На что влияет удельная теплота сгорания
Энергия топлива. Удельная теплота сгорания
Содержание
Энергия, которую тело получает или отдает при теплопередаче, называется количеством теплоты. Мы проделали не один опыт, рассмотрели как при теплообмене одни тела отдают энергию, а другие получают. Во многих опытах мы использовали горелку, чтобы сообщить телу какое-то количество теплоты. А как рассчитать это количество теплоты?
С давних времен, чтобы получить энергию, люди используют топливо. Сейчас топливо является источником энергии в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и, конечно, в повседневном быту. Это нефть, природный газ, торф, уголь, дрова и др.
В данном уроке мы рассмотрим, за счет чего выделяется энергия при сгорании топлива и как ее рассчитать. Также вы узнаете новое определение (удельная теплота сгорания) и научитесь им пользоваться.
Сгорание топлива и энергия
Для начала давайте вспомним строение молекулы воды (рисунок 1). Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода.
Между атомами действуют силы притяжения. Если мы захотим разделить атомы, составляющие молекулы, придется преодолеть эти силы. В таком случае будет совершена работа, и затрачена некоторая энергия. При соединение атомов, наоборот, энергия будет выделяться.
Выделение энергии при соединении атомов – явление, на котором основано использование топлива.
В любом топливе содержатся атомы углерода. В процессе горения они соединяются с двумя атомами кислорода (рисунок 2).
Удельная теплота сгорания
При сгорании разных видов топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Для того чтобы характеризовать каждый вид топлива используют такую величину, как удельная теплота сгорания. При проектировании двигателей эта величина помогает рассчитать, какое количество теплоты может выделить сжигаемое топливо.
Величину удельной теплоты сгорания устанавливают на опыте. Мы будем использовать уже готовые результаты таких исследований, представленные в таблице 1.
| Вещество | $q, \space \frac<Дж><кг>$ | Вещество | $q, \space \frac<Дж><кг>$ |
| Порох | $0.38 \cdot 10^7$ | Древесный уголь | $3.4 \cdot 10^7$ |
| Дрова сухие | $1.0 \cdot 10^7$ | Природный газ | $4.4 \cdot 10^7$ |
| Торф | $1.4 \cdot 10^7$ | Нефть | $4.4 \cdot 10^7$ |
| Каменный уголь | $2.7 \cdot 10^7$ | Бензин | $4.6 \cdot 10^7$ |
| Спирт | $2.7 \cdot 10^7$ | Керосин | $4.6 \cdot 10^7$ |
| Антрацит | $3.0 \cdot 10^7$ | Водород | $12 \cdot 10^7$ |
Таблица 1. Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива
Формула для расчета количества теплоты, выделяемого при сгорании топлива
Для расчета полного количества теплоты, выделяемого при полном сгорании топлива некоторой массы, используют формулу:
$m$ – масса сгораемого топлива.
Примеры задач
Дано:
$V = 2 \space л$
$\rho = 800 \frac<кг><м^3>$
$q = 4.6 \cdot 10^7 \frac<Дж><кг>$
СИ:
$2 \cdot 10^ <-3>\space м^3$
Посмотреть решение и ответ
Решение:
Формула для расчета количества теплоты:
$Q = qm$.
Рассчитаем количество теплоты:
$Q = q\rho V = 4.6 \cdot 10^7 \frac<Дж> <кг>\cdot 800 \frac<кг> <м^3>\cdot 2 \cdot 10^ <-3>\space м^3 = 7360 \cdot 10^4 \space Дж = 73.6 \cdot 10^6 \space Дж = 73.6 \space МДж$.
Дано:
$Q = 70 000 \space кДж$
$q = 1.0 \cdot 10^7 \frac<Дж><кг>$
СИ:
$7 \cdot 10^7 \space Дж$
Посмотреть решение и ответ
Решение:
Удельная теплота сгорания
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).
