Людство у процесі своєї еволюції навчилося одержувати теплову енергію за допомогою спалювання різних видів палива. Найпростішим прикладом можемо служити багаття з дров, яке розпалювали первісні люди, і з того часу торф, вугілля, бензин, нафта, природний газ — це види палива, спалюючи які людина отримує теплову енергію. То що таке питома теплота згоряння?
Звідки береться тепло у процесі горіння?
Сам собою процес згоряння палива — це хімічна, окислювальна реакція. Більшість видів палива містить велику кількість вуглецю, водню H, сірки S та інших речовин. Під час горіння атоми C, H, і S з'єднується з атомами кисню О 2 , в результаті чого виходить молекули, СО 2 , Н 2 О, SO 2 . При цьому відбувається виділення великої кількості теплової енергії, яку люди навчилися використовувати у своїх цілях.
Мал. 1. Види палива: вугілля, торф, нафту, газ.
Основний внесок у виділення тепла дає вуглець C. Другий за кількістю тепла внесок вносить водень H.
Мал. 2. Атоми вуглецю вступають у реакцію з атомами кисню.
Що таке питома теплота згоряння?
Питома теплота згоряння q - це фізична величина, що дорівнює кількості тепла, що виділяється при повному згорянні 1 кг палива.
Формула питомої теплоти згоряння виглядає так:
$$q=(Q \over m)$$
Q - кількість тепла, що виділилося в процесі горіння палива, Дж;
m - маса палива, кг.
Одиницею виміру q у міжнародній системі одиниць СІ є Дж/кг.
$$[q]=(Дж \over кг)$$
Для позначення великих величин часто використовуються позасистемні одиниці енергії: кілоджоулі (кДж), мегаджоулі (МДж) і гігаджоулі (ГДж).
Значення q різних речовин визначають експериментально.
Знаючи q, можна обчислити кількість тепла Q, що вийде в результаті спалювання палива масою m:
Як вимірюють питому теплоту згоряння
Для вимірювання q використовують прилади, які називаються калориметрами (calor – тепло, metroo – вимірюю).
Контейнер із порцією палива спалюється усередині приладу. Контейнер поміщений у воду із відомою масою. В результаті горіння тепло, що виділилося, нагріває воду. Величина маси води та зміна її температури дозволяють обчислити теплоту згоряння. Далі q визначається за наведеною вище формулою.
Мал. 3. Вимірювання питомої теплоти згоряння.
Де можна знайти значення q
Інформацію про величини питомої теплоти згоряння для конкретних видів палива можна знайти в технічних довідниках або їх електронних версіях на інтернет-ресурсах. Зазвичай вони наводяться у вигляді такої таблиці:
Питома теплота згоряння, q
Ресурси розвіданих, сучасних видів палива обмежені. Тому в майбутньому на зміну їм прийдуть інші джерела енергії:
- атомні, які використовують енергію ядерних реакцій;
- сонячні, що перетворюють енергію сонячних променів у тепло та електрику;
- вітряні;
- геотермальні, які використовують тепло гарячих природних джерел.
Що ми дізналися?
Отже, ми довідалися чому виділяється багато тепла у горінні палива. Для обчислення кількості тепла, що виділяється при згорянні деякої маси палива, необхідно знати величину q - питому теплоту згоряння цього палива. Значення q визначені експериментально методами калориметрії та наведені у довідниках.
Тест на тему
Оцінка доповіді
Середня оцінка: 4.2. Усього отримано оцінок: 65.
Теплові машинив термодинаміці - це теплові двигуни, що періодично діють, і холодильні машини (термокомпресори). Різновидом холодильних машин є теплові насоси.
Пристрої, що здійснюють механічну роботу за рахунок внутрішньої енергії палива, називаються тепловими машинами (тепловими двигунами).Для функціонування теплової машини необхідні наступні складові: 1) джерело тепла з вищим температурним рівнем t1; 2) джерело тепла з нижчим температурним рівнем t2; 3) робоче тіло. Інакше сказати: будь-які теплові машини (теплові двигуни) складаються з нагрівача, холодильника та робочого тіла .
