В данном уроке мы научимся рассчитывать количество теплоты, которое выделяет топливо при сгорании. Кроме того, рассмотрим характеристику топлива - удельную теплоту сгорания.
Поскольку вся наша жизнь основана на движении, а движение в большинстве своем основано на сгорании топлива, то изучение данной темы весьма важно для понимания темы «Тепловые явления».
После изучения вопросов, связанных с количеством теплоты и удельной теплоемкостью, перейдем к рассмотрению количества теплоты, выделяемого при сжигании топлива .
Определение
Топливо - вещество, которое в некоторых процессах (горение, ядерные реакции) выделяет тепло. Является источником энергии.
Топливо бывает твердым, жидким и газообразным (рис. 1).
Рис. 1. Виды топлива
- К твердым видам топлива относят уголь и торф .
- К жидким видам топлива относят нефть, бензин и другие нефтепродукты .
- К газообразным видам топлива относят природный газ .
- Отдельно можно выделить очень распространенное в последнее время ядерное топливо .
Сгорание топлива - это химический процесс, который является окислительным. При сгорании атомы углерода соединяются с атомами кислорода , образуя молекулы. В результате этого выделяется энергия, которую и использует человек в своих целях (рис. 2).
Рис. 2. Образование углекислого газа
Для характеристики топлива используется такая характеристика, как теплотворность . Теплотворность показывает, какое количество теплоты выделяется при сгорании топлива (рис. 3). В физике теплотворности соответствует понятие удельной теплоты сгорания вещества .
Рис. 3. Удельная теплота сгорания
Определение
Удельная теплота сгорания - физическая величина, характеризующая топливо, численно равна количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива.
Удельную теплоту сгорания принято обозначать буквой . Единицы измерения:
В единицах измерения отсутствует , так как сгорание топлива происходит практически при неизменной температуре.
Удельная теплота сгорания определяется опытным путем с помощью сложных приборов. Однако для решения задач существуют специальные таблицы. Ниже приведем значения удельной теплоты сгорания для некоторых видов топлива.
|
Вещество |
|
Таблица 4. Удельная теплота сгорания некоторых веществ
Из приведенных величин видно, что при сгорании выделяется огромное количество теплоты, поэтому используются единицы измерения (мегаджоули) и (гигаджоули).
Для вычисления количества теплоты, которое выделяется при сгорании топлива, используется следующая формула:
Здесь: - масса топлива (кг), - удельная теплота сгорания топлива ().
В заключении заметим, что большая часть топлива, которое используется человечеством, запасена с помощью солнечной энергии. Уголь, нефть, газ - все это образовалось на Земле благодаря воздействию Солнца (рис. 4).
Рис. 4. Образование топлива
На следующем уроке мы поговорим о законе сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах.
Список литературы
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
- Интернет-портал «festival.1september.ru» ()
- Интернет-портал «school.xvatit.com» ()
- Интернет-портал «stringer46.narod.ru» ()
Домашнее задание
Всякое топливо, сгорая, выделяет теплоту (энергию), оцениваемую количественно в джоулях или в калориях (4,3Дж = 1кал). На практике для измерения количества теплоты, которое выделится при сгорании топлива, пользуются калориметрами - сложными устройствами лабораторного применения. Теплоту сгорания называют также теплотворной способностью.
Количество теплоты, получаемой от сжигания топлива, зависит не только от его теплотворной способности, но и от массы.
Для сравнения веществ по объёму энергии, выделяемой при сгорании, более удобна величина удельной теплоты сгорания. Она показывает количество теплоты, образуемой при сгорании одного килограмма (массовая удельная теплота сгорания) или одного литра, метра кубического (объёмная удельная теплота сгорания) топлива.
Принятыми в системе СИ единицами удельной теплоты сгорания топлива считаются ккал/кг, МДж/кг, ккал/м³, Мдж/м³, а также их производные.
