Specifik varmekapacitet af brændstofforbrændingstabellen. Termiske maskiner

I processen med sin udvikling har menneskeheden lært at opnå termisk energi ved at forbrænde forskellige typer brændstof. Det enkleste eksempel er en ild lavet af træ, som blev tændt af primitive mennesker, og siden da tørv, kul, benzin, olie, naturgas - alle disse er typer brændstof, brændende, som en person modtager termisk energi. Så hvad er specifik forbrændingsvarme?

Hvor kommer varmen fra under forbrændingsprocessen?

Selve brændstofforbrændingsprocessen er en kemisk, oxidativ reaktion. De fleste brændstoffer indeholder store mængder kulstof C, brint H, svovl S og andre stoffer. Under forbrænding kombineres C-, H- og S-atomerne med oxygenatomerne O 2, hvilket resulterer i molekylerne CO, CO 2, H 2 O, SO 2. I dette tilfælde frigives en stor mængde termisk energi, som folk har lært at bruge til deres egne formål.

Ris. 1. Brændstoftyper: kul, tørv, olie, gas.

Hovedbidraget til varmeafgivelsen kommer fra kulstof C. Det næststørste bidrag til varmemængden kommer fra brint H.

Ris. 2. Kulstofatomer reagerer med oxygenatomer.

Hvad er specifik forbrændingsvarme?

Specifik forbrændingsvarme q er en fysisk mængde svarende til mængden af ​​varme, der frigives ved fuldstændig forbrænding af 1 kg brændstof.

Formlen for specifik forbrændingsvarme ser således ud:

$$q=(Q \over m)$$

Q er mængden af ​​varme, der frigives under brændstofforbrænding, J;

m—brændstofmasse, kg.

Måleenheden for q i International System of Units (SI) er J/kg.

$$[q]=(J \over kg)$$

For at angive store værdier af q bruges energienheder uden for systemet ofte: kilojoule (kJ), megajoule (MJ) og gigajoule (GJ).

Værdierne af q for forskellige stoffer bestemmes eksperimentelt.

Ved at kende q kan vi beregne mængden af ​​varme Q, der vil komme fra forbrændingen af ​​brændstof med massen m:

Hvordan måles specifik forbrændingsvarme?

For at måle q bruges instrumenter kaldet kalorimetre (kalor - varme, metero - mål).

En beholder med en del brændstof brændes inde i enheden. Beholderen placeres i vand med kendt masse. Som følge af forbrænding opvarmer den frigivne varme vandet. Størrelsen af ​​vandmassen og ændringen i dets temperatur gør det muligt at beregne forbrændingsvarmen. Dernæst bestemmes q ved hjælp af ovenstående formel.

Ris. 3. Måling af specifik forbrændingsvarme.

Hvor kan du finde q-værdier

Oplysninger om værdierne af den specifikke forbrændingsvarme for specifikke typer brændstof kan findes i tekniske opslagsbøger eller i deres elektroniske versioner på internetressourcer. De er normalt præsenteret i følgende tabel:

Specifik forbrændingsvarme, q

Ressourcer af gennemprøvede, moderne brændstoffer er begrænsede. Derfor vil de i fremtiden blive erstattet af andre energikilder:

  • atomare, ved hjælp af energien fra nukleare reaktioner;
  • solenergi, omdannelse af sollys energi til varme og elektricitet;
  • vind;
  • geotermisk, ved at bruge varmen fra naturlige varme kilder.

Hvad har vi lært?

Så vi fandt ud af, hvorfor der frigives meget varme, når brændstof brænder. For at beregne mængden af ​​varme, der frigives under forbrændingen af ​​en vis masse m brændstof, er det nødvendigt at kende værdien q - den specifikke forbrændingsvarme af dette brændstof. Værdierne af q blev bestemt eksperimentelt ved hjælp af kalorimetrimetoder og er angivet i opslagsbøger.

Test om emnet

Evaluering af rapporten

Gennemsnitlig vurdering: 4.2. Samlede vurderinger modtaget: 65.

Termiske maskiner inden for termodynamik er disse periodisk fungerende varmemotorer og kølemaskiner (termokompressorer). En type kølemaskine er varmepumpe.