Як робочого тілавикористовуються газ або пара, оскільки вони добре стискаються, і в залежності від типу двигуна може бути паливо (бензин, гас), водяна пара та ін. Нагрівач передає робочому тілу деяку кількість теплоти (Q1), і його внутрішня енергія збільшується, за рахунок цієї внутрішньої енергії відбувається механічна робота (А), потім робоче тіло віддає деяку кількість теплоти холодильнику (Q2) і охолоджується при цьому до початкової температури. Описана схема представляє цикл роботи двигуна і є загальною, у реальних двигунах роль нагрівача та холодильника можуть виконувати різні пристрої. Холодильником може бути довкілля.
Оскільки в двигуні частина енергії робочого тіла передається холодильнику, то зрозуміло, що не вся отримана від нагрівача енергія йде на здійснення роботи. Відповідно, коефіцієнт корисної діїдвигуна (ККД) дорівнює відношенню досконалої роботи (А) до кількості теплоти, отриманої ним від нагрівача (Q1):
Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ)
Існує два типи двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ): карбюраторнийі дизельний. У карбюраторному двигуні робоча суміш (суміш палива з повітрям) готується поза двигуном у спеціальному пристрої і з нього надходить у двигун. У дизельному двигуні горюча суміш готується у самому двигуні.
ДВС складається з циліндра
, в якому переміщається поршень
; в циліндрі є два клапани
через один з яких горюча суміш впускається в циліндр, а через інший відпрацьовані гази випускаються з циліндра. Поршень за допомогою кривошипно-шатунного механізму
з'єднується з колінчастим валом
, що приходить у обертання під час поступального руху поршня. Циліндр закритий кришкою.
Цикл роботи ДВЗ включає чотири такти: впуск, стиснення, робочий хід, випуск. Під час впускання поршень рухається вниз, тиск у циліндрі зменшується, і в нього через клапан надходить горюча суміш (у карбюраторному двигуні) або повітря (у дизельному двигуні). Клапан у цей час закритий. Наприкінці впуску горючої суміші закривається клапан.
Під час другого такту поршень рухається нагору, клапани закриті, і робоча суміш чи повітря стискаються. У цьому температура газу підвищується: горюча суміш у карбюраторному двигуні нагрівається до 300- 350 °З, а повітря у дизельному двигуні - до 500-600 °З. В кінці такту стиснення в карбюраторному двигуні проскакує іскра, і горюча суміш спалахує. У дизельному двигуні в циліндр впорскується паливо, і суміш, що утворилася, самозаймається.
При згорянні горючої суміші газ розширюється і штовхає поршень і з'єднаний з ним колінчастий вал, роблячи механічну роботу. Це призводить до того, що газ охолоджується.
Коли поршень прийде до нижньої точки, тиск у ньому зменшиться. При русі поршня вгору відкривається клапан, і відбувається випуск газу, що відпрацював. Наприкінці цього такту клапан закривається.
Парова турбіна
Парова турбінає насадженим на вал диском, на якому укріплені лопаті. На лопаті надходить пара. Пара, нагріта до 600 ° С, прямує в сопло і в ньому розширюється. При розширенні пари відбувається перетворення її внутрішньої енергії на кінетичну енергію спрямованого руху струменя пари. Струмінь пари надходить із сопла на лопаті турбіни і передає їм частину своєї кінетичної енергії, приводячи турбіну в обертання. Зазвичай турбіни мають кілька дисків, кожному з яких передається частина енергії пари. Обертання диска передається валу, з яким з'єднаний генератор електричного струму.
При згорянні різного палива однакової маси виділяється різна кількість теплоти. Наприклад, добре відомо, що природний газ є енергетично вигіднішим паливом, ніж дрова. Це означає, що для отримання однієї і тієї ж кількості теплоти, маса дров, які потрібно спалити, повинна бути суттєво більшою за масу природного газу. Отже, різні види палива з енергетичної точки зору характеризуються величиною, яка називається питомою теплотою згоряння палива .
Питома теплота згоряння палива- фізична величина, що показує, скільки теплоти виділяється при повному згорянні палива масою 1 кг.