Энергетическая ценность топлива определяется именно величиной его удельной теплоты сгорания. Связь между количеством теплоты, образуемой при сгорании топлива, его массой и удельной теплотой сгорания выражается простой формулой:
Q = q · m , где Q - количество теплоты в Дж, q - удельная теплота сгорания в Дж/кг, m - масса вещества в кг.
Для всех видов топлива и большинства горючих веществ величины удельной теплоты сгорания давно определены и сведены в таблицы, которыми пользуются специалисты при проведении расчётов теплоты, выделяемой при сгорании топлива или иных материалов. В разных таблицах возможны небольшие разночтения, объясняемые, очевидно, несколько отличающимися методиками измерений или различной теплотворной способностью однотипных горючих материалов, добываемых из разных месторождений.
Наибольшей энергоёмкостью из твёрдых видов топлива обладает каменный уголь - 27 МДж/кг (антрацит - 28 МДж/кг). Подобные показатели имеет древесный уголь (27 МДж/кг). Намного менее теплотворен бурый уголь - 13 Мдж/кг. Он к тому же содержит обычно много влаги (до 60 %), которая, испаряясь, снижает величину общей теплоты сгорания.
Торф сгорает с теплотой 14-17 Мдж/кг (зависит от его состояния - крошка, прессованый, брикет). Дрова, подсушенные до 20 % влажности, выделяют от 8 до 15 Мдж/кг. При этом количество энергии, получаемой от осины и от берёзы, может разниться практически вдвое. Примерно такие же показатели дают пеллеты из разных материалов - от 14 до 18 Мдж/кг.
Намного меньше, чем твёрдые, различаются величинами удельной теплоты сгорания жидкие виды топлива. Так, удельная теплота сгорания дизельного топлива - 43 МДж/л, бензина - 44 МДж/л, керосина - 43,5 МДж/л, мазута - 40,6 МДж/л.
Удельная теплота сгорания природного газа составляет 33,5 МДж/м³, пропана - 45 МДж/м³. Наиболее энергоёмким топливом из газообразных является газ водород (120 Мдж/м³). Он весьма перспективен для использования в качестве топлива, но на сегодняшний день пока не найдены оптимальные варианты его хранения и транспортировки.
Сравнение энергоемкости различных видов топлива
При сравнении энергетической ценности основных видов твёрдого, жидкого и газообразного топлива можно установить, что одному литру бензина или дизтоплива соответствует 1,3 м³ природного газа, одному килограмму каменного угля - 0,8 м³ газа, одному кг дров - 0,4 м³ газа.
Теплота сгорания топлива - это важнейший показатель эффективности, однако широта распространения его в сферах человеческой деятельности зависит от технических возможностей и экономических показателей использования.
Сегодня люди крайне зависимы от топлива. Без него не обходится обогрев жилищ, приготовление пищи, работа оборудования и транспортных средств. Большинство видов используемого топлива - углеводороды. Для оценки их эффективности используют значения удельной теплоты сгорания. Керосин обладает сравнительно внушительным показателем. Благодаря этому качеству он используется в двигателях ракет и самолётов.
Благодаря своим свойствам, керосин используется в двигателях ракет
Свойства, получение и применение
История керосина насчитывает более 2 тыс. лет и начинается с тех пор, когда арабские учёные придумали метод перегонки нефти на отдельные компоненты. Официально он был открыт в 1853 году, когда канадский врач Абрахам Геснер разработал и запатентовал метод извлечения прозрачной горючей жидкости из битумов и горючих сланцев.
После бурения первой нефтяной скважины в 1859 году нефть стала основным сырьём для керосина. Из-за повсеместного использования в лампах он десятилетиями считался главным продуктом нефтеперегонки. Лишь появление электричества снизило его значение для освещения. Производство керосина упало также с ростом популярности автомобилей - это обстоятельство существенно повысило важность бензина как нефтепродукта. Тем не менее и сегодня во многих частях мира керосин применяется для отопления и освещения, а современное реактивное топливо - это тот же продукт, но более высокого качества.