Enheder, der udfører mekanisk arbejde ved hjælp af brændstofs indre energi, kaldes varmemotorer (varmemotorer). Til drift af en varmemotor kræves følgende komponenter: 1) en varmekilde med et højere temperaturniveau t1, 2) en varmekilde med et lavere temperaturniveau t2, 3) en arbejdsvæske. Med andre ord: eventuelle varmemotorer (varmemotorer) består af varmelegeme, køleskab og arbejdsvæske .

Som arbejdsvæske der bruges gas eller damp, da de er godt komprimerede, og afhængigt af motortype kan der være brændstof (benzin, petroleum), vanddamp osv. Varmelegemet overfører en vis mængde varme (Q1) til arbejdsvæsken , og dens indre energi stiger på grund af denne indre energi, udføres mekanisk arbejde (A), derefter afgiver arbejdsvæsken en vis mængde varme til køleskabet (Q2) og afkøles til starttemperaturen. Det beskrevne diagram repræsenterer motorens driftscyklus og er generelt; i rigtige motorer kan rollen som et varmeapparat og et køleskab udføres af forskellige enheder. Miljøet kan fungere som køleskab.

Da en del af energien fra arbejdsvæsken i motoren overføres til køleskabet, er det klart, at ikke al den energi, den modtager fra varmeren, bruges til at udføre arbejde. Henholdsvis, effektivitet motor (effektivitet) er lig med forholdet mellem det udførte arbejde (A) og mængden af ​​varme, den modtager fra varmeren (Q1):

Forbrændingsmotor (ICE)

Der er to typer forbrændingsmotorer (ICE): karburator Og diesel. I en karburatormotor tilberedes arbejdsblandingen (en blanding af brændstof og luft) uden for motoren i en speciel enhed og kommer fra den ind i motoren. I en dieselmotor tilberedes brændstofblandingen i selve motoren.

ICE består af cylinder , hvori den bevæger sig stempel ; der er i cylinderen to ventiler , hvorigennem den ene brændbare blanding føres ind i cylinderen, og gennem den anden udledes udstødningsgasser fra cylinderen. Stempel ved hjælp af krank mekanisme forbinder med krumtapaksel , som begynder at rotere med stemplets translationsbevægelse. Cylinderen lukkes med låg.

Forbrændingsmotorens driftscyklus inkluderer fire takter: indsugning, kompression, slaglængde, udstødning. Under indsugningen bevæger stemplet sig ned, trykket i cylinderen falder, og en brændbar blanding (i en karburatormotor) eller luft (i en dieselmotor) kommer ind i den gennem ventilen. Ventilen er lukket på dette tidspunkt. Ved slutningen af ​​indtaget af den brændbare blanding lukker ventilen.

Under det andet slag bevæger stemplet sig op, ventilerne lukkes, og arbejdsblandingen eller luften komprimeres. Samtidig stiger gastemperaturen: den brændbare blanding i en karburatormotor opvarmes til 300-350 °C, og luften i en dieselmotor - op til 500-600 °C. Ved slutningen af ​​kompressionsslaget springer en gnist i karburatormotoren, og den brændbare blanding antændes. I en dieselmotor sprøjtes brændstof ind i cylinderen, og den resulterende blanding antændes spontant.

Når en brændbar blanding brændes, udvider gassen sig og skubber stemplet og krumtapakslen forbundet til det og udfører mekanisk arbejde. Dette får gassen til at afkøle.

Når stemplet når det laveste punkt, vil trykket i det falde. Når stemplet bevæger sig opad, åbner ventilen, og udstødningsgassen frigives. Ved afslutningen af ​​dette slag lukker ventilen.


Dampturbine

Dampturbine Det er en skive monteret på en aksel, hvorpå knivene er monteret. Der kommer damp ind i knivene. Damp opvarmet til 600 °C ledes ind i dysen og udvider sig i den. Når damp udvider sig, omdannes dens indre energi til kinetisk energi af den rettede bevægelse af dampstrålen. En dampstråle kommer fra dysen til turbinebladene og overfører en del af dens kinetiske energi til dem, hvilket får turbinen til at rotere. Typisk har turbiner flere skiver, som hver overfører en del af dampenergien. Skivens rotation overføres til en aksel, hvortil en elektrisk strømgenerator er forbundet.

