Под тепловым эффектом реакции понимают количество теплоты, которое выделяется или поглощается системой в ходе реакции.
В тех случаях, когда теплосодержание системы после реакции уменьшается (реакция идет с выделением энергии), реакция является экзотермической. Если теплосодержание конечных продуктов выше исходных (реакция идет с поглощением энергии), реакция является эндотермической.
Теплосодержание системы определяется теплотами образования компонентов системы (продуктов горения и исходного вещества). Таким образом тепловой эффект реакции можно записать:
ΔHг = ∑ υΔHofпг − ∑ υΔHofгв,
где ΔHofпг и ΔHofгв — теплота образования продуктов горения и исходных горючих веществ соответственно, υ– количество вещества в молях.
Теплота образования веществ определяется по справочникам или рассчитывается исходя из структуры вещества.
Теплотой сгорания называется количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы количества вещества при условии, что начальные и конечные продукты находятся в стандартных условиях.
Различают молярную Q — для одного моля (кДж/моль), массовую Q′ − для одного килограмма (кДж/кг), объемную Q″ − для одного кубического метра вещества (кДж/м³) теплоту сгорания.
В зависимости от агрегатного состояния воды, образовавшейся в процессе горения, различают высшую Qв и низшую Qн теплоту сгорания.
Высшей теплотой сгорания называется количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы количества горючего вещества включая тепло конденсации водяных паров.
Низшей теплотой сгорания называется количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы количества горючего вещества при условии, что вода в продуктах горения находится в газообразном состоянии.
Молярную теплоту сгорания рассчитывают в соответствии с законом Гесса:
Qгор = |∑ υΔHofпг − ∑ υΔHofгв|, кДж/моль
Для переcчета молярной теплоты сгорания Q в массовую Q′ можно использовать формулу:
,
где μ — молярная масса горючего вещества, кг/кмоль.
Для веществ в газообразном состоянии при пересчете из стандартной теплоты сгорания Q в объемную Q″ используют формулу:
,
где Vμ — объем киломоля газа, который при стандартных условиях составляет 22,4 м³/кмоль.
Для сложных горючих веществ или смесей можно вывести формулу определения теплоты сгорания исходя из состава и процентного содержания компонентов.
Достаточно точные результаты дает формула Менделеева для высшей теплоты сгорания:
Qв′ = 339,4·φС + 1256,8·φН + 108,9(φS − φO – φN), кДж/кг,
где φO, φN, φS, φС, φН — процентное содержание кислорода, азота, серы, углерода, водорода в горючем веществе.
Для низшей теплоты сгорания:
Qн′ = Qв′ – 25,1(9·φН + W%), кДж/кг,
где W% − содержимое влаги в горючем веществе.
Теплота сгорания имеет большое практическое значение при расчете пожарной нагрузки и параметров пожара.
Под пожарной нагрузкой Рпож понимают количество тепла, которое может выделиться при сгорании веществ и материалов, приходящихся на один квадратный метр поверхности пола помещения, МДж/м².
Пожарная нагрузка является количественной характеристикой, определяющей тепловое влияние пожара на строительные конструкции. Пожарную нагрузку рассчитывают, как сумму произведений масс всех горючих материалов на их низшую теплоту сгорания, отнесенную к единице поверхности пола по формуле:
Низшая теплота сгорания также используется для определения пожарной опасности горючих веществ. Экспериментально доказано, что вещества являются негорючими, если они не относятся к взрывоопасным и их низшая теплота сгорания меньше, чем 2100 кДж/кг или 1830 кДж/м³.
ТЕМПЕРАТУРА ГОРЕНИЯ
Тепло, выделяющееся в зоне горения, расходуется на нагревание продуктов горения и теплопотери (к последним относятся предварительный нагрев горючего вещества и излучение из зоны горения в окружающую среду).
Максимальная температура в зоне горения, до которой нагреваются продукты горения, называется температурой горения.
В зависимости от условий, в которых протекает процесс горения различают калориметрическую, теоретическую, адиабатическую и действительную температуры горения.
Под калориметрической температурой горения понимают температуру, до которой нагреваются продукты горения при соблюдении следующих условий:
1) все тепло, выделившееся в процессе реакции, идет на нагревание продуктов горения;
2) происходит полное сгорание стехиометрической горючей смеси, коэффициент избытка воздуха αв = 1;
3) в процессе образования продуктов горения не происходит их диссоциация;
4) горючая смесь находится при начальной температуре 273К и давлении 101,3 кПа.
Теоретическая температура горения отличается от калориметрической тем, что в расчетах учитываются теплопотери на диссоциацию продуктов горения.
Диссоциацию продуктов горения нужно учитывать при температурах выше 1700°С.
Адиабатическая температура горения определяется для не стехиометрической горючей смеси 
Действительная температура горения — это температура, до которой нагреваются продукты горения в реальных условиях.
Температуру горения используют при расчетах давления взрыва, для определения площади легкосбрасываемых конструкций, температуры пожара и других параметров.
Расчетные формулы
Например, рассчитаем теплоту сгорания (тепловой эффект) этана:
С2Н6 + 3,5 ⋅ (О2 + 3,76N2) = 2 CО2 + 3 Н2О + 3,76 ⋅ 3,5 N2.
Низшая теплота сгорания, согласно следствию из закона Гесса, равна:
Qн = |∑ υΔHofпг − ∑ υΔHofгв | = |2ΔHo(CО2) + 3 ΔHo(Н2О) − ΔHo(С2Н6) − 3,5 ΔHo(О2) − 13,16 ΔHo(N2)|
Подставляя значения теплоты образования СО2, Н2О и С2Н6 из справочных данных, определяют низшую теплоту сгорания этана.
При сгорании смеси индивидуальных веществ сначала определяют теплоту сгорания каждого компонента, а затем их суммируют с учётом процентного содержания каждого горючего вещества в смеси:
Qнсм = ∑Qнi ⋅ (φгi /100).
Если горючее является сложным веществом и его элементный состав задан в массовых процентах, то для расчёта теплоты сгорания используют формулу Менделеева:
Qв′ = 339,4·φС + 1256,8·φН + 108,9(φS − φO – φN), кДж/кг,
где φO, φN, φS, φС, φН — процентное содержание кислорода, азота, серы, углерода, водорода в горючем веществе.
Для низшей теплоты сгорания:
Qн′ = Qв′ – 25,1(9·φН + W%), кДж/кг,
где W% − содержимое влаги в горючем веществе.
П р и м е р 1. Определить низшую теплоту сгорания уксусной кислоты, если теплота ее образования 485,6 кДж/моль.
Р е ш е н и е. Для расчета запишем уравнение горения уксусной кислоты в кислороде СH3COOH + 2O2 = 2CO2 + 2H2O(г)
Qн =| ∑ υΔHofпг − ∑ υΔHofгв | = | 2ΔHo(CО2) + 2 ΔHo(Н2О) − ΔHo(СH3COOH) − 2 ΔHo(О2) | =
= |2(-393,5) + 2(-241,8) – (-485,6)| = | -787 - 483,6 + 485,6| = 785,0 кДж/моль.
Для расчета количества тепла, выделяющегося при горении 1 кг горючего, необходимо полученную величину разделить на его молярную массу Qн = 785,0/64 = 12,27 кДж/г.