С повышением количества использования автомобилей – упала популярность керосина
Керосин - лёгкая прозрачная жидкость, химически представляющая собой смесь органических соединений. Его состав во многом зависит от сырья, но, как правило, состоит из десятка различных углеводородов, молекула каждого из которых содержит от 10 до 16 атомов углерода. Керосин менее летуч, чем бензин. Сравнительная температура возгорания керосина и бензина, при которой они выделяют воспламеняющиеся пары возле поверхности, составляет 38 и -40°C, соответственно.
Это свойство позволяет рассматривать керосин как относительно безопасное топливо с точки зрения хранения, использования и транспортировки. На основании температуры кипения (от 150 до 350°C) он классифицируется как один из так называемых средних дистиллятов сырой нефти.
Керосин может быть получен прямогонным способом, то есть физически отделён от нефти, путём дистилляции или с помощью химического разложения более тяжёлых фракций в результате крекинг процесса.
Характеристика керосина как топлива
Горением называют процесс бурного окисления веществ с выделением тепла. Как правило, в реакции участвует кислород, содержащийся в воздухе. Во время сжигания углеводородов образуются такие основные продукты горения:
- углекислый газ;
- водяной пар;
- сажа.
Количество энергии, генерируемое во время сгорания топлива, зависит от его вида, условий сжигания, массы или объёма. Энергия измеряется в джоулях или калориях. Удельной (на единицу измерения количества вещества) теплотой сгорания называют энергию, полученную при сжигании единицы топлива:
- молярная (например, Дж/моль);
- массовая (например, Дж/кг);
- объёмная (например, ккал/л).
В большинстве случаев для оценки газообразных, жидких и твёрдых топлив оперируют показателем массовой теплоты сгорания, выраженной в Дж/кг.
Во время сжигания углевода образуется несколько элементов, например, сажа Значение теплоты сгорания будет зависеть от того, брались ли в учёт процессы, происходящие с водой во время сгорания. Испарение влаги - энергоёмкий процесс , а учёт теплоотдачи при конденсации этих паров также способен повлиять на результат.
Результат замеров, производимых до того, как сконденсированный пар вернёт энергию в систему, называют низшей теплотой сгорания, а показатель, полученный после конденсации паров, называется высшей теплотой. Углеводородные двигатели не могут использовать дополнительную энергию водяного пара в выхлопе, поэтому показатель нетто актуален для производителей моторов и встречается в справочниках чаще.
Нередко при указании теплотворной способности не уточняют о том, какая из величин имеется в виду, что может привести к путанице. Сориентироваться помогает знание того, что в РФ традиционно принято указывать низшую.
Низшая теплота сгорания – важный показатель
Следует отметить, что для некоторых видов топлива разделение на энергию нетто и брутто не имеет смысла, так как они не образуют воду во время горения. В отношении керосина это неактуально, поскольку содержание углеводородов в нём велико. При сравнительно невысокой плотности (между 780 кг/м³ и 810 кг/м³) его теплотворная способность аналогична этому же показателю у дизельного топлива и составляет:
- низшая - 43,1 МДж/кг;
- высшая - 46,2 МДж/кг.
Сравнение с другими видами горючего
Рассматриваемый показатель очень удобен для оценки потенциального количества тепла, содержащегося в топливе. Например, теплота сгорания бензина на единицу массы сопоставима с таким же показателем у керосина, но первый значительно плотнее. Как следствие, в таком же сравнении литр бензина содержит меньше энергии.
Удельная теплота сгорания нефти как смеси углеводородов зависит от её плотности, которая непостоянна для различных месторождений (43-46 МДж/кг). Расчётные методы позволяют с высокой точностью определить это значение, если есть исходные данные о её составе.
Усреднённо показатели для некоторых видов горючих жидкостей, входящих в состав нефти, выглядят так (в МДж/кг):
- дизельное топливо - 42-44;
- бензин - 43-45;
- керосин - 43-44.
