerke benötigt würden, um Deutschland ausreichend mit Strom zu versorgen. In jedem zweiten Landkreis müsste demnach ein Kohlekraftwerk stehen.
6 Literatur:
E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 20.09.10 |
