Энергия топлива. Удельная теплота сгорания. Особенности теплотворной способности различных видов горючего

Известно, что источником энергии, которая используется в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в быту, является топливо. Это уголь, нефть, торф, дрова, природный газ и др. При сгорании топлива выделяется энергия. Попытаемся выяснить, за счёт чего выделяется при этом энергия.

Вспомним строение молекулы воды (рис. 16, а). Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Если молекулу воды разделить на атомы, то при этом необходимо преодолеть силы притяжения между атомами, т. е. совершить работу, а значит, затратить энергию. И наоборот, если атомы соединяются в молекулу, энергия выделяется.

Использование топлива основано как раз на явлении выделения энергии при соединении атомов. Так, например, атомы углерода, содержащиеся в топливе, при горении соединяются с двумя атомами кислорода (рис. 16, б). При этом образуется молекула оксида углерода - углекислого газа - и выделяется энергия.

Рис. 16. Строение молекул:
a - воды; б - соединение атома углерода и двух атомов кислорода в молекулу углекислого газа

При расчёте двигателей инженеру необходимо точно знать, какое количество теплоты может выделить сжигаемое топливо. Для этого надо опытным путём определить, какое количество теплоты выделится при полном сгорании одной и той же массы топлива разных видов.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.

Удельная теплота сгорания обозначается буквой q. Единицей удельной теплоты сгорания является 1 Дж / кг.

Удельную теплоту сгорания определяют на опыте с помощью довольно сложных приборов.

Результаты опытных данных приведены в таблице 2.

Таблица 2

Из этой таблицы видно, что удельная теплота сгорания, например, бензина 4,6 10 7 Дж / кг.

Это значит, что при полном сгорании бензина массой 1 кг выделяется 4,6 10 7 Дж энергии.

Общее количество теплоты Q, выделяемое при сгорании m кг топлива, вычисляется по формуле

Вопросы

1. Что такое удельная теплота сгорания топлива?
2. В каких единицах измеряют удельную теплоту сгорания топлива?
3. Что означает выражение «удельная теплота сгорания топлива равна 1,4 10 7 Дж / кг? Как вычисляют количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива?

Упражнение 9

1. Какое количество теплоты выделяется при полном сгорании древесного угля массой 15 кг; спирта массой 200 г?
2. Сколько теплоты выделится при полном сгорании нефти, масса которой 2,5 т; керосина, объём которого равен 2 л, а плотность 800 кг / м 3 ?
3. При полном сгорании сухих дров выделилось 50 000 кДж энергии. Какая масса дров сгорела?

Задание

Используя таблицу 2, постройте столбчатую диаграмму для удельной теплоты сгорания дров, спирта, нефти, водорода, выбрав масштаб следующим образом: ширина прямоугольника - 1 клетка, высота 2 мм соответствует 10 Дж.

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.

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.

Температура горения угля считается тем основным критерием, который позволяет избежать ошибок при выборе топлива. Именно от этой величины напрямую зависит производительность котла, его качественная работа.

Вариант определения температуры

Зимой вопрос обогрева жилых помещений особенно актуален. В связи с систематическим ростом стоимости теплоносителей, людям приходится искать альтернативные варианты выработки тепловой энергии.

Оптимальным способом для решения сложившейся проблемы будет подбор твердотопливных котлов, которые имеют оптимальные производственные характеристики, отлично сохраняют тепло.

Удельная теплота сгорания каменного угля представляет собой физическую величину, показывающую, какое количество тепла способно выделяться при полном сгорании килограмма топлива. Для того чтобы котел работал длительное время, важно правильно подбирать к нему топливо. Удельная теплота сгорания каменного угля высока (22 МДж/кг), поэтому данный вид топлива считается оптимальным для эффективной работы котла.

Характеристики и свойства древесины

В настоящее время наблюдается тенденция перехода с установок, в основе которых был процесс сгорания газа, на твердотопливные отопительные бытовые системы.

