Что означает выражение удельная теплота сгорания топлива
Удельная теплота сгорания
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).
Виды топлива
Человеку очень нужно тепло для всех процессов жизнедеятельности: например, для обогрева жилища, готовки, плавления металлов и получения других видов энергии. Чтобы получать тепло и свет, человек использует топливо. Когда люди впервые добыли огонь, без топлива тоже не обошлось — им послужила древесина.
Топливо — это любое вещество, выделяющее энергию в ходе определенных процессов.
Существует четыре группы видов топлива:
К твердому топливу относятся:
Ископаемые твердые виды топлива, кроме сланцев, являются продуктом разложения органической массы растений. Торф — самый молодой из них, он представляет собой плотную массу, которая образовалась из перегнивших болотных растений. Уже не такие молодые (скажем, средних лет 🤣) бурые угли — это темная однородная масса, которая окисляется и рассыпается на свежем воздухе. Горючие сланцы — полезные ископаемые, дающие смолу. Каменные угли — ребята с повышенной прочностью и небольшой пористостью.
Жидкое топливо — это, например, бензин или нефть. Газообразное — это смесь, содержащая в себе водород и окись углерода.
В горючей части топлива всегда есть углерод, кислород, водород, сера и азот. Кислород в соединении с углеродом или водородом уменьшает тепло, которое выделяется в процессе горения. Азот переходит в продукты сгорания, не окисляясь. Сера — вредная примесь, при сгорании которой выделяется в 4 раза меньше теплоты, чем при сгорании углерода.
Под ядерным топливом обычно имеют в виду изотопы урана — подробнее об этом мы рассказали в статье «Ядерный реактор».
Удельная теплота сгорания топлива
Теплота сгорания топлива определяет количество полностью сгоревшего горючего и полученную при этом процессе энергию. Эта величина определяет энергетическую ценность топлива.
Удельная теплота фигурирует в формуле количества теплоты, выделяемого при сгорании топлива.
Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива
Q — количество теплоты [Дж]
q — удельная теплота сгорания [Дж/м 3 ]
m — масса [кг]
Удельная теплота сгорания — это табличная величина, которая определяется экспериментально достаточно непростыми методами.
Ниже представлены таблицы с некоторыми значениями удельной теплоты сгорания.
Твердое топливо
Вещество
Удельная теплота сгорания,
Удельная теплота сгорания – формула, единицы измерения, обозначение
Человечество в процессе своей эволюции научилось получать тепловую энергию с помощью сжигания разных видов топлива. Простейшим примером можем служить костер из дров, который разжигали первобытные люди, и с тех пор торф, уголь, бензин, нефть, природный газ — все это виды топлива, сжигая которые человек получает тепловую энергию. Так что же такое удельная теплота сгорания?
Откуда берется тепло в процессе горения?
Сам по себе процесс сгорания топлива — это химическая, окислительная реакция. Большинство видов топлива содержит большое количество углерода С, водорода H, серы S и других веществ. Во время горения атомы C, H, и S соединяется с атомами кислорода О2, в результате чего получается молекулы СО, СО2, Н2О, SO2. При этом происходит выделение большого количества тепловой энергии, которую люди научились использовать в своих целях.
Рис. 1. Виды топлива: уголь, торф, нефть, газ.
Основной вклад в выделение тепла дает углерод C. Второй по количеству тепла вклад вносит водород H.
Рис. 2. Атомы углерода вступают в реакцию с атомами кислорода.
Что такое удельная теплота сгорания?
Удельная теплота сгорания q — это физическая величина равная количеству тепла, выделяющегося при полном сгорания 1 кг топлива.
Формула удельной теплоты сгорания выглядит так:
Q — количество тепла, выделившееся в процессе горения топлива, Дж;
m — масса топлива, кг.
Единицей измерения q в интернациональной системе единиц СИ является Дж/кг.
Для обозначения больших величин q часто используются внесистемные единицы энергии: килоджоули (кДж), мегаджоули (МДж) и гигаджоули (ГДж).
Значения q для разных веществ определяют экспериментально.