Når forskellige brændsler af samme masse afbrændes, frigives forskellige mængder varme. For eksempel er det velkendt, at naturgas er et energieffektivt brændsel end træ. Det betyder, at for at opnå samme mængde varme, skal den træmasse, der skal brændes, være væsentlig større end massen af ​​naturgas. Som følge heraf er forskellige typer brændstof ud fra et energisynspunkt karakteriseret ved en mængde kaldet specifik varme ved forbrænding af brændstof .

Specifik varme ved forbrænding af brændstof- en fysisk størrelse, der viser, hvor meget varme der frigives ved fuldstændig forbrænding af brændstof, der vejer 1 kg.

Den specifikke forbrændingsvarme er angivet med bogstavet q , dens enhed er 1 J/kg.

Den specifikke varmeværdi bestemmes eksperimentelt. Har den højeste specifikke forbrændingsvarme brint , den mindste - pulver .

Den specifikke forbrændingsvarme af olie er 4,4*10 7 J/kg. Det betyder, at ved fuldstændig forbrænding af 1 kg olie er mængden af ​​frigivet varme 4,4 * 10 7 J. I det generelle tilfælde, hvis brændstofmassen er lig med m , så er mængden af ​​varme Q frigivet under dens fuldstændige forbrænding lig med produktet af brændstoffets specifikke forbrændingsvarme q til sin masse:

Q = qm.

Fysik lektionsnoter i 8. klasse "Termiske motorer. IS. Specifik forbrændingsvarme".

(Fig. 14.1 - Brændværdi
brændstofkapacitet)

Vær opmærksom på brændværdien (specifik forbrændingsvarme) af forskellige typer brændstof, sammenlign indikatorerne. Brændstoffets brændværdi karakteriserer mængden af ​​varme, der frigives ved fuldstændig forbrænding af brændstof, der vejer 1 kg eller volumen 1 m³ (1 l). Oftest måles brændværdi i J/kg (J/m³; J/l). Jo højere den specifikke forbrændingsvarme af brændstoffet er, jo lavere er dets forbrug. Derfor er brændværdi en af ​​de vigtigste egenskaber ved brændstof.

Den specifikke forbrændingsvarme for hver type brændstof afhænger af:

  • Fra dets brændbare komponenter (kulstof, brint, flygtigt brændbart svovl osv.).
  • Fra dets fugt- og askeindhold.
Tabel 4 - Specifik forbrændingsvarme af forskellige energibærere, sammenlignende analyse af omkostninger.
Type af energibærer Brændværdi Volumetrisk
stoffets tæthed
(ρ=m/V)
Pris per stk
standard brændstof
Coeff.
nyttig handling
(effektivitet) af systemet
opvarmning, %
Pris pr
1 kWh
Implementerede systemer
MJ kWh
(1MJ=0,278 kWh)
Elektricitet - 1,0 kWh - 3,70 gnid. pr kWh 98% 3,78 gnid. Opvarmning, varmtvandsforsyning (DHW), aircondition, madlavning
Metan
(CH4, temperatur
kogepunkt: -161,6 °C)
39,8 MJ/m³ 11,1 kWh/m³ 0,72 kg/m³ 5,20 gnid. pr m³ 94% 0,50 gnid.
Propan
(C3H8, temperatur
kogepunkt: -42,1 °C)
46,34
MJ/kg
23,63
MJ/l
12,88
kWh/kg
6,57
kWh/l
0,51 kg/l 18.00 gnid. hal 94% 2,91 gnide. Opvarmning, varmtvandsforsyning (DHW), madlavning, backup og permanent strømforsyning, autonom septiktank (kloakering), udendørs infrarøde varmeovne, udendørs grill, pejse, bade, designerbelysning
Butan
C4H10, temperatur
kogepunkt: -0,5 °C)
47,20
MJ/kg
27,38
MJ/l
13,12
kWh/kg
7,61
kWh/l
0,58 kg/l 14.00 gnid. hal 94% 1,96 gnid. Opvarmning, varmtvandsforsyning (DHW), madlavning, backup og permanent strømforsyning, autonom septiktank (kloakering), udendørs infrarøde varmeovne, udendørs grill, pejse, bade, designerbelysning
Propan-butan
(LPG - flydende
kulbrintegas)
46,8
MJ/kg
25,3
MJ/l
13,0
kWh/kg
7,0
kWh/l
0,54 kg/l 16.00 gnid. hal 94% 2,42 gnid. Opvarmning, varmtvandsforsyning (DHW), madlavning, backup og permanent strømforsyning, autonom septiktank (kloakering), udendørs infrarøde varmeovne, udendørs grill, pejse, bade, designerbelysning
Dieselbrændstof 42,7
MJ/kg
11,9
kWh/kg
0,85 kg/l 30,00 gnid. pr kg 92% 2,75 gnid. Opvarmning (opvarmning af vand og generering af elektricitet er meget dyrt)
Brænde
(birk, luftfugtighed - 12%)
15,0
MJ/kg
4,2
kWh/kg
0,47-0,72 kg/dm³ 3,00 gnid. pr kg 90% 0,80 gnide. Opvarmning (ubekvemt at lave mad, næsten umuligt at få varmt vand)
Kul 22,0
MJ/kg
6,1
kWh/kg
1200-1500 kg/m³ 7,70 gnid. pr kg 90% 1,40 gnid. Opvarmning
MAPP-gas (blanding af flydende petroleumsgas - 56% med methylacetylen-propadien - 44%) 89,6
MJ/kg
24,9
kWh/m³
0,1137 kg/dm³ -R. pr m³ 0% Opvarmning, varmtvandsforsyning (DHW), madlavning, backup og permanent strømforsyning, autonom septiktank (kloakering), udendørs infrarøde varmeovne, udendørs grill, pejse, bade, designerbelysning