Не все знают о том, что создание комфортного микроклимата в доме напрямую зависит от качества выбранного топлива. В качестве традиционного материала, применяемого в таких отопительных котлах, выделим древесину.

В суровых климатических условиях, характеризующихся продолжительной и холодной зимой, достаточно сложно обогревать древесиной жилище весь отопительный сезон. При резком понижении температуры воздуха владелец котла вынужден его использовать на грани максимальных возможностей.

При выборе в качестве твердого топлива древесины возникают серьезные проблемы и неудобства. В первую очередь отметим, что температура горения угля гораздо выше, чем у древесины. Среди недостатков и высокая скорость сгорания дров, что создает серьезные затруднения при эксплуатации отопительного котла. Его владелец вынужден осуществлять постоянный контроль наличия дров в топке, потребуется достаточно большое их количество на отопительный сезон.

Варианты угля

Температура горения значительно выше, поэтому данный вариант топлива является отличной альтернативой для обычных дров. Отметим и прекрасный показатель теплоотдачи, продолжительность процесса горения, незначительный расход топлива. Существует несколько разновидностей угля, связанных со спецификой добычи, а также глубиной залегания в земных недрах: каменный, бурый, антрацит.

У каждого из указанных вариантов есть свои отличительные качества и характеристики, которые позволяют использовать его в твердотопливных котлах. Температура горения угля в печи будет минимальной при использовании бурого, так как в его составе содержится достаточно большое количество разнообразных примесей. Что касается показателей теплоотдачи, то их величина аналогична древесине. Химическая реакция горения является экзотермической, теплота сгорания угля имеет высокий показатель.

У каменного угля температура воспламенения достигает 400 градусов. Причем теплота сгорания угля данного вида довольно высока, поэтому данный вид топлива широко используют для обогрева жилых помещений.

Максимальная эффективность у антрацита. Среди недостатков такого топлива выделим его высокую стоимость. Температура горения угля данного вида достигает 2250 градусов. Подобного показателя нет ни у одного твердого топлива, добываемого из земных недр.

Особенности печи, работающей на угле

Подобное устройство имеет конструктивные особенности, предполагает проведение реакции пиролиза угля. не относится к полезным ископаемым, он стал продуктом человеческой деятельности.

Температура горения угля составляет 900 градусов, что сопровождается выделением достаточного количества тепловой энергии. Какова технология создания такого удивительного продукта? Суть заключается в определенной обработке древесины, благодаря чему происходит существенное изменение ее структуры, выделение из нее избыточной влаги. Осуществляется подобный процесс в специальных печах. Принцип действия таких устройств базируется на процессе пиролиза. Печь для получения древесного угля состоит из четырех базовых компонентов:

• камеры сгорания;
• укрепленного основания;
• дымохода;
• отсека вторичной переработки.

Химический процесс

После попадания в камеру происходит постепенное тление дров. Данный процесс происходит благодаря наличию в топке достаточного количества газообразного кислорода, поддерживающего горение. По мере тления наблюдается выделение достаточного количества тепла, превращение избыточной жидкости в пар.

Дым, выделяющийся в процессе реакции, идет в отсек вторичной переработки, там он полностью сгорает, происходит выделение тепла. выполняет несколько важных функциональных задач. С ее помощью образуется древесный уголь, а в помещении поддерживается комфортная температура.

Но процесс получения подобного топлива является достаточно деликатным, и при малейшем промедлении возможно полное сгорание дров. Необходимо в определенное время извлекать из печи обуглившиеся заготовки.

Применение древесного угля

При соблюдении технологической цепочки получается отличный материал, использовать который можно для полноценного обогрева жилых помещений во время зимнего отопительного сезона. Безусловно, температура горения каменного угля будет выше, но не во всех регионах такое топливо доступно по цене.

Горение древесного угля начинается при температуре 1250 градусов. Например, плавильная печь работает именно на древесном угле. То пламя, которое образуется при подаче в печь воздуха, с легкостью расплавляет металл.

