Удельная теплота сгорания воздуха. Теплотворная способность различных видов топлива: дров, угля, пеллетов, брикетов

5.ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ГОРЕНИЯ

Рассмотрим методы расчета теплового баланса процесса горения газообразных, жидких и твердых топлив. Расчет сводится к решению следующих задач.

· Определение теплоты горения (теплотворной способности) топлива.

· Определение теоретической температуры горения.

5.1. ТЕПЛОТА ГОРЕНИЯ

Химические реакции сопровождаются выделением или поглощением теплоты. При выделении теплоты реакция называется экзотермической, а при поглощении – эндотермической. Все реакции горения являются экзотермическими, а продукты горения относятся к экзотермическим соединениям.

Выделяемая (или поглощаемая) при протекании химической реакции теплота называется теплотой реакции. В экзотермических реакциях она положительна, в эндотермических – отрицательна. Реакция горения всегда сопровождается выделением теплоты. Теплотой горения Q г (Дж/моль) называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании одного моля вещества и превращении горючего вещества в продукты полного горения. Моль является основной единицей количества вещества в системе СИ. Один моль – это такое количество вещества, в котором находится столько же частиц (атомов, молекул и т.д.), сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода–12. Масса количества вещества, равного 1 молю (молекулярная или молярная масса) численно совпадает с относительной молекулярной массой данного вещества.

Например, относительная молекулярная масса кислорода (O 2) равна 32, углекислого газа (CO 2) равна 44, а соответствующие молекулярные массы будут равны M =32 г/моль и M =44 г/моль. Таким образом, в одном моле кислорода содержится 32 грамма этого вещества, а в одном моле CO 2 содержится 44 грамма углекислого газа.

В технических расчетах чаще используется не теплота горения Q г , а теплотворная способность топлива Q (Дж/кг или Дж/м 3). Теплотворной способностью вещества называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 м 3 вещества. Для жидких и твердых веществ расчет проводится на 1 кг, а для газообразных – на 1 м 3 .

Знание теплоты горения и теплотворной способности топлива необходимо для расчета температуры горения или взрыва, давления при взрыве, скорости распространения пламени и других характеристик. Теплотворная способность топлива определяется либо экспериментальным, либо расчетным способами. При экспериментальном определении теплотворной способности заданная масса твердого или жидкого топлива сжигается в калориметрической бомбе, а в случае газообразного топлива – в газовом калориметре. С помощью этих приборов измеряется суммарная теплота Q 0 , выделяющаяся при сгорании навески топлива массой m . Величина теплотворной способности Q г находится по формуле

Связь между теплотой горения и
теплотворной способностью топлива

Для установления связи между теплотой горения и теплотворной способностью вещества необходимо записать уравнение химической реакции горения.

Продуктом полного горения углерода является диоксид углерода:

С+О 2 →СО 2 .

Продуктом полного горения водорода является вода:

2Н 2 +О 2 →2Н 2 О.

Продуктом полного горения серы является диоксид серы:

S +О 2 →SO 2 .

При этом выделяются в свободном виде азот, галоиды и другие негорючие элементы.

Горючее вещество – газ

В качестве примера проведем расчет теплотворной способности метана CH 4 , для которого теплота горения равна Q г =882.6 .

· Определим молекулярную массу метана в соответствии с его химической формулой (СН 4):

М=1∙12+4∙1=16 г/моль.

· Определим теплотворную способность 1 кг метана:

· Найдем объем 1 кг метана, зная его плотность ρ=0.717 кг/м 3 при нормальных условиях:

.

· Определим теплотворную способность 1 м 3 метана:

Аналогично определяется теплотворная способность любых горючих газов. Для многих распространенных веществ значения теплоты горения и теплотворной способности были измерены с высокой точностью и приведены в соответствующей справочной литературе. Приведем таблицу значений теплотворной способности некоторых газообразных веществ (табл. 5.1). Величина Q в этой таблице приведена в МДж/м 3 и в ккал/м 3 , поскольку часто в качестве единицы теплоты используется 1 ккал = 4.1868 кДж.

Таблица 5.1

Теплотворная способность газообразных топлив

Горючее вещество – жидкость или твердое тело

В качестве примера проведем расчет теплотворной способности этилового спирта С 2 Н 5 ОН, для которого теплота горения Q г = 1373.3 кДж/моль.

· Определим молекулярную массу этилового спирта в соответствии с его химической формулой (С 2 Н 5 ОН):

М = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 г/моль.

· Определим теплотворную способность 1 кг этилового спирта:

Аналогично определяется теплотворная способность любых жидких и твердых горючих. В табл. 5.2 и 5.3 приведены значения теплотворной способности Q (МДж/кг и ккал/кг) для некоторых жидких и твердых веществ.

Таблица 5.2

Теплотворная способность жидких топлив

Таблица 5.3

Теплотворная способность твердых топлив

Формула Менделеева

Если теплотворная способность топлива неизвестна, то ее можно рассчитать с помощью эмпирической формулы, предложенной Д.И. Менделеевым. Для этого необходимо знать элементарный состав топлива (эквивалентную формулу топлива), то есть процентное содержание в нем следующих элементов:

Кислорода (О);

Водорода (Н);

Углерода (С);

Серы (S );

Золы (А);

Воды (W ).

В продуктах сгорания топлив всегда содержатся пары воды, образующиеся как из-за наличия влаги в топливе, так и при сгорании водорода. Отработанные продукты сгорания покидают промышленную установку при температуре выше температуры точки росы. Поэтому тепло, которое выделяется при конденсации водяных паров, не может быть полезно использовано и не должно учитываться при тепловых расчетах.