Питома теплота згоряння позначається буквою q , її одиницею є 1 Дж/кг.
Значення питомої теплоти визначають експериментально. Найбільшу питому теплоту згоряння має водень , найменшу - порох .
Питома теплота згоряння нафти – 4,4*10 7 Дж/кг. Це означає, що за повного згоряння 1 кг нафти виділяється кількість теплоти 4,4*10 7 Дж. У випадку, якщо маса палива дорівнює m кількість теплоти Q, що виділяється при його повному згорянні, дорівнює добутку питомої теплоти згоряння палива q на його масу:
Q = qm.
Конспект уроку з фізики у 8 класі «Теплові машини. ДВЗ. Питома теплота згоряння».
(рис. 14.1 – Теплотворна
здатність палива)
Зверніть увагу на теплотворну здатність (питому теплоту згоряння) різних видів палива, порівняйте показники. Теплотворна здатність палива характеризує кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні палива масою 1 кг або об'ємом 1 м3 (1 л). Найчастіше теплотворна здатність вимірюється Дж/кг (Дж/м³; Дж/л). Чим вище питома теплота згоряння палива, тим менша його витрата. Тому теплотворна здатність є одним із найбільш значимих характеристик палива.
Питома теплота згоряння кожного виду палива залежить:
- Від його горючих складових (вуглецю, водню, летючої горючої сірки та ін.).
- Від його вологості та зольності.
| Таблиця 4 - Питома теплота згоряння різних енергоносіїв, порівняльний аналіз витрат. | |||||||||
| Вид енергоносія | Теплотворна здатність | Об'ємна щільність речовини (ρ=m/V) | Ціна за одиницю умовного палива | Коеф. корисної дії (ККД) системи опалення, % | Ціна за 1 кВт·год | Реалізовані системи | |||
| МДж | кВт·год | ||||||||
| (1Мдж = 0.278кВт · год) | |||||||||
| Електрика | - | 1,0 кВт · год | - | 3,70 грн. за кВт·год | 98% | 3,78р. | Опалення, гаряче водопостачання (ГВП), кондиціювання, приготування їжі | ||
| Метан (CH4, температура кипіння: -161,6 °C) | 39,8 МДж/м³ | 11,1 кВт·год/м³ | 0,72 кг/м³ | 5,20 грн. за м³ | 94% | 0,50 грн. | |||
| Пропан (C3H8, температура кипіння: -42.1 °C) | 46,34 МДж/кг | 23,63 МДж/л | 12,88 кВт·год/кг | 6,57 кВт·год/л | 0,51 кг/л | 18,00 грн. за л | 94% | 2,91р. | Опалення, гаряче водопостачання (ГВП), приготування їжі, резервне та постійне електропостачання, автономний септик (каналізація), вуличні інфрачервоні обігрівачі, вуличні барбекю, каміни, лазні, дизайнерське освітлення |
| Бутан C4H10, температура кипіння: -0,5 °C) | 47,20 МДж/кг | 27,38 МДж/л | 13,12 кВт·год/кг | 7,61 кВт·год/л | 0,58 кг/л | 14,00 грн. за л | 94% | 1,96р. | Опалення, гаряче водопостачання (ГВП), приготування їжі, резервне та постійне електропостачання, автономний септик (каналізація), вуличні інфрачервоні обігрівачі, вуличні барбекю, каміни, лазні, дизайнерське освітлення |
| Пропан-бутан (ЗВГ - скраплений вуглеводневий газ) | 46,8 МДж/кг | 25,3 МДж/л | 13,0 кВт·год/кг | 7,0 кВт·год/л | 0,54 кг/л | 16,00 грн. за л | 94% | 2,42р. | Опалення, гаряче водопостачання (ГВП), приготування їжі, резервне та постійне електропостачання, автономний септик (каналізація), вуличні інфрачервоні обігрівачі, вуличні барбекю, каміни, лазні, дизайнерське освітлення |
| Дизельне паливо | 42,7 МДж/кг | 11,9 кВт·год/кг | 0,85 кг/л | 30,00 грн. за кг | 92% | 2,75р. | Опалення (нагрів води та вироблення електрики - дуже затратні) | ||
| Дрова (березові, вологість – 12%) | 15,0 МДж/кг | 4,2 кВт·год/кг | 0,47-0,72 кг/дм³ | 3,00 грн. за кг | 90% | 0,80 грн. | Опалення (незручно готувати їжу, практично неможливо отримувати гарячу воду) | ||