Создание оптимальных условий для горения

По причине высокой температуры все внутренние элементы печи выполняются из специального огнеупорного кирпича. Для их укладки применяют огнеупорную глину. При создании специальных условий вполне можно получить в печи температуру, превышающую 2000 градусов. У каждого вида угля существует свой показатель точки воспламенения. После достижения этого показателя важно поддерживать температуру воспламенения, непрерывно подавая в топку избыточное количество кислорода.

Среди недостатков данного процесса выделим потерю тепла, ведь часть выделяемой энергии будет уходить через трубу. Это приводит к понижению температуры топки. В ходе экспериментальных исследований ученым удалось установить для различных видов топлива оптимальный избыточный объем кислорода. Благодаря выбору избытка воздуха, можно рассчитывать на полное сгорание топлива. В итоге можно рассчитывать на минимальные потери тепловой энергии.

Заключение

Сравнительную ценность топлива оценивают по его теплотворной способности, измеряемой в калориях. Учитывая характеристики разных его видов, можно сделать вывод, что именно каменный уголь является оптимальным видом твердого Многие владельцы собственных отопительных систем стараются использовать котлы, работающие на смешанном топливе: твердом, жидком, газообразном.

Всем известно, что в нашей жизни огромную роль играет использование топлива. Топливо применяют практически в любой отрасли современной промышленности. Особенно часто применяется топливо, полученное из нефти: бензин, керосин, соляр и другие. Также применяют горючие газы (метан и другие).

Откуда берется энергия у топлива

Известно, что молекулы состоят из атомов . Для того, чтобы разделить какую либо молекулу (например, молекулу воды) на составляющие её атомы, требуется затратить энергию (на преодоление сил притяжения атомов). Опыты показывают, что при соединении атомов в молекулу (это и происходит при сжигании топлива) энергия, напротив, выделяется.

Как известно, существует ещё и ядерное топливо, но мы не будем здесь говорить о нём.

При сгорании топлива выделяется энергия. Чаще всего это тепловая энергия . Опыты показывают, что количество выделившейся энергии прямо пропорционально количеству сгоревшего топлива.

Удельная теплота сгорания

Для расчёта этой энергии используют физическую величину, называемую удельная теплота сгорания топлива. Удельная теплота сгорания топлива показывает, какая энергия выделяется при сгорании единичной массы топлива.

Её обозначают латинской буквой q. В системе СИ единица измерения этой величины Дж/кг. Отметим, что каждое топливо имеет собственную удельную теплоту сгорания. Эта величина измерена практически для всех видов топлива и при решении задач определяется по таблицам.

Например, удельная теплота сгорания бензина 46 000 000 Дж/кг, керосина такая же, этилового спирта 27 000 000 Дж/кг. Нетрудно понять, что энергия, выделившаяся при сгорании топлива, равна произведению массы этого топлива и удельной теплоты сгорания топлива:

Рассмотрим примеры

Рассмотрим пример. 10 граммов этилового спирта сгорело в спиртовке за 10 минут. Найдите мощность спиртовки.

Решение. Найдём количество теплоты, выделившееся при сгорании спирта:

Q = q*m; Q = 27 000 000 Дж/кг * 10 г = 27 000 000 Дж/кг * 0,01 кг = 270 000 Дж.

Найдём мощность спиртовки:

N = Q / t = 270 000 Дж / 10 мин = 270 000 Дж / 600 с = 450 Вт.

Рассмотрим более сложный пример. Алюминиевую кастрюлю массой m1, заполненную водой массой m2, нагрели с помощью примуса от температуры t1 до температуры t2 (00С < t1 < t2

Решение.

Найдём количество теплоты, полученное алюминием:

Q1 = c1 * m1 * (t1 t2);

найдём количество теплоты, полученное водой:

Q2 = c2 * m2 * (t1 t2);

найдём количество теплоты, полученное кастрюлей с водой:

найдём количество теплоты, отданное сгоревшим бензином:

Q4 = Q3 / k * 100 = (Q1 + Q2) / k * 100 =

(c1 * m1 * (t1 t2) + c2 * m2 * (t1 t2)) / k * 100;