Калорийность твёрдых видов горючего, таких как торф и уголь, имеет больший разбег. Это связано с тем, что их состав может сильно отличаться как по содержанию несгораемых веществ, так и по калорийности углеводородов. Например, теплотворная способность торфа различных типов может колебаться в пределах 8-24 МДж/кг, а каменного угля - 13-36 МДж/кг. Среди распространённых газов большой теплотворностью отличается водород - 120 МДж/кг. Следующий по удельной теплоте сгорания - метан (50 МДж/кг).
Можно сказать, что керосин - топливо, выдержавшее испытание временем именно благодаря сравнительно высокой энергоёмкости при низкой цене. Его применение не только экономически оправдано, но и в некоторых случаях безальтернативно.
Тепловые машины в термодинамике — это периодически действующие тепловые двигатели и холодильные машины (термокомпрессоры). Разновидностью холодильных машин являются тепловые насосы.
Устройства, совершающие механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми машинами (тепловыми двигателями). Для функционирования тепловой машины необходимы следующие составляющие: 1) источник тепла с более высоким температурным уровнем t1, 2) источник тепла с более низким температурным уровнем t2, 3) рабочее тело. Иначе сказать: любые тепловые машины (тепловые двигатели) состоят из нагревателя, холодильника и рабочего тела .
В качестве рабочего тела используются газ или пар, поскольку они хорошо сжимаются, и в зависимости от типа двигателя может быть топливо (бензин, керосин), водяной пар и пр. Нагреватель передаёт рабочему телу некоторое количество теплоты (Q1), и его внутренняя энергия увеличивается, за счёт этой внутренней энергии совершается механическая работа (А), затем рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты холодильнику (Q2) и охлаждается при этом до начальной температуры. Описанная схема представляет цикл работы двигателя и является общей, в реальных двигателях роль нагревателя и холодильника могут выполнять различные устройства. Холодильником может служить окружающая среда.
Поскольку в двигателе часть энергии рабочего тела передается холодильнику, то понятно, что не вся полученная им от нагревателя энергия идет на совершение работы. Соответственно, коэффициент полезного действия двигателя (КПД) равен отношению совершенной работы (А) к количеству теплоты, полученному им от нагревателя (Q1):
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
Существует два типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): карбюраторный и дизельный . В карбюраторном двигателе рабочая смесь (смесь топлива с воздухом) готовится вне двигателя в специальном устройстве и из него поступает в двигатель. В дизельном двигателе горючая смесь готовится в самом двигателе.
ДВС состоит из цилиндра
, в котором перемещается поршень
; в цилиндре имеются два клапана
, через один из которых горючая смесь впускается в цилиндр, а через другой отработавшие газы выпускаются из цилиндра. Поршень с помощью кривошипно-шатунного механизма
соединяется с коленчатым валом
, который приходит во вращение при поступательном движении поршня. Цилиндр закрыт крышкой.
Цикл работы ДВС включает четыре такта : впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Во время впуска поршень движется вниз, давление в цилиндре уменьшается, и в него через клапан поступает горючая смесь (в карбюраторном двигателе) или воздух (в дизельном двигателе). Клапан в это время закрыт. В конце впуска горючей смеси закрывается клапан.
Во время второго такта поршень движется вверх, клапаны закрыты, и рабочая смесь или воздух сжимаются. При этом температура газа повышается: горючая смесь в карбюраторном двигателе нагревается до 300- 350 °С, а воздух в дизельном двигателе - до 500-600 °С. В конце такта сжатия в карбюраторном двигателе проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется. В дизельном двигателе в цилиндр впрыскивается топливо, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется.
При сгорании горючей смеси газ расширяется и толкает поршень и соединенный с ним коленчатый вал, совершая механическую работу. Это приводит к тому, что газ охлаждается.
Когда поршень придёт в нижнюю точку, давление в нём уменьшится. При движении поршня вверх открывается клапан, и происходит выпуск отработавшего газа. В конце этого такта клапан закрывается.