Для расчета обычно применяется низшая теплотворная способность Q н топлива, которая учитывает тепловые потери с парами воды. Для твердых и жидких топлив величина Q н (МДж/кг) приближенно определяется по формуле Менделеева:

Q н =0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)

где в скобках указано процентное (масс. %) содержание соответствующих элементов в составе топлива.

В этой формуле учитывается теплота экзотермических реакций горения углерода, водорода и серы (со знаком «плюс»). Кислород, входящий в состав топлива, частично замещает кислород воздуха, поэтому соответствующий член в формуле (5.1) берется со знаком «минус». При испарении влаги теплота расходуется, поэтому соответствующий член, содержащий W , берется также со знаком «минус».

Сравнение расчетных и опытных данных по теплотворной способности разных топлив (дерево, торф, уголь, нефть) показало, что расчет по формуле Менделеева (5.1) дает погрешность, не превышающую 10%.

Низшая теплотворная способность Q н (МДж/м 3) сухих горючих газов с достаточной точностью может быть рассчитана как сумма произведений теплотворной способности отдельных компонентов и их процентного содержания в 1 м 3 газообразного топлива.

Q н = 0.108[Н 2 ] + 0.126[СО] + 0.358[СН 4 ] + 0.5[С 2 Н 2 ] + 0.234[Н 2 S ]…, (5.2)

где в скобках указано процентное (объем. %) содержание соответствующих газов в составе смеси.

В среднем теплотворная способность природного газа составляет примерно 53.6 МДж/м 3 . В искусственно получаемых горючих газах содержание метана СН 4 незначительно. Основными горючими составляющими являются водород Н 2 и оксид углерода СО. В коксовальном газе, например, содержание Н 2 доходит до (55 ÷ 60)%, а низшая теплотворная способность такого газа достигает 17.6 МДж/м 3 . В генераторном газе содержание СО ~ 30% и Н 2 ~15%, при этом низшая теплотворная способность генераторного газа Q н = (5.2÷6.5) МДж/м 3 . В доменном газе содержание СО и Н 2 меньше; величина Q н = (4.0÷4.2) МДж/м 3 .

Рассмотрим примеры расчета теплотворной способности веществ по формуле Менделеева.

Определим теплотворную способность угля, элементный состав которого приведен в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Элементный состав угля

· Подставим приведенные в табл. 5.4 данные в формулу Менделеева (5.1) (азот N и зола A в эту формулу не входят, поскольку являются инертными веществами и не участвуют в реакции горения):

Q н =0.339∙37.2+1.025∙2.6+0.1085∙0.6–0.1085∙12–0.025∙40=13.04 МДж/кг.

Определим количество дров, необходимое для нагрева 50 литров воды от 10° С до 100° С, если на нагревание расходуется 5% теплоты, выделяемой при горении, а теплоемкость воды с =1 ккал/(кг∙град) или 4.1868 кДж/(кг∙град). Элементный состав дров приведен в табл. 5.5:

Таблица 5.5

Элементный состав дров

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;

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.

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

Различные виды топлива (твёрдое, жидкое и газообразное) характеризуются общими и специфическими свойствами. К общим свойствам топлива относятся удельная теплота сгорания и влажность, к специфическим - зольность, сернистость (содержание серы), плотность, вязкость и другие свойства.

Удельная теплота сгорания топлива - это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании \(1\) кг твёрдого или жидкого топлива или \(1\) м³ газообразного топлива.

Энергетическая ценность топлива в первую очередь определяется его удельной теплотой сгорания.

Удельная теплота сгорания обозначается буквой \(q\). Единицей удельной теплоты сгорания является \(1\) Дж/кг для твёрдого и жидкого топлива и \(1\) Дж/м³ для газообразного топлива.

Удельную теплоту сгорания на опыте определяют довольно сложными методами.

Таблица 2. Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива.

Твёрдое топливо

Жидкое топливо

Газообразное топливо

(при нормальных условиях)

Из этой таблицы видно, что наибольшей является удельная теплота сгорания водорода, она равна \(120\) МДж/м³. Это значит, что при полном сгорании водорода объёмом \(1\) м³ выделяется \(120\) МДж \(=\)\(120\) ⋅ 10 6 Дж энергии.

Водород - один из высокоэнергетических видов топлива. Кроме того, продуктом сгорания водорода является обычная вода, в отличие от других видов топлива, где продуктами сгорания являются углекислый и угарный газы, зола и топочные шлаки. Это делает водород экологически наиболее чистым топливом.

Однако газообразный водород взрывоопасен. К тому же он имеет самую малую плотность в сравнении с другими газами при равной температуре и давлении, что создаёт сложности со сжижением водорода и его транспортировкой.

Общее количество теплоты \(Q\), выделяемое при полном сгорании \(m\) кг твёрдого или жидкого топлива, вычисляется по формуле:

Общее количество теплоты \(Q\), выделяемое при полном сгорании \(V\) м³ газообразного топлива, вычисляется по формуле:

Влажность (содержание влаги) топлива снижает его теплоту сгорания, так как увеличивается расход теплоты на испарение влаги и увеличивается объём продуктов сгорания (из-за наличия водяного пара).
Зольность - это количество золы, образующейся при сгорании минеральных веществ, содержащихся в топливе. Минеральные вещества, содержащиеся в топливе, понижают его теплоту сгорания, так как уменьшается содержание горючих компонентов (основная причина) и увеличивается расход тепла на нагрев и плавление минеральной массы.
Сернистость (содержание серы) относится к отрицательному фактору топлива, так как при его сгорании образуются сернистые газы, загрязняющие атмосферу и разрушающие металл. Кроме того, сера, содержащаяся в топливе, частично переходит в выплавляемый металл, сваренную стекломассу, снижая их качество. Например, для варки хрустальных, оптических и других стёкол нельзя использовать топливо, содержащее серу, так как сера значительно понижает оптические свойства и колер стекла.