(Fig. 14.2 - Specifik forbrændingsvarme)

Ifølge tabellen "Specifikke forbrændingsvarme af forskellige energibærere, sammenlignende analyse af omkostninger," propan-butan (flydende gas) er ringere i økonomiske fordele og udsigter til brug kun for naturgas (methan). Man bør dog være opmærksom på tendensen til en uundgåelig stigning i prisen på hovedgas, som i øjeblikket er betydeligt undervurderet. Analytikere forudser en uundgåelig omorganisering af industrien, hvilket vil føre til en betydelig stigning i prisen på naturgas, måske endda overstige prisen på dieselbrændstof.

Således forbliver flydende gas, hvis omkostninger stort set vil forblive uændret, ekstremt lovende - den optimale løsning til autonome forgasningssystemer.

I denne lektion lærer vi, hvordan man beregner mængden af ​​varme, som brændstof frigiver under forbrænding. Derudover vil vi overveje brændstoffets egenskaber - den specifikke forbrændingsvarme.

Da hele vores liv er baseret på bevægelse, og bevægelse for det meste er baseret på forbrænding af brændstof, er det meget vigtigt at studere dette emne for at forstå emnet "Termiske fænomener".

Efter at have studeret spørgsmålene relateret til mængden af ​​varme og specifik varmekapacitet, lad os gå videre til at overveje mængden af ​​frigivet varme ved afbrænding af brændstof.

Definition

Brændstof- et stof, der producerer varme i nogle processer (forbrænding, nukleare reaktioner). Er en energikilde.

Brændstof sker fast, flydende og gasformigt(fig. 1).

Ris. 1. Brændstoftyper

  • Fast brændsel inkluderer kul og tørv.
  • Flydende brændstoffer inkluderer olie, benzin og andre olieprodukter.
  • Gasformige brændstoffer omfatter naturgas.
  • Separat kan vi fremhæve det meget almindelige for nylig nukleart brændsel.

Brændstofforbrænding er en kemisk proces, der er oxidativ. Under forbrænding kombineres kulstofatomer med oxygenatomer for at danne molekyler. Som et resultat af dette frigives energi, som en person bruger til sine egne formål (fig. 2).

Ris. 2. Dannelse af kuldioxid

For at karakterisere brændstoffet bruges følgende egenskab: brændværdi. Brændværdi viser, hvor meget varme der frigives ved brændstofforbrænding (fig. 3). I fysik svarer brændværdi til begrebet specifik forbrændingsvarme af et stof.

Ris. 3. Specifik forbrændingsvarme

Definition

Specifik forbrændingsvarme- en fysisk mængde, der karakteriserer brændstoffet, er numerisk lig med den varmemængde, der frigives ved fuldstændig forbrænding af brændstoffet.

