Kuidas ja miks eraldub kütustest (põlevatest materjalidest) energiat?

See meile nii vajalik energia on kätketud keemilisse sidemesse, mis hoiab aatomeid koos. Seejuures esineb huvitav paradoks: keemilise sideme lõhkumine ei anna energiat, seda on vaja hoopis juurde anda! Põlemine on eksotermiline protsess, mille käigus antakse soojust ära, seega süsteem annab energiat ära. Energiahulk, mis on vajalik eksotermilise reaktsiooni käivitamiseks, on väiksem kui sellise reaktsiooni käigus vabanev energiahulk. Näiteks H-H side on tugev – selleks, et eraldada üks mool H₂ vesiniku aatomiteks kulub 432 kJ. Kui aga H₂ segada O₂-ga, siis reageerib vesinik hapnikuga, mille tulemuseks on plahvatus ehk energia intensiivne eraldumine. Keemilise reaktsiooni 2H₂+O₂=2H₂O tulemusena moodustub kaks molekuli H₂O-d, milles igaühes sisaldub paar O-H sidemeid. Nende sidemete moodustamisest saadav energia on oluliselt suurem kui vesiniku ja hapniku molekuli lõhkumiseks vajalik energiahulk. Seega keemilise sideme moodustumine on eksotermiline protsess. Erinevad sidemeenergiad on toodud tabelis 1.

Tabel 1. Keemilise sideme energia väärtuseid

*Aromaatne side, loetakse 1,5-kordsena

Peamiseks põlevaks aineks kütuses on süsinik, mille kütteväärtus on 33,7 MJ/kg. Süsinik on kütuse põlemisel vabaneva soojuse peamine allikas. Tulenevalt võib kütuste, sealhulgas põlevkivi põlemise reaktsiooni kõige üldisemalt kirja panna kui C+O₂=CO₂.Tähtsuselt teine on vesinik kütteväärtusega 110,6 MJ/kg ja kuna kütused ei koosne ainult süsinikust, võib põlemisreaktsiooni kirjeldada kui küllastatud süsivesinike reageerimist hapnikuga: 2(‑CH₂‑)+3O₂=2CO₂+2H₂O

Kuidas saab leida, kui palju eraldub toodud reaktsioonidest energiat? Kui me lahutame kõikide saaduste sidemeenergiad lähteainete vastavatest väärtustest, selgub, et reaktsiooni käigus eralduv energia on palju suurem võrreldes sidemete lõhkumiseks vajamineva energiaga.

Tabel 2. Reaktsioonide põlemisenergiaid

* Aromaatse tuuma süsinikud.