Энергия топлива. Удельная теплота сгорания топлива

Ключевые слова: топливо, горение, удельная теплота сгорания.

На этом уроке вы:

• изучите процесс выделения теплоты при сгорании топлива;
• научитесь рассчитывать количество теплоты, выделяемое при горении топлива.

Энергия топлива. Из опыта повседневной жизни вы хорошо знакомы с понятием «топливо». Для изготовления пищи мы используем горение газа, для обогрева помещений, для выработки электроэнергии могут быть использованы газ или уголь.

Топливо — это горючее вещество, при сгорании которого выделяется достаточно большое количество тепловой энергии.

Все виды топлива можно разделить на твердые (уголь, дерево, торф), жидкие (нефть, бензин, мазут, керосин) и газообразные (природный газ) (рис. 8.1, а, б, в).

Рис. 8.1. а) твердое топливо (уголь, дрова, торф); б) жидкое топливо (АЗС); в) газообразное топливо (пропан)

Сгорание топлива — это окислительная химическая реакция, при протекании которой атом углерода C соединяется с двумя атомами кислорода O, образуя молекулу углекислого газа CO₂ (рис. 8.2).

Этот процесс сопровождается выделением теплоты.

Определим, от чего зависит количество теплоты, выделяемой при сгорании топлива.

1. Очевидно, что чем больше топлива мы сжигаем, тем больше теплоты выделяется: $Q \sim m$.
2. Количество теплоты, выделяемое при сжигании 1 кг дерева, отличается от количества теплоты, которое выделяется при сжигании 1 кг угля или нефти, значит, оно зависит от рода вещества.

Рис. 8.2

Величину, определяющую теплотворную способность топлива, называют удельной теплотой сгорания:

$$Q \sim q.$$

Объединив два рассмотренных пункта, запишем:

$$Q = qm. \qquad (8.1)$$

Отсюда

$$q = \frac{Q}{m}. \qquad (8.2)$$

Величина, равная количеству теплоты, выделившейся при полном сгорании 1 кг топлива, называется удельной теплотой сгорания топлива.

Из формулы (8.2) следует, что единицей измерения удельной теплоты сгорания в системе СИ: $[q] = \left[\dfrac{\text{Дж}}{\text{кг}}\right]$.

Приведем значения удельной теплоты сгорания различных видов топлива и некоторых веществ (табл. 8.1).

Таблица 8.1

Вещество	q, МДж/кг	Вещество	q, МДж/кг
Древесный уголь	29,7	Природный газ	44
Бурый уголь (Торгайский)	27–29	Каменный уголь (Карагандинский)	33,5
Дрова сухие	8,3	Кокс	30,3
Торф	15,0	Порох	3,0
Бензин	46,0	Мазут	40,0
Дизельное топливо	42,0	Спирт этиловый	27,0
Керосин	46,0	Водород	120,0

Это интересно! Наша страна располагает богатейшими топливно-энергетическими запасами. Приведем некоторые данные.

Нефть. Объем доказанных запасов нефти составляет 3,2% от общемировых запасов. Запасы нефти и газа сосредоточены в Атырауской, Мангыстауской, Актюбинской и Западно-Казахстанской областях.

Природный газ. Газовые запасы Казахстана оцениваются в ~1,82 трлн. м³, что составляет 1,7% от мировых запасов.

Уголь. Запасы угля в Казахстане оцениваются в 162 млрд. т, ежегодно добывается около 100 млн. т угля. Большинство месторождений каменного угля расположено в Карагандинской, Павлодарской и Костанайской областях. Наибольшее значение имеет Карагандинский угольный бассейн. Карагандинский уголь коксуется, и его качество очень высокое. Общий запас угля — 45 млрд. т.

В настоящее время самыми распространенными источниками энергии являются выше перечисленные органические виды топлива. При их сгорании в значительном количестве выделяются вредные вещества, такие как углекислый газ, зола, шлаки, металлы и их соли, хлор, оксиды серы, различные органические соединения и т. д. Все это загрязняет атмосферу, почву, воду, наносит значительный вред здоровью людей, ухудшает экологию. Особенно остро стоит экологическая проблема больших городов. Поэтому охрана окружающей среды, поиск экологически чистых видов топлива в наше время являются актуальными.

Вопросы

1. Какое вещество называется топливом?
2. От каких величин зависит количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива?
3. Что такое удельная теплота сгорания топлива?
4. Расскажите о топливно-энергетических запасах Казахстана.
5. Пользуясь таблицей 8.1, ответьте, какой вид топлива наилучший? Почему вы так думаете?

Творческая мастерская

Проведите исследование и выясните, какие виды топлива и для каких целей используются в вашем регионе. Предложите пути снижения загрязнения окружающей среды при сгорании топлива. Напишите краткий рассказ.

Пример решения задачи

Какое количество каменного угля потребуется для нагревания 50 литров воды от 20 °C до температуры 80 °C, если 75% количества теплоты, выделившейся при сгорании угля, расходуется на нагревание воды?

Дано: $V_в = 50$ л ($5 \cdot 10^{-2}$ м³); $t_1 = 20$ °C; $t_2 = 80$ °C; $q = 33{,}5 \cdot 10^6\ \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг}}$; $\eta = 75\%$; $c_в = 4200\ \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot °\text{C}}$; $\rho_в = 1000\ \dfrac{\text{кг}}{\text{м}^3}$. Найти: $m$ — ?

Решение. При сгорании каменного угля массой $m$ выделится количество теплоты: $Q = q \cdot m$.

Из таблицы 8.1 найдем удельную теплоту сгорания каменного угля $q = 33{,}5 \cdot 10^6$ Дж/кг.

Из этого количества теплоты 75% идет на нагревание воды:

$$Q_1 = 0{,}75\,Q. \qquad (1)$$

Количество теплоты, необходимое для нагревания воды, определим из формулы (7.1):

$$Q_1 = c_в m_в (t_2 - t_1),$$

зная объем воды $V_в$, плотность $\rho_в$, найдем массу воды $m_в = \rho_в \cdot V_в$.

Подставим все в формулу (1):

$$c_в \rho_в V_в (t_2 - t_1) = 0{,}75\,mq,$$

отсюда найдем искомую массу каменного угля:

$$m = \frac{c_в \cdot \rho_в \cdot V_в (t_2 - t_1)}{0{,}75\,q} = \frac{4200\ \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot °\text{C}} \cdot 1000\ \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 5 \cdot 10^{-2}\ \text{м}^3 \cdot (80 - 20)\ °\text{C}}{0{,}75 \cdot 33{,}5 \cdot 10^6\ \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}} = 0{,}5\ \text{кг}.$$

Ответ: $m = 0{,}5$ кг.

Упражнение 3

1. Сколько теплоты выделяется при сгорании сухих дров массой 5 кг? (Ответ: 41,5 МДж)
2. Сколько теплоты выделится при сжигании 2 кг карагандинского угля? (Ответ: 67 МДж)
3. Одинаково ли нагреется печь при сжигании 5 кг сухих дров и 5 кг торфа? Ответ обоснуйте.
4. Сколько сухих дров понадобится для того, чтобы выделилось столько же теплоты, сколько и при сжигании 2 кг торфа? (Ответ: 3,6 кг)
5. На сколько отличается количество теплоты, выделившейся при полном сжигании 3 кг бензина, от количества теплоты, выделившейся при сжигании такого же количества керосина? (Ответ: 0 Дж)