Удельная теплота сгорания водорода больше чем газобутана чем же тогда можно объяснить что при сравнении баллона-бутана выделилось большее количество теплоты чем при сгорании такого же объёма водорода если давление газов одинаковое?

Кратко: при одинаковых давлении и температуре в одном и том же объёме содержится одинаковое число молей газа. Энергия сгорания зависит от энергии выхода на одну молекулу/моль (энтальпия сгорания). У газообразного водорода и газобутана эти значения сильно различаются, из-за чего баланс смещается в зависимости от того, какой куском мерят энергию (на молекулу, на mole), а не на массу или на объём. Детальное объяснение по шагам 1) Что значит «одинаковое давление» и «одинаковый объём»? - По идеальному газовому закону PV = nRT, при фиксированном T и P равный объём V даёт одинаковое число молей n. - Значит, если сравнивать балло-бутан и баллон водорода одинакового объёма и при той же температуре, в обоих случаях будет примерно одинаковое количество молей газа. 2) Энергия сгорания на молекулу/моль - Энергия, выделяющаяся при сгорании, обычно даётся как величина ΔHc (энтальпия сгорания) на 1 моль вещества. - Примерные значения (приближённо): - Водород: ΔHc(H2) ≈ -286 кДж/моль - Бутан (C4H10): ΔHc(C4H10) ≈ -2870 кДж/моль Разница примерно в 10 раз: на моль бутан выделяет примерно в 10 раз больше энергии, чем на моль водорода. 3) Энергия, выделяемая при равном объёме (при одном и том же n) - Пусть V, P, T одинаковы для обоих газов. Тогда n_H2 ≈ n_C4H10 ≡ n. - Энергия, выделяемая при сгорании: - E(H2) = n × |ΔHc(H2)| ≈ n × 286 кДж - E(C4H10) = n × |ΔHc(C4H10)| ≈ n × 2870 кДж - Отсюда отношение примерно E(C4H10) / E(H2) ≈ 2870 / 286 ≈ 10. 4) Что это значит physically? - При одинаковом объёме и одинаковом давлении энергия, получаемая от сгорания бутана, будет примерно в 10 раз больше, чем от сгорания водорода, потому что в одном и том же объёме содержится одинаковое количество молей, а на одну mole бутана приходится примерно в 10 раз больше энергии, чем на одну mole водорода. - Однако это не означает, что водород «выделяет меньше энергии» по сравнению с бутаном в целом: водород имеет гораздо выше энергетическую плотность на массу (MJ на кг), т. е. при той же массы газа водород даст больше энергии, чем бутан. Но при одинаковом объёме и давлении сравнение идёт по числу молей, и бутан даёт больше энергии именно потому, что энергия сгорания моля бутана существенно выше. 5) Пример чисел (наглядно) - Возьмём V = 1 литр, P = 1 атм, T ≈ 298 K. По PV = nRT: n ≈ (1 атм × 1 л) / (0.0821 л·атм/(моль·К) × 298 К) ≈ 0.0409 моль. - Энергия: - H2: E ≈ 0.0409 моль × 286 кДж/моль ≈ 11.7 кДж - C4H10: E ≈ 0.0409 моль × 2870 кДж/моль ≈ 117 кДж - Видно примерно девять-десять раз больше энергии у бутана при одинаковом объёме и условиях. 6) Важные нюансы - Реальные газы при высоком давлении отклоняются от идеального поведение, но принцип останется тем же: одинаковое число молей в равном объёме. - Различие между «удельной теплотой на молекулу/моль» и «удельной теплотой на массу» важно: водород действительно эффективнее по энергии на массу (MJ/kg), но в этом сравнении по объёму бутан даёт больше энергии именно потому, что на одну молекулу/моль бутана приходится намного больше энергии, чем на молекулу водорода. Ответ на задачу - Пояснение: если давление газов одинаковое и сравнивают одинаковые по объёму баллоны, то в обоих случаях нагрев идёт за счёт одинакового числа молей газа. Энергия сгорания зависит от энергии выхода на молекулу (ΔHc). Так как ΔHc на молекулу бутана примерно в 10 раз больше, чем на молекулу водорода, сгорание одного и того же количества молей бутана выделит примерно в 10 раз больше теплоты, чем столько же молекул водорода. - Это объясняет наблюдение, что баллон бутана даёт больше теплоты при горении по сравнению с таким же объёмом водорода при одинаковом давлении.