Зная q, можно вычислить количество тепла Q, которое получится в результате сжигания топлива массой m:
Как измеряют удельную теплоту сгорания
Для измерения q используют приборы, которые называются калориметрами (calor – тепло, metreo – измеряю).
Контейнер с порцией топлива сжигается внутри прибора. Контейнер помещен в воду с известной массой. В результате горения выделившееся тепло нагревает воду. Величина массы воды и изменение ее температуры позволяют вычислить теплоту сгорания. Далее q определяется по вышеприведенной формуле.
Рис. 3. Измерение удельной теплоты сгорания.
Где можно найти значения q
Информацию о величинах удельной теплоты сгорания для конкретных видов топлива можно найти в технических справочниках или в их электронных версиях на интернет-ресурсах. Обычно они приводятся в виде такой таблицы:
Удельная теплота сгорания топлива и горючих материалов
В таблицах представлена массовая удельная теплота сгорания топлива (жидкого, твердого и газообразного) и некоторых других горючих материалов. Рассмотрено такое топливо, как: уголь, дрова, кокс, торф, керосин, нефть, спирт, бензин, природный газ и т. д.
При экзотермической реакции окисления топлива его химическая энергия переходит в тепловую с выделением определенного количества теплоты. Образующуюся тепловую энергию принято называть теплотой сгорания топлива. Она зависит от его химического состава, влажности и является основным показателем топлива. Теплота сгорания топлива, отнесенная на 1 кг массы или 1 м 3 объема образует массовую или объемную удельную теплоты сгорания.
Различают высшую и низшую удельные теплоты сгорания. Высшая теплота сгорания равна максимальному количеству теплоты, выделяемому при полном сгорании топлива, с учетом тепла затраченного на испарение влаги, содержащейся в топливе. Низшая теплота сгорания меньше значения высшей на величину теплоты конденсации водяного пара, который образуется из влаги топлива и водорода органической массы, превращающегося при горении в воду.
Для определения показателей качества топлива, а также в теплотехнических расчетах обычно используют низшую удельную теплоту сгорания, которая является важнейшей тепловой и эксплуатационной характеристикой топлива и приведена в таблицах ниже.
Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)
В таблице представлены значения удельной теплоты сгорания сухого твердого топлива в размерности МДж/кг. Топливо в таблице расположено по названию в алфавитном порядке.
Наибольшей теплотворной способностью из рассмотренных твердых видов топлива обладает коксующийся уголь — его удельная теплота сгорания равна 36,3 МДж/кг (или в единицах СИ 36,3·10 6 Дж/кг). Кроме того высокая теплота сгорания свойственна каменному углю, антрациту, древесному углю и углю бурому.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Антрацит | 26,8…34,8 |
| Древесные гранулы (пиллеты) | 18,5 |
| Дрова сухие | 8,4…11 |
| Дрова березовые сухие | 12,5 |
| Кокс газовый | 26,9 |
| Кокс доменный | 30,4 |
| Полукокс | 27,3 |
| Порох | 3,8 |
| Сланец | 4,6…9 |
| Сланцы горючие | 5,9…15 |
| Твердое ракетное топливо | 4,2…10,5 |
| Торф | 16,3 |
| Торф волокнистый | 21,8 |
| Торф фрезерный | 8,1…10,5 |
| Торфяная крошка | 10,8 |
| Уголь бурый | 13…25 |
| Уголь бурый (брикеты) | 20,2 |
| Уголь бурый (пыль) | 25 |
| Уголь донецкий | 19,7…24 |
| Уголь древесный | 31,5…34,4 |
| Уголь каменный | 27 |
| Уголь коксующийся | 36,3 |
| Уголь кузнецкий | 22,8…25,1 |
| Уголь челябинский | 12,8 |
| Уголь экибастузский | 16,7 |
| Фрезторф | 8,1 |
| Шлак | 27,5 |
Удельная теплота сгорания жидкого топлива (спирта, бензина, керосина, нефти)
Приведена таблица удельной теплоты сгорания жидкого топлива и некоторых других органических жидкостей. Следует отметить, что высоким тепловыделением при сгорании отличаются такие топлива, как: бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и нефть.