| Кам'яне вугілля | 22,0 МДж/кг | 6,1 кВт·год/кг | 1200-1500 кг/м³ | 7,70 грн. за кг | 90% | 1,40 грн. | Опалення | ||
| МАРР газ (суміш зрідженого нафтового газу - 56% з метилацетилен-пропадієном - 44%) | 89,6 МДж/кг | 24,9 кВт·год/м³ | 0,1137 кг/дм³ | -Р. за м³ | 0% | Опалення, гаряче водопостачання (ГВП), приготування їжі, резервне та постійне електропостачання, автономний септик (каналізація), вуличні інфрачервоні обігрівачі, вуличні барбекю, каміни, лазні, дизайнерське освітлення | |||
(Мал. 14.2 - Питома теплота згоряння)
Відповідно до таблиці «Питома теплота згоряння різних енергоносіїв, порівняльний аналіз витрат», пропан-бутан (скраплений вуглеводневий газ) поступається в економічній вигоді та перспективності використання лише природного газу (метану). Однак слід звернути увагу на тенденцію до неминучого зростання вартості магістрального газу, яка нині суттєво занижена. Аналітики пророкують неминучу реорганізацію галузі, яка призведе до суттєвого подорожчання природного газу, можливо навіть перевищить вартість дизельного палива.
Таким чином, скраплений вуглеводневий газ, вартість якого практично не зміниться, залишається виключно перспективним – оптимальним рішенням для систем автономної газифікації.
У цьому уроці ми навчимося розраховувати кількість теплоти, що виділяє паливо під час згоряння. Крім того, розглянемо характеристику палива – питому теплоту згоряння.
Оскільки все наше життя засноване на русі, а рух здебільшого заснований на згорянні палива, то вивчення цієї теми дуже важливе для розуміння теми «Теплові явища».
Після вивчення питань, пов'язаних з кількістю теплоти та питомою теплоємністю, перейдемо до розгляду кількості теплоти, що виділяється при спалюванні палива.
Визначення
Паливо- Речовина, яка в деяких процесах (горіння, ядерні реакції) виділяє тепло. Є джерелом енергії.
Паливо буває твердим, рідким та газоподібним(Рис. 1).
Мал. 1. Види палива
- До твердих видів палива відносять вугілля та торф.
- До рідких видів палива відносять нафту, бензин та інші нафтопродукти.
- До газоподібних видів палива відносять природний газ.
- Окремо можна виділити дуже поширене останнім часом ядерне паливо.
Згоряння палива – це хімічний процес, який є окисним. При згорянні атоми вуглецю з'єднуються з атомами кисню утворюючи молекули. Внаслідок цього виділяється енергія, яку і використовує людина у своїх цілях (рис. 2).
Мал. 2. Утворення вуглекислого газу
Для характеристики палива використовується така характеристика, як теплотворність. Теплотворність показує, скільки теплоти виділяється при згорянні палива (рис. 3). У фізиці теплотворності відповідає поняття питомої теплоти згоряння речовини.
Мал. 3. Питома теплота згоряння
Визначення
Питома теплота згоряння- фізична величина, що характеризує паливо, чисельно дорівнює кількості теплоти, що виділяється за повного згоряння палива.
Питому теплоту згоряння прийнято позначати буквою. Одиниці виміру:
У одиницях виміру відсутня , оскільки згоряння палива відбувається за незмінної температурі.
Питома теплота згоряння визначається дослідним шляхом з допомогою складних приладів. Проте задля вирішення завдань існують спеціальні таблиці. Нижче наведемо значення питомої теплоти згоряння деяких видів палива.
|
Речовина |
|
Таблиця 4. Питома теплота згоряння деяких речовин
З наведених величин видно, що з згорянні виділяється дуже багато теплоти, тому використовуються одиниці виміру (мегаджоули) і (гигаджоули).