Den specifikke forbrændingsvarme er normalt angivet med bogstavet. Enheder:

Der er ingen måleenhed, da brændstofforbrænding sker ved en næsten konstant temperatur.

Den specifikke forbrændingsvarme bestemmes eksperimentelt ved hjælp af sofistikerede instrumenter. Der er dog specielle tabeller til løsning af problemer. Nedenfor præsenterer vi værdierne for den specifikke forbrændingsvarme for nogle typer brændstof.

Stof

Tabel 4. Specifik forbrændingsvarme af nogle stoffer

Fra de givne værdier er det klart, at der under forbrænding frigives en enorm mængde varme, så måleenhederne (megajoule) og (gigajoules) bruges.

For at beregne mængden af ​​varme, der frigives under brændstofforbrænding, bruges følgende formel:

Her: - brændstofmasse (kg), - specifik forbrændingsvarme af brændstof ().

Afslutningsvis bemærker vi, at det meste af det brændstof, der bruges af menneskeheden, er lagret ved hjælp af solenergi. Kul, olie, gas - alt dette blev dannet på Jorden på grund af solens indflydelse (fig. 4).

Ris. 4. Brændstofdannelse

I den næste lektion vil vi tale om loven om bevarelse og transformation af energi i mekaniske og termiske processer.

Listelitteratur

  1. Gendenshtein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Ed. Orlova V.A., Roizena I.I. Fysik 8. - M.: Mnemosyne.
  2. Peryshkin A.V. Fysik 8. - M.: Bustard, 2010.
  3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fysik 8. - M.: Oplysning.
  1. Internetportal "festival.1september.ru" ()
  2. Internetportal "school.xvatit.com" ()
  3. Internetportal "stringer46.narod.ru" ()

Lektier

Når en vis mængde brændstof forbrændes, frigives en målbar mængde varme. Ifølge International System of Units er værdien udtrykt i Joule pr. kg eller m 3. Men parametrene kan også beregnes i kcal eller kW. Hvis værdien er relateret til en brændstofmåleenhed, kaldes den specifik.

Hvad påvirker brændværdien af ​​forskellige brændstoffer? Hvad er værdien af ​​indikatoren for flydende, faste og gasformige stoffer? Svarene på ovenstående spørgsmål er beskrevet detaljeret i artiklen. Derudover har vi udarbejdet en tabel, der viser den specifikke forbrændingsvarme af materialer - denne information vil være nyttig, når du vælger en højenergitype brændstof.

Frigivelsen af ​​energi under forbrænding skal karakteriseres af to parametre: høj effektivitet og fravær af produktion af skadelige stoffer.

Kunstigt brændstof opnås ved forarbejdning af naturligt brændstof. Uanset aggregeringstilstanden har stoffer i deres kemiske sammensætning en brandfarlig og ikke-brændbar del. Den første er kulstof og brint. Den anden består af vand, mineralsalte, nitrogen, oxygen og metaller.

Baseret på deres aggregeringstilstand opdeles brændstof i flydende, fast og gas. Hver gruppe forgrener sig yderligere i en naturlig og kunstig undergruppe (+)

Når 1 kg af en sådan "blanding" forbrændes, frigives forskellige mængder energi. Præcis hvor meget af denne energi der frigives afhænger af proportionerne af disse elementer - den brændbare del, fugtighed, askeindhold og andre komponenter.

Forbrændingsvarmen af ​​brændstof (TCF) dannes fra to niveauer - det højeste og det laveste. Den første indikator opnås på grund af vandkondensering; i den anden tages denne faktor ikke i betragtning.

Den laveste TCT er nødvendig for at beregne behovet for brændstof og dets omkostninger; ved hjælp af sådanne indikatorer kompileres varmebalancer, og effektiviteten af ​​brændstofbrændende installationer bestemmes.

TST kan beregnes analytisk eller eksperimentelt. Hvis den kemiske sammensætning af brændstoffet er kendt, anvendes den periodiske formel. Eksperimentelle teknikker er baseret på den faktiske måling af varme fra brændstofforbrænding.

I disse tilfælde bruges en speciel forbrændingsbombe - en kalorimetrisk, sammen med et kalorimeter og en termostat.