Удельная теплота сгорания спирта и ацетона существенно ниже традиционных моторных топлив. Кроме того, относительно низким значением теплоты сгорания обладает жидкое ракетное топливо и этиленгликоль — при полном сгорании 1 кг этих углеводородов выделится количество теплоты, равное 9,2 и 13,3 МДж, соответственно.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Ацетон | 31,4 |
| Бензин А-72 (ГОСТ 2084-67) | 44,2 |
| Бензин авиационный Б-70 (ГОСТ 1012-72) | 44,1 |
| Бензин АИ-93 (ГОСТ 2084-67) | 43,6 |
| Бензол | 40,6 |
| Дизельное топливо зимнее (ГОСТ 305-73) | 43,6 |
| Дизельное топливо летнее (ГОСТ 305-73) | 43,4 |
| Жидкое ракетное топливо (керосин + жидкий кислород) | 9,2 |
| Керосин авиационный | 42,9 |
| Керосин осветительный (ГОСТ 4753-68) | 43,7 |
| Ксилол | 43,2 |
| Мазут высокосернистый | 39 |
| Мазут малосернистый | 40,5 |
| Мазут низкосернистый | 41,7 |
| Мазут сернистый | 39,6 |
| Метиловый спирт (метанол) | 21,1 |
| н-Бутиловый спирт | 36,8 |
| Нефть | 43,5…46 |
| Нефть метановая | 21,5 |
| Толуол | 40,9 |
| Уайт-спирит (ГОСТ 313452) | 44 |
| Этиленгликоль | 13,3 |
| Этиловый спирт (этанол) | 30,6 |
Удельная теплота сгорания газообразного топлива и горючих газов
Представлена таблица удельной теплоты сгорания газообразного топлива и некоторых других горючих газов в размерности МДж/кг. Из рассмотренных газов наибольшей массовой удельной теплотой сгорания отличается водород. При полном сгорании одного килограмма этого газа выделится 119,83 МДж тепла. Также высокой теплотворной способностью обладает такое топливо, как природный газ — удельная теплота сгорания природного газа равна 41…49 МДж/кг (у чистого метана 50 МДж/кг).
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| 1-Бутен | 45,3 |
| Аммиак | 18,6 |
| Ацетилен | 48,3 |
| Водород | 119,83 |
| Водород, смесь с метаном (50% H2 и 50% CH4 по массе) | 85 |
| Водород, смесь с метаном и оксидом углерода (33-33-33% по массе) | 60 |
| Водород, смесь с оксидом углерода (50% H2 50% CO2 по массе) | 65 |
| Газ доменных печей | 3 |
| Газ коксовых печей | 38,5 |
| Газ сжиженный углеводородный СУГ (пропан-бутан) | 43,8 |
| Изобутан | 45,6 |
| Метан | 50 |
| н-Бутан | 45,7 |
| н-Гексан | 45,1 |
| н-Пентан | 45,4 |
| Попутный газ | 40,6…43 |
| Природный газ | 41…49 |
| Пропадиен | 46,3 |
| Пропан | 46,3 |
| Пропилен | 45,8 |
| Пропилен, смесь с водородом и окисью углерода (90%-9%-1% по массе) | 52 |
| Этан | 47,5 |
| Этилен | 47,2 |
Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов
Приведена таблица удельной теплоты сгорания некоторых горючих материалов (стройматериалы, древесина, бумага, пластик, солома, резина и т. д.). Следует отметить материалы с высоким тепловыделением при сгорании. К таким материалам можно отнести: каучук различных типов, пенополистирол (пенопласт), полипропилен и полиэтилен.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Бумага | 17,6 |
| Дерматин | 21,5 |
| Древесина (бруски влажностью 14 %) | 13,8 |
| Древесина в штабелях | 16,6 |
| Древесина дубовая | 19,9 |
| Древесина еловая | 20,3 |
| Древесина зеленая | 6,3 |
| Древесина сосновая | 20,9 |
| Капрон | 31,1 |
| Карболитовые изделия | 26,9 |
| Картон | 16,5 |
| Каучук бутадиенстирольный СКС-30АР | 43,9 |
| Каучук натуральный | 44,8 |
| Каучук синтетический | 40,2 |
| Каучук СКС | 43,9 |
| Каучук хлоропреновый | 28 |
| Линолеум поливинилхлоридный | 14,3 |
| Линолеум поливинилхлоридный двухслойный | 17,9 |
| Линолеум поливинилхлоридный на войлочной основе | 16,6 |
