Удельная теплота сгорания топлива и горючих материалов.

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.

Важная теплотехническая характеристика топлива – его удельная теплота сгорания.

Удельной теплотой сгорания топлива

Различают удельную высшую и низшую теплоту сгорания. Удельная теплота сгорания рабочего топлива с учетом дополнительной теплоты, которая выделяется при конденсации водяных паров, находящихся а продуктах сгорания, называется высшей удельной теплотой сгорания рабочего топлива . Это дополнительное количество теплоты можно определить путем умножения массы водяных паров, образующихся от испарения влаги топлива /100 и от горения водорода9 /100 , на скрытую теплоту конденсации водяного пара, равную примерно 2500 кДж/кг.

Удельная низшая теплота сгорания топлива – то количество теплоты, которая выделяется в обычных практических условиях, т.е. когда водяные пары не конденсируются, а выбрасываются в атмосферу.

Таким образом связь между высшей и низшей удельной теплотой сгорания может быть выражена уравнением - = =25(9 ).

64. Условное топливо.

Топливом называется любое вещество, которое при сгорании (окислении) выделяется значительное количество теплоты на единицу массы или объёма и доступно для массового использования.

В качестве топлива применяют природные и производные органические соединения в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Любое органическое топливо состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, летучей серы, а твердые и жидкие топлива - из золы (минеральные остатки) и влаги.

Важная теплотехническая характеристика топлива – его удельная теплота сгорания.

Удельной теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы количества вещества топлива.

Чем меньше удельная теплота сгорания топлива, тем больше его расходуется в котельном агрегате. Для сравнения различных видов топлива по их тепловому эффекту введено понятие об условном топливе, удельная теплота сгорания которого принята =29,3 МДж/кг.

Отношение Q Н Р данного топлива к Q уд условного топлива называется эквивалентом Э. Тогда пересчет расхода натурального топлива В Н в условное топливо В УТ осуществляется по формуле:

Условное топливо - принятая при расчетах единица учёта органического топлива, то есть нефти и ее производных, природного и специально получаемого при перегонке сланцев и каменного угля, газа, торфа – которая используется для счисления полезного действия различных видов топлива в их суммарном учёте.

В СССР и России за единицу условного топлива (у.т.) принималась теплотворная способность 1 кг каменного угля = 29,3 МДж или 7000 ккал.Международное энергетическое агентство (IEA ) приняло за единицу нефтяной эквивалент, обычно обозначаемый аббревиатурой TOE (англ. Tonne of oil equivalent ). Одна тонна нефтяного эквивалента равняется 41,868 ГДж или 11,63 МВт·ч. Применяется также единица - баррель нефтяного эквивалента (BOE ).

65. Коэффициент избытка воздуха.

Число, показывающее, во сколько раз действительный рас­ход воздуха больше теоретически необходимого количества воз­духа, называется коэффициентом избытка воздуха, т. е. дейст­вительный расход воздуха L (в кг/кг) или V (м 3 /м 3) равен тео­ретически необходимому его количеству L o или V o > умноженно­му на коэффициент избытка воздуха а

V = aV 0 .

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.

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

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Интернет-портал «festival.1september.ru» ()
2. Интернет-портал «school.xvatit.com» ()
3. Интернет-портал «stringer46.narod.ru» ()

Домашнее задание

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.

Кроме основных компонентов, уголь содержит различные негорючие золообразующие добавки, «породу». Зола загрязняет окружающую среду и спекается в шлак на колосниках, что затрудняет горение угля. Кроме того, наличие породы уменьшает удельную теплоту сгорания угля. В зависимости от сорта и условий добычи количество минеральных веществ различается очень сильно, зольность каменного угля около 15% (10–20%).
Еще один вредный компонент угля - сера . В процессе сгорания серы образуются окислы, которые в атмосфере превращаются в серную кислоту. Содержание серы в угле, который мы поставляем покупателям через сеть своих представителей, около 0,5%, это весьма низкое значение, значит, экологию Вашего дома удастся сохранить.
Основной показатель любого топлива - удельная теплота сгорания . Для угля этот показатель составляет:

Указанные цифры относятся к угольному концентрату. Реальные цифры могут существенно отличаться. Так, для рядового каменного угля, который можно купить на угольных складах, указывается значение 5000-5500 ккал/кг. Мы в своих расчетах используем 5300 ккал/кг.
Плотность угля от 1 до 1,7 (каменный уголь - 1,3–1,4) г/см 3 в зависимости от вида и содержания минеральных веществ. В технике используют также «насыпную плотность», она составляет около 800-1 000 кг/м 3 .

Виды и сорта угля

Уголь классифицируется по многим параметрам (география добычи, химический состав), но с «бытовой» точки зрения, покупая уголь для использования в печах, достаточно разобраться в маркировке и возможности использования в Термороботе.

По степени углефикации выделяют три вида угля: бурый , каменный и антрацит. Используют следующую систему обозначений угля: Сорт = (марка) + (класс крупности).

Кроме основных марок, приведенных в таблице, выделяют также промежуточные марки каменного угля: ДГ (длиннопламенно-газовые), ГЖ (газовые жирные), КЖ (коксовые жирные), ПА (полуантрациты), бурые угли также делятся по группам.
Коксующиеся марки угля (Г, кокс, Ж, К, ОС) в теплоэнергетике практически не используются, так как они являются дефицитным сырьем для коксохимической промышленности.
По классу крупности (размеру кусков, фракции) сортовой каменный уголь подразделяется на:

Кроме сортового угля в продаже присутствуют совмещенные фракции и отсевы (ПК, КО, ОМ, МС, СШ, МСШ, ОМСШ). Размер угля определяют исходя из меньшего значения самой мелкой фракции и большего значения самой крупной фракции, указанных в названии марки угля.
Например, фракция ОМ (М - 13–25, О - 25-50) составляет 13–50 мм.

Кроме указанных сортов угля в продаже можно встретить угольные брикеты, которые прессуют из низкообогащенного угольного шлама.

Как горит уголь

Уголь состоит из двух горючих компонентов: летучие вещества и твердый (коксовый) остаток .

На первом этапе горения выделяются летучие вещества; при избытке кислорода они быстро сгорают, давая длинное пламя, но малое количество тепла.

После этого выгорает коксовый остаток; интенсивность его горения и температура воспламенения зависит от степени углефикации, то есть, от вида угля (бурый, каменный, антрацит).
Чем выше степень углефикации (самая высокая она у антрацита), тем выше температура воспламенения и теплота сгорания, но ниже интенсивность горения.

Уголь марок Д, Г

Из-за высокого содержания летучих веществ такой уголь быстро разгорается и быстро сгорает. Уголь этих марок доступен и пригоден практически для всех видов котлов, однако для полного сгорания этот уголь должен подаваться маленькими порциями, чтобы выделяющиеся летучие вещества успевали полностью соединяться с кислородом воздуха. Полное сгорание угля характеризуется желтым пламенем и прозрачными дымовыми газами; неполное сгорание летучих веществ дает багровое пламя и чёрный дым.
Для эффективного сжигания такого угля процесс должен постоянно контролироваться, такой режим работы реализован в автоматической котельной Терморобот.

Уголь марок А

Разжечь его труднее, зато он горит долго и выделяет намного больше тепла. Уголь можно загружать большими партиями, так как в них горит преимущественно коксовый остаток, нет массового выделения летучих веществ. Очень важен режим поддува, так как при недостатке воздуха горение происходит медленно, возможно его прекращение, либо, напротив, чрезмерное повышение температуры, приводящее к уносу тепла и прогоранию котла.