Для обчислення кількості теплоти, що виділяється при згорянні палива, використовується така формула:
Тут: - Маса палива (кг), - Питома теплота згоряння палива ().
Наприкінці зауважимо, що більшість палива, що використовується людством, запасена за допомогою сонячної енергії. Вугілля, нафта, газ - усе це утворилося Землі завдяки впливу Сонця (рис. 4).
Мал. 4. Утворення палива
На наступному уроці ми поговоримо про закон збереження та перетворення енергії у механічних та теплових процесах.
Списоклітератури
- Генденштейн Л.Е, Кайдалов А.Б., Кожевніков В.Б. / За ред. Орлова В.А., Ройзена І.І. Фізика 8. – М.: Мнемозіна.
- Перишкін А.В. Фізика 8. – М.: Дрофа, 2010.
- Фадєєва А.А., Засов А.В., Кисельов Д.Ф. Фізика 8. - М: Просвітництво.
- Інтернет-портал «festival.1september.ru» ()
- Інтернет-портал «school.xvatit.com» ()
- Інтернет-портал «stringer46.narod.ru» ()
Домашнє завдання
Коли певна кількість палива згоряє, виділяється кількість теплоти. Згідно з Міжнародною системою одиниць величина виражається в Джоулях на кг або м 3 . Але параметри можуть бути розраховані і в ккал або кВт. Якщо значення співвідноситься з одиницею виміру палива, воно називається питомим.
На що впливає теплотворність різного палива? Яке значення показника для рідких, твердих та газоподібних речовин? Відповіді на зазначені питання докладно викладено у статті. Крім того, ми підготували таблицю з відображенням питомої теплоти згоряння матеріалів – ця інформація стане в нагоді при виборі високоенергетичного типу палива.
Виділення енергії при горінні має характеризуватись двома параметрами: високим ККД та відсутністю вироблення шкідливих речовин.
Штучне паливо виходить у процесі переробки природного – . Незалежно від агрегатного стану речовини у своєму хімічному складі мають горючу та негорючу частину. Перша - це вуглець та водень. Друга складається із води, мінеральних солей, азоту, кисню, металів.
За агрегатним станом паливо ділиться на рідке, тверде та газ. Кожна група додатково розгалужується на природну та штучну підгрупу (+)
При згорянні 1 кг такої суміші виділяється різна кількість енергії. Скільки саме цієї енергії виділиться, залежить від пропорцій зазначених елементів – паливної частини, вологості, зольності та інших компонентів.
Теплота згоряння палива (ТСТ) формується з двох рівнів – вищого та нижчого. Перший показник виходить через конденсацію води, у другому цей фактор не враховується.
Нижча ТСТ потрібна для розрахунків потреби в пальному та його вартості, за допомогою таких показників складаються теплові баланси та визначається ККД працюючих на паливі установок.
Обчислити ТСТ можна аналітично чи експериментально. Якщо хімічний склад пального відомий, застосовується формула Менделєєва. Експериментальні методики ґрунтуються на фактичному вимірі теплоти при згорянні палива.
У цих випадках застосовують спеціальну бомбу для спалювання – калориметричну разом із калориметром та термостатом.
Особливості розрахунків індивідуальні кожному за виду палива. Приклад: ТСТ у двигунах внутрішнього згоряння розраховується від нижчого значення, тому що в циліндрах рідина не конденсується.
Параметри рідких речовин
Рідкі матеріали, як і тверді, розкладаються такі складові: вуглець, водень, сірку, кисень, азот. Відсоткове співвідношення виражається за масою.
З кисню та азоту утворюється внутрішній органічний баласт палива, ці компоненти не горять та включені до складу умовно. Зовнішній баласт формується із вологи та золи.
Висока питома теплота згоряння спостерігається у бензину. Залежно від марки вона становить 43-44 МДж.
Подібні показники питомої теплоти згоряння визначаються й у авіаційної гасу – 42,9 МДж. До категорії лідерів за значенням теплотворної здатності потрапляє і дизельне паливо – 43,4-43,6 МДж.