Паровая турбина
Паровая турбина представляет собой насаженный на вал диск, на котором укреплены лопасти. На лопасти поступает пар. Пар, нагретый до 600 °С, направляется в сопло и в нём расширяется. При расширении пара происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Струя пара поступает из сопла на лопасти турбины и передаёт им часть своей кинетической энергии, приводя турбину во вращение. Обычно турбины имеют несколько дисков, каждому из которых передаётся часть энергии пара. Вращение диска передаётся валу, с которым соединён генератор электрического тока.
При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива .
Удельная теплота сгорания топлива - физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг.
Различные виды топлива (твёрдое, жидкое и газообразное) характеризуются общими и специфическими свойствами. К общим свойствам топлива относятся удельная теплота сгорания и влажность, к специфическим - зольность, сернистость (содержание серы), плотность, вязкость и другие свойства.
Удельная теплота сгорания топлива - это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании \(1\) кг твёрдого или жидкого топлива или \(1\) м³ газообразного топлива.
Энергетическая ценность топлива в первую очередь определяется его удельной теплотой сгорания.
Удельная теплота сгорания обозначается буквой \(q\). Единицей удельной теплоты сгорания является \(1\) Дж/кг для твёрдого и жидкого топлива и \(1\) Дж/м³ для газообразного топлива.
Удельную теплоту сгорания на опыте определяют довольно сложными методами.
Таблица 2. Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива.
Твёрдое топливо
Вещество | Удельная теплота сгорания, |
| Бурый уголь | |
| Древесный уголь | |
| Дрова сухие | |
| Древесные чурки | |
Каменный уголь | |
Каменный уголь марки А-II | |
| Кокс | |
| Порох | |
| Торф |
Жидкое топливо
Газообразное топливо
(при нормальных условиях)
Вещество | Удельная теплота сгорания, |
| Водород | |
| Генераторный газ | |
| Коксовый газ | |
| Природный газ | |
| Светильный газ |
Из этой таблицы видно, что наибольшей является удельная теплота сгорания водорода, она равна \(120\) МДж/м³. Это значит, что при полном сгорании водорода объёмом \(1\) м³ выделяется \(120\) МДж \(=\)\(120\) ⋅ 10 6 Дж энергии.
Водород - один из высокоэнергетических видов топлива. Кроме того, продуктом сгорания водорода является обычная вода, в отличие от других видов топлива, где продуктами сгорания являются углекислый и угарный газы, зола и топочные шлаки. Это делает водород экологически наиболее чистым топливом.
Однако газообразный водород взрывоопасен. К тому же он имеет самую малую плотность в сравнении с другими газами при равной температуре и давлении, что создаёт сложности со сжижением водорода и его транспортировкой.
Общее количество теплоты \(Q\), выделяемое при полном сгорании \(m\) кг твёрдого или жидкого топлива, вычисляется по формуле:
Общее количество теплоты \(Q\), выделяемое при полном сгорании \(V\) м³ газообразного топлива, вычисляется по формуле:
Влажность (содержание влаги) топлива снижает его теплоту сгорания, так как увеличивается расход теплоты на испарение влаги и увеличивается объём продуктов сгорания (из-за наличия водяного пара).
Зольность - это количество золы, образующейся при сгорании минеральных веществ, содержащихся в топливе. Минеральные вещества, содержащиеся в топливе, понижают его теплоту сгорания, так как уменьшается содержание горючих компонентов (основная причина) и увеличивается расход тепла на нагрев и плавление минеральной массы.
Сернистость (содержание серы) относится к отрицательному фактору топлива, так как при его сгорании образуются сернистые газы, загрязняющие атмосферу и разрушающие металл. Кроме того, сера, содержащаяся в топливе, частично переходит в выплавляемый металл, сваренную стекломассу, снижая их качество. Например, для варки хрустальных, оптических и других стёкол нельзя использовать топливо, содержащее серу, так как сера значительно понижает оптические свойства и колер стекла.