Виды топлива
Человеку очень нужно тепло для всех процессов жизнедеятельности: например, для обогрева жилища, готовки, плавления металлов и получения других видов энергии. Чтобы получать тепло и свет, человек использует топливо. Когда люди впервые добыли огонь, без топлива тоже не обошлось — им послужила древесина.
Топливо — это любое вещество, выделяющее энергию в ходе определенных процессов.
Существует четыре группы видов топлива:
К твердому топливу относятся:
Ископаемые твердые виды топлива, кроме сланцев, являются продуктом разложения органической массы растений. Торф — самый молодой из них, он представляет собой плотную массу, которая образовалась из перегнивших болотных растений. Уже не такие молодые (скажем, средних лет 🤣) бурые угли — это темная однородная масса, которая окисляется и рассыпается на свежем воздухе. Горючие сланцы — полезные ископаемые, дающие смолу. Каменные угли — ребята с повышенной прочностью и небольшой пористостью.
Жидкое топливо — это, например, бензин или нефть. Газообразное — это смесь, содержащая в себе водород и окись углерода.
В горючей части топлива всегда есть углерод, кислород, водород, сера и азот. Кислород в соединении с углеродом или водородом уменьшает тепло, которое выделяется в процессе горения. Азот переходит в продукты сгорания, не окисляясь. Сера — вредная примесь, при сгорании которой выделяется в 4 раза меньше теплоты, чем при сгорании углерода.
Под ядерным топливом обычно имеют в виду изотопы урана — подробнее об этом мы рассказали в статье «Ядерный реактор».
Удельная теплота сгорания топлива
Теплота сгорания топлива определяет количество полностью сгоревшего горючего и полученную при этом процессе энергию. Эта величина определяет энергетическую ценность топлива.
Удельная теплота фигурирует в формуле количества теплоты, выделяемого при сгорании топлива.
Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива
Q — количество теплоты [Дж]
q — удельная теплота сгорания [Дж/м 3 ]
m — масса [кг]
Удельная теплота сгорания — это табличная величина, которая определяется экспериментально достаточно непростыми методами.
Ниже представлены таблицы с некоторыми значениями удельной теплоты сгорания.
Твердое топливо
Вещество
Удельная теплота сгорания,
Горение — энергия топлива и удельная теплота сгорания
Приручив огонь, человек получил большое количество благ. Благодаря огню мы готовим пищу и обогреваем дома. Человеческая цивилизация начала развиваться — возникла металлургия и энергетика. Появились полезные инструменты, механизмы и изобретения.
Процесс горения топлива подарил нам возможность передвигаться на автомобилях и мотоциклах, летать на самолетах, запускать ракеты в космос и путешествовать по морю на кораблях.
До сих пор горение – это основной источник получения энергии во всем мире. В 2010 году сотрудники международного энергетического агентства IEA подсчитали, что 90 процентов всей энергии человечество получает, сжигая различное топливо.
Во время горения происходят химические превращения одних веществ в другие вещества. Такие превращения называют химическими реакциями.
Два вида химических реакций и энергия
Благодаря химическим реакциям в природе появилось множество различных веществ.
Примечание: Химики сложные вещества, состоящие из атомов различных хим. элементов, называют химическими соединениями.
Химические реакции – это процессы перегруппировки атомов:
При этом происходит поглощение, или выделение энергии.
Повышая температуру, мы ускоряем химические реакции
Скорость молекул зависит от температуры. Чем быстрее молекулы двигаются, тем чаще они будут сталкиваться. А когда количество столкновений увеличивается, то химические реакции протекают быстрее. Поэтому температура вещества влияет на химические реакции.
Во время протекания одних химических реакций тепловая энергия поглощается. Такие реакции называются эндотермическими (рис. 1).
Примерами эндотермических процессов могут служить процесс плавления или процесс парообразования.
А во время протекания других реакций, энергия, наоборот – выделяется. Такие химические реакции называют экзотермическими.
Среди экзотермических процессов можно отметить, например, конденсацию или кристаллизацию.
Примечание: Слова «эндотермический» и «экзотермический» пришли к нам из древнегреческого языка. По-гречески «Эндо» – внутри, «Экзо» – наружу, а «Термо» – тепло.
