MINT lernen

Brennwerte von Treibstoffen

Ein Kilogramm Ammoniak liefert nicht einmal halb so viel Energie wie ein Kilogramm Benzin — warum gilt es trotzdem als Treibstoff der Zukunft?

1

Energie pro Kilogramm

Im Tank zählt die Masse, nicht die Stoffmenge — deshalb vergleicht man Treibstoffe über ihren Brennwert.

  • Verbrennungsenthalpie:\(\Delta_cH\) gibt die Energie pro Mol an, z. B. \(\ce{C7H16(l) + 11 O2(g)}\) \(\ce{-> 7 CO2(g) + 8 H2O(l)}\), \(\Delta_cH = -4817\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
  • Brennwert:\(H_s\) = frei werdende Energie pro Masse, wenn das entstehende Wasser flüssig anfällt; Einheit \(\mathrm{MJ\,kg^{-1}} = \mathrm{kJ\,g^{-1}}\).
  • Heizwert:\(H_i\) = dasselbe, wenn das Wasser als Dampf entweicht — kleiner um die Verdampfungsenthalpie des Wassers.
  • Pro Mol oder pro kg:Große Moleküle liefern pro Mol viel Energie, sind aber auch schwer; entscheidend ist die Energie je Masse.

Herleitung:

\(E = n\cdot|\Delta_cH|\)
Start
Jedes Mol Treibstoff liefert \(|\Delta_cH|\).
\(E = \dfrac{m}{M}\cdot|\Delta_cH|\)
\(n = m/M\)
Stoffmenge durch Masse und molare Masse ausdrücken.
\(H_s = \dfrac{E}{m} = \dfrac{|\Delta_cH|}{M}\)
Ergebnis
\(|\,:\,m\)
Merke

Brennwert: \(H_s = \dfrac{|\Delta_cH|}{M}\)

2

Energie und Kohlenstoffdioxid

  • \(\ce{CO2}\) aus der Formel:Pro Mol Treibstoff entstehen so viele Mol \(\ce{CO2}\), wie das Molekül C-Atome hat.
  • Masse:\(m(\ce{CO2}) = n(\ce{CO2})\cdot 44{,}01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
  • Ohne Kohlenstoff:Ammoniak verbrennt zu Stickstoff und Wasser: \(\ce{4 NH3(g) + 3 O2(g)}\) \(\ce{-> 2 N2(g) + 6 H2O(l)}\) — kein \(\ce{CO2}\).
  • Abwägen:Ein guter Treibstoff liefert viel Energie pro kg und wenig \(\ce{CO2}\) pro erzeugter Energie.

Ziehe den Füllstand in jedem Tank (oder Pfeiltasten ↑/↓, Umschalt für feine Schritte). Die Balken zeigen, wie viel Energie und \(\ce{CO2}\) beim Verbrennen dieser Masse entstehen. Vergleiche mit „je 100 g“ und „je 1 mol“.

Drei Tanks im Vergleich

Halte fest: Pro Mol liefert das große Heptan-Molekül am meisten Energie, pro Kilogramm liegen Ethin und Heptan fast gleichauf — und nur der kohlenstofffreie Treibstoff verbrennt ohne \(\ce{CO2}\).

3

Allgemeine Hinweise

Betrag verwenden

\(\Delta_cH\) ist negativ, der Brennwert wird als positive Energie pro Masse angegeben — mit dem Betrag rechnen.

kJ/g = MJ/kg

Wer \(|\Delta_cH|\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) durch \(M\) in \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) teilt, erhält \(\mathrm{kJ\,g^{-1}}\) — das ist zahlengleich mit \(\mathrm{MJ\,kg^{-1}}\).

Brennwert oder Heizwert?

Tabellen geben oft den Heizwert an (Wasser als Dampf). Er ist kleiner als der Brennwert — beim Vergleichen immer dieselbe Größe benutzen.

Videos