| Линолеум поливинилхлоридный на теплой основе | 17,6 |
| Линолеум поливинилхлоридный на тканевой основе | 20,3 |
| Линолеум резиновый (релин) | 27,2 |
| Парафин твердый | 11,2 |
| Пенопласт ПХВ-1 | 19,5 |
| Пенопласт ФС-7 | 24,4 |
| Пенопласт ФФ | 31,4 |
| Пенополистирол ПСБ-С | 41,6 |
| Пенополиуретан | 24,3 |
| Плита древесноволокнистая | 20,9 |
| Поливинилхлорид (ПВХ) | 20,7 |
| Поликарбонат | 31 |
| Полипропилен | 45,7 |
| Полистирол | 39 |
| Полиэтилен высокого давления | 47 |
| Полиэтилен низкого давления | 46,7 |
| Резина | 33,5 |
| Рубероид | 29,5 |
| Сажа канальная | 28,3 |
| Сено | 16,7 |
| Солома | 17 |
| Стекло органическое (оргстекло) | 27,7 |
| Текстолит | 20,9 |
| Толь | 16 |
| Тротил | 15 |
| Хлопок | 17,5 |
| Целлюлоза | 16,4 |
| Шерсть и шерстяные волокна | 23,1 |
Энергия топлива. Удельная теплота сгорания
Содержание
Энергия, которую тело получает или отдает при теплопередаче, называется количеством теплоты. Мы проделали не один опыт, рассмотрели как при теплообмене одни тела отдают энергию, а другие получают. Во многих опытах мы использовали горелку, чтобы сообщить телу какое-то количество теплоты. А как рассчитать это количество теплоты?
С давних времен, чтобы получить энергию, люди используют топливо. Сейчас топливо является источником энергии в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и, конечно, в повседневном быту. Это нефть, природный газ, торф, уголь, дрова и др.
В данном уроке мы рассмотрим, за счет чего выделяется энергия при сгорании топлива и как ее рассчитать. Также вы узнаете новое определение (удельная теплота сгорания) и научитесь им пользоваться.
Сгорание топлива и энергия
Для начала давайте вспомним строение молекулы воды (рисунок 1). Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода.
Между атомами действуют силы притяжения. Если мы захотим разделить атомы, составляющие молекулы, придется преодолеть эти силы. В таком случае будет совершена работа, и затрачена некоторая энергия. При соединение атомов, наоборот, энергия будет выделяться.
Выделение энергии при соединении атомов – явление, на котором основано использование топлива.
В любом топливе содержатся атомы углерода. В процессе горения они соединяются с двумя атомами кислорода (рисунок 2).
Удельная теплота сгорания
При сгорании разных видов топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Для того чтобы характеризовать каждый вид топлива используют такую величину, как удельная теплота сгорания. При проектировании двигателей эта величина помогает рассчитать, какое количество теплоты может выделить сжигаемое топливо.
Величину удельной теплоты сгорания устанавливают на опыте. Мы будем использовать уже готовые результаты таких исследований, представленные в таблице 1.
| Вещество | $q, \space \frac<Дж><кг>$ | Вещество | $q, \space \frac<Дж><кг>$ |
| Порох | $0.38 \cdot 10^7$ | Древесный уголь | $3.4 \cdot 10^7$ |
| Дрова сухие | $1.0 \cdot 10^7$ | Природный газ | $4.4 \cdot 10^7$ |
| Торф | $1.4 \cdot 10^7$ | Нефть | $4.4 \cdot 10^7$ |
| Каменный уголь | $2.7 \cdot 10^7$ | Бензин | $4.6 \cdot 10^7$ |
| Спирт | $2.7 \cdot 10^7$ | Керосин | $4.6 \cdot 10^7$ |
| Антрацит | $3.0 \cdot 10^7$ | Водород | $12 \cdot 10^7$ |
Таблица 1. Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива
Формула для расчета количества теплоты, выделяемого при сгорании топлива
Для расчета полного количества теплоты, выделяемого при полном сгорании топлива некоторой массы, используют формулу:
$m$ – масса сгораемого топлива.