Что такое горение
В процессе горения температура резко повышается и выделяется большое количество тепловой энергии (теплоты). Поэтому, горение – это экзотермический процесс.
В топливе содержатся атомы химического элемента, который называется углеродом. При горении топлива каждый атом углерода объединяется в двумя атомами кислорода и выделяется энергия.
Когда горит какое-либо вещество, мы видим пламя (рис. 2).
Пламя – это поток раскаленных газов, часть пространства, в которой топливо и кислород превращаются в продукты сгорания.
Горение – процесс сложный, потому, что во время его протекания происходит цепочка химических превращений. В основном – это реакции окисления между сгорающим топливом и кислородом;
Примечание: В окружающем воздухе содержится кислород. Кислород – это сильный окислитель.
Что нужно, чтобы горение возникло
Только лишь наличия топлива и кислорода в окружающем воздухе недостаточно, чтобы это топливо загорелось. Мы должны сначала нагреть топливо до температуры, при которой произойдет его возгорание. Для предварительного нагрева мы используем источник зажигания. Например, спички, зажигалку и т. п.
Примечание: Чтобы горение возникло, нужно сначала нагреть топливо до температуры, при которой произойдет возгорание.
Например, самостоятельно может загореться бумага, наргетая до 233 градусов Цельсия или дерево, нагретое до 300 градусов Цельсия.
Поэтому, бездумно нагревать горючие вещества опасно. Так как нагретое горючее вещество способно самостоятельно загореться, иногда со взрывом.
Температура самовоспламенения некоторых веществ
Температура горения некоторых веществ
Температура частей пламени различается
Раскаленные до высокой температуры газы, выделяющиеся при сгорании топлива, светятся. Они образуют светлый ореол около горящего топлива. Этот ореол называют пламенем. Пламя можно условно разделить на слои. Температура таких слоев пламени различается. Чем ярче пламя, чем ближе его цвет к белому цвету, тем выше его температура.
Что такое удельная теплота сгорания
Мы уже знаем, что при горении выделяется теплота (тепловая энергия).
Количество теплоты, которое мы получим при сгорании, будет отличаться для разных видов топлива. Одно топливо будет выделять больше энергии, другое – меньше.
Чтобы сравнивать горючие вещества между собой, удобно сжигать 1 килограмм топлива и измерять выделяемое количество теплоты.
Примечание: Не путайте теплоту и температуру. Теплота – это тепловая энергия. Любую энергию измеряют в Джоулях. А температуру измеряют в градусах.
Тепловая энергия, которая выделяется при полном сгорании 1 кг топлива, называется удельной теплотой сгорания. Ее обозначают маленькой латинской буквой q.
\(\large q \left( \frac<\text<Дж>><\text<кг>>\right)\) – удельная теплота сгорания.
Примечание: Удельная теплота сгорания — это тепловая энергия, которая выделяется при полном сгорании 1 кг. топлива. Ранее мы уже сталкивались с удельными величинами (ссылка).
Удельную теплоту сгорания некоторых веществ можно найти в справочнике физики.
Как связаны количество теплоты и удельная теплота сгорания — формула
Мы можем посчитать количество теплоты, выделенной при сгорании, когда нам известны:
Для расчетов используем формулу:
\(\large Q \left( \text <Дж>\right) \) – количество теплоты, т. е. общая тепловая энергия;
\(\large q \left( \frac<\text<Дж>><\text<кг>> \right) \) – удельная теплота сгорания;
\(\large m \left( \text <кг>\right) \) – масса вещества;
Примечание: Если умножить удельную теплоту сгорания \(\large q \) на количество килограммов m сгоревшего вещества, то можно вычислить общее количество теплоты \(\large Q \), выделившейся при сгорании топлива.
Недостатки использования горения
На нашей планете из-за широкого использования горения возникают негативные последствия:
Из-за глобального потепления температура на планете поднялась на несколько градусов, начали таять многовековые льды на северном и южном полюсах, изменяется климат.