Funktionerne i beregningerne er individuelle for hver type brændstof. Eksempel: TCT i forbrændingsmotorer beregnes ud fra den laveste værdi, fordi væsken ikke kondenserer i cylindrene.

Parametre for flydende stoffer

Flydende materialer, som faste, nedbrydes til følgende komponenter: kulstof, brint, svovl, oxygen, nitrogen. Procenten er udtrykt i vægt.

Intern organisk ballast af brændstof dannes af ilt og nitrogen; disse komponenter brænder ikke og er inkluderet i sammensætningen betinget. Ekstern ballast dannes af fugt og aske.

Benzin har en høj specifik forbrændingsvarme. Afhængig af mærket er det 43-44 MJ.

Lignende indikatorer for den specifikke forbrændingsvarme bestemmes for flykerosen - 42,9 MJ. Dieselbrændstof falder også ind i kategorien ledere med hensyn til brændværdi - 43,4-43,6 MJ.

Flydende raketbrændstof og ethylenglycol er karakteriseret ved relativt lave TCT-værdier. Alkohol og acetone har den mindste specifikke forbrændingsvarme. Deres ydeevne er væsentligt lavere end traditionelt motorbrændstof.

Egenskaber ved gasformige brændstoffer

Gasformigt brændstof består af carbonmonoxid, brint, methan, ethan, propan, butan, ethylen, benzen, hydrogensulfid og andre komponenter. Disse tal er udtrykt i volumenprocent.

Brint har den højeste forbrændingsvarme. Ved forbrænding frigiver et kilogram stof 119,83 MJ varme. Men den har en højere grad af eksplosivitet

Naturgas har også høje brændværdier.

De er lig med 41-49 MJ pr. kg. Men for eksempel ren metan har en højere brændværdi - 50 MJ pr. kg.

Sammenlignende tabel over indikatorer

Tabellen viser værdierne for massespecifik forbrændingsvarme af flydende, faste og gasformige brændstoffer.

Type brændstof Enhed lave om Specifik forbrændingsvarme
MJ kW kcal
Brænde: eg, birk, ask, bøg, avnbøgkg15 4,2 2500
Brænde: lærk, fyr, grankg15,5 4,3 2500
Brunkulkg12,98 3,6 3100
Kulkg27,00 7,5 6450
Trækulkg27,26 7,5 6510
Antracitkg28,05 7,8 6700
Træpillerkg17,17 4,7 4110
Halmpillerkg14,51 4,0 3465
Solsikkepillerkg18,09 5,0 4320
Savsmuldkg8,37 2,3 2000
Papirkg16,62 4,6 3970
Vinekg14,00 3,9 3345
Naturgasm 333,5 9,3 8000
Flydende gaskg45,20 12,5 10800
Benzinkg44,00 12,2 10500
Dis. brændstofkg43,12 11,9 10300
Metanm 350,03 13,8 11950
Brintm 3120 33,2 28700
Petroleumkg43.50 12 10400
Brændselsoliekg40,61 11,2 9700
Oliekg44,00 12,2 10500
Propanm 345,57 12,6 10885
Ethylenm 348,02 13,3 11470

Tabellen viser, at brint har de højeste TST-indikatorer af alle stoffer, ikke kun gasformige. Det hører til højenergibrændstoffer.

Produktet af brintforbrænding er almindeligt vand. Processen udleder ikke ovnslagge, aske, kuldioxid og kuldioxid, hvilket gør stoffet til et miljøvenligt brændbart. Men det er eksplosivt og har en lav densitet, så dette brændstof er svært at gøre flydende og transportere.

Konklusioner og nyttig video om emnet

Om brændværdien af ​​forskellige træsorter. Sammenligning af indikatorer pr. m 3 og kg.

TCT er den vigtigste termiske og operationelle egenskab ved brændstof. Denne indikator bruges i forskellige områder af menneskelig aktivitet: varmemotorer, kraftværker, industri, boligopvarmning og madlavning.

Brændværdiværdier hjælper med at sammenligne forskellige typer brændstof i henhold til graden af ​​frigivet energi, beregne den nødvendige masse af brændstof og spare på omkostningerne.

Har du noget at tilføje eller har du spørgsmål til brændværdien af ​​forskellige typer brændstof? Du kan skrive kommentarer til publikationen og deltage i diskussioner - kontaktformularen er i nederste blok.