Примеры задач
Дано:
$V = 2 \space л$
$\rho = 800 \frac<кг><м^3>$
$q = 4.6 \cdot 10^7 \frac<Дж><кг>$
СИ:
$2 \cdot 10^ <-3>\space м^3$
Посмотреть решение и ответ
Решение:
Формула для расчета количества теплоты:
$Q = qm$.
Рассчитаем количество теплоты:
$Q = q\rho V = 4.6 \cdot 10^7 \frac<Дж> <кг>\cdot 800 \frac<кг> <м^3>\cdot 2 \cdot 10^ <-3>\space м^3 = 7360 \cdot 10^4 \space Дж = 73.6 \cdot 10^6 \space Дж = 73.6 \space МДж$.
Дано:
$Q = 70 000 \space кДж$
$q = 1.0 \cdot 10^7 \frac<Дж><кг>$
СИ:
$7 \cdot 10^7 \space Дж$
Посмотреть решение и ответ
Решение:
Принятые обозначения и единицы измерения
Удельная теплота сгорания обозначается строчной буквой q, а для количества тепла принято обозначение прописной Q.
Международная единица измерения — Дж/кг, но чаще используют мегаджоули (мДж/кг).
Формула удельной теплоты горения газов:
q = Q/V, где V — объем газа.
Международной единицей измерения является Дж/м³.
Измерение количества теплоты горения
Чем выше удельная теплоемкость горючего материала, тем экономичнее его расход. Количество теплоты, которая образуется при горении топлива, можно вычислить следующими способами.
Табличные данные
На сегодняшний день измерены q всех известных веществ. В таблице приведены значения q для наиболее распространенных горючих материалов:
| Вид топлива | q в мДЖ/кг |
| Метан | 50,1 |
| Природный газ | 46,1 |
| Бензин | 43,6 |
| Нефть | 41 |
| Мазут | 39,2 |
| Спирт | 27 |
| Древесный уголь | 31 |
| Каменный уголь | 29,3 |
| Метанол | 22,7 |
| Сухие дрова | 15 |
| Торф | 8,1 |
| Порох | 3,8 |
Реальное количество тепла, выделяемого в результате горения, может отличаться от табличных данных в зависимости от следующих факторов:
Решение задач
Решение типичных задач по теме «Количество тепла при сгорании топлива» (физика, 7 класс) заключается в определении энергии горения веществ и необходимой массы (объема) топлива. При этом используют табличные данные q.
Сколько энергии выделяется при сжигании 100 кг торфа?
Решение:
Q = 8,1 * 10 6 Дж/кг * 100 кг = 810 * 10 6 Дж = 8,1 * 10 8 Дж
Найти, какой объем природного газа сгорел, если известно, что при этом выделилось 23 мДж тепла.
Зная, что формула количества теплоты, выделяемой при сгорании топлива: Q = q * V, находим V = Q/q
V = 23 * мДж/46,1 * мДж/м³ = 0.5 м ³.
На сколько килограмм каменного угля необходимо взять больше чем древесного угля, чтобы получить равное количество тепла 62 мДж?
Решение:
Q = q * m, следовательно, m = Q/q
m д. у. = 62 мДж/31 мДж/м³ = 2 кг
m к. у. = 62 мДж/29,3 мДж/м³ = 2,11 кг
2,11 кг — 2 кг = 0,11 кг.
В промышленности, сравнивая энергетическую ценность различных категорий горючих материалов, подбирают наиболее экономически выгодные из них. Но при этом потенциальный выбор топлива не ограничивается его эффективностью, а зависит от технических возможностей предприятия.