Відносно низькими значеннями ТСТ характеризуються рідке ракетне пальне, етиленгліколь. Мінімальною питомою теплотою згоряння відрізняються спирт та ацетон. Їхні показники істотно нижчі, ніж у традиційного моторного палива.
Властивості газоподібного палива
Газоподібне паливо складається з оксиду вуглецю, водню, метану, етану, пропану, бутану, етилену, бензолу, сірководню та інших компонентів. Ці показники виражаються у відсотках за обсягом.
Найбільшою теплотою згоряння відрізняється водень. Згоряючи, кілограм речовини виділяє 119,83 МДж тепла. Але воно відрізняється підвищеним ступенем вибухонебезпечності
Високі показники теплотворної здатності спостерігаються й у газу.
Вони дорівнюють 41-49 МДж на кг. Але, наприклад, у чистого метану теплота згоряння більша – 50 МДж на кг.
Порівняльна таблиця показників
У таблиці подано значення масової питомої теплоти згоряння рідких, твердих, газоподібних різновидів палива.
| Вид палива | Од. змін. | Питома теплота згоряння | ||
| МДж | кВт | кКал | ||
| Дрова: дуб, береза, ясен, бук, граб | кг | 15 | 4,2 | 2500 |
| Дрова: модрина, сосна, ялина | кг | 15,5 | 4,3 | 2500 |
| Вугілля буре | кг | 12,98 | 3,6 | 3100 |
| Вугілля кам'яне | кг | 27,00 | 7,5 | 6450 |
| Вугілля деревне | кг | 27,26 | 7,5 | 6510 |
| Антрацит | кг | 28,05 | 7,8 | 6700 |
| Пелети дерев'яні | кг | 17,17 | 4,7 | 4110 |
| Пеллета солом'яна | кг | 14,51 | 4,0 | 3465 |
| Пеллета з соняшника | кг | 18,09 | 5,0 | 4320 |
| Тирса | кг | 8,37 | 2,3 | 2000 |
| Папір | кг | 16,62 | 4,6 | 3970 |
| Виноградна лоза | кг | 14,00 | 3,9 | 3345 |
| Природний газ | м 3 | 33,5 | 9,3 | 8000 |
| Скраплений газ | кг | 45,20 | 12,5 | 10800 |
| Бензин | кг | 44,00 | 12,2 | 10500 |
| Диз. паливо | кг | 43,12 | 11,9 | 10300 |
| Метан | м 3 | 50,03 | 13,8 | 11950 |
| Водень | м 3 | 120 | 33,2 | 28700 |
| Гас | кг | 43.50 | 12 | 10400 |
| Мазут | кг | 40,61 | 11,2 | 9700 |
| Нафта | кг | 44,00 | 12,2 | 10500 |
| Пропан | м 3 | 45,57 | 12,6 | 10885 |
| Етилен | м 3 | 48,02 | 13,3 | 11470 |
З таблиці видно, що найбільші показники ТСТ з усіх речовин, а не тільки газоподібних, має водень. Він відноситься до високоенергетичних видів палива.
Продукт згоряння водню – звичайна вода. У процесі не виділяється топкові шлаки, зола, чадний та вуглекислий газ, що робить речовину екологічно чистою пальним. Але воно вибухонебезпечне та відрізняється низькою щільністю, тому таке паливо складно зріджується та транспортується.
Висновки та корисне відео на тему
Про теплотворність різних порід дерева. Порівняння показників для м 3 і кг.
ТСТ - найважливіша теплова та експлуатаційна характеристика пального. Цей показник використовується у різних сферах людської діяльності: теплових двигунах, електростанціях, промисловості, при обігріві житла та приготуванні їжі.
Значення теплотворності допомагають порівняти різні види палива за ступенем енергії, що виділяється, розрахувати необхідну масу пального, заощадити на витратах.
Є, що доповнити, чи виникли питання щодо теми теплотворності різних видів палива? Можете залишати коментарі до публікації та брати участь в обговореннях – форма для зв'язку знаходиться у нижньому блоці.