Удельная теплота сгорания

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:

• твердое топливо,
• жидкое топливо,
• газообразное топливо,
• ядерное топливо.

К твердому топливу относятся:

• древесина,
• горючие сланцы,
• уголь,
• торф.

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».

Сколько тепла выделяется при сжигании различных видов. Тепловые машины

Тепловые машины в термодинамике — это периодически действующие тепловые двигатели и холодильные машины (термокомпрессоры). Разновидностью холодильных машин являются тепловые насосы.

Устройства, совершающие механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми машинами (тепловыми двигателями). Для функционирования тепловой машины необходимы следующие составляющие: 1) источник тепла с более высоким температурным уровнем t1, 2) источник тепла с более низким температурным уровнем t2, 3) рабочее тело. Иначе сказать: любые тепловые машины (тепловые двигатели) состоят из нагревателя, холодильника и рабочего тела.

В качестве рабочего тела используются газ или пар, поскольку они хорошо сжимаются, и в зависимости от типа двигателя может быть топливо (бензин, керосин), водяной пар и пр. Нагреватель передаёт рабочему телу некоторое количество теплоты (Q1), и его внутренняя энергия увеличивается, за счёт этой внутренней энергии совершается механическая работа (А), затем рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты холодильнику (Q2) и охлаждается при этом до начальной температуры. Описанная схема представляет цикл работы двигателя и является общей, в реальных двигателях роль нагревателя и холодильника могут выполнять различные устройства. Холодильником может служить окружающая среда.

Поскольку в двигателе часть энергии рабочего тела передается холодильнику, то понятно, что не вся полученная им от нагревателя энергия идет на совершение работы. Соответственно, коэффициент полезного действия двигателя (КПД) равен отношению совершенной работы (А) к количеству теплоты, полученному им от нагревателя (Q1):

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Существует два типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): карбюраторный и дизельный. В карбюраторном двигателе рабочая смесь (смесь топлива с воздухом) готовится вне двигателя в специальном устройстве и из него поступает в двигатель. В дизельном двигателе горючая смесь готовится в самом двигателе.

ДВС состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень; в цилиндре имеются два клапана, через один из которых горючая смесь впускается в цилиндр, а через другой отработавшие газы выпускаются из цилиндра. Поршень с помощью кривошипно-шатунного механизма соединяется с коленчатым валом, который приходит во вращение при поступательном движении поршня. Цилиндр закрыт крышкой.

Цикл работы ДВС включает четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Во время впуска поршень движется вниз, давление в цилиндре уменьшается, и в него через клапан поступает горючая смесь (в карбюраторном двигателе) или воздух (в дизельном двигателе). Клапан в это время закрыт. В конце впуска горючей смеси закрывается клапан.

Во время второго такта поршень движется вверх, клапаны закрыты, и рабочая смесь или воздух сжимаются. При этом температура газа повышается: горючая смесь в карбюраторном двигателе нагревается до 300— 350 °С, а воздух в дизельном двигателе — до 500—600 °С. В конце такта сжатия в карбюраторном двигателе проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется. В дизельном двигателе в цилиндр впрыскивается топливо, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется.

При сгорании горючей смеси газ расширяется и толкает поршень и соединенный с ним коленчатый вал, совершая механическую работу. Это приводит к тому, что газ охлаждается.

Когда поршень придёт в нижнюю точку, давление в нём уменьшится. При движении поршня вверх открывается клапан, и происходит выпуск отработавшего газа. В конце этого такта клапан закрывается.

Паровая турбина

Паровая турбина представляет собой насаженный на вал диск, на котором укреплены лопасти. На лопасти поступает пар. Пар, нагретый до 600 °С, направляется в сопло и в нём расширяется. При расширении пара происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Струя пара поступает из сопла на лопасти турбины и передаёт им часть своей кинетической энергии, приводя турбину во вращение. Обычно турбины имеют несколько дисков, каждому из которых передаётся часть энергии пара. Вращение диска передаётся валу, с которым соединён генератор электрического тока.

Удельная теплота сгорания топлива

При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива .

Удельная теплота сгорания топлива — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг.

Удельная теплота сгорания обозначается буквой q, её единицей является 1 Дж/кг.

Значение удельной теплоты определяют экспериментально. Наибольшую удельную теплоту сгорания имеет водород, наименьшую — порох.

Удельная теплота сгорания нефти — 4,4*10 7 Дж/кг. Это означает, что при полном сгорании 1 кг нефти выделяется количество теплоты 4,4*10 7 Дж. В общем случае, если масса топлива равна m, то количество теплоты Q, выделяющееся при его полном сгорании, равно произведению удельной теплоты сгорания топлива q на его массу:

Q = qm.

Конспект урока по физике в 8 классе «Тепловые машины. ДВС. Удельная теплота сгорания».

Теплотворность твердых материалов

К этой категории относится древесина, торф, кокс, горючие сланцы, брикетное и пылевидное топливо. Основная составная часть твердого топлива — углерод.

Особенности разных пород дерева

Максимальная эффективность от использования дров достигается при условии соблюдения двух условий — сухости древесины и медленном процессе горения.

Идеальными для дровяного печного отопления считаются дубовые, березовые, ясеневые бруски. Хорошими показателями характеризуется боярышник, лещина. А вот у хвойных пород теплотворность низкая, но высокая скорость горения.

Как горят разные породы:

1. Бук, березу, ясень, лещину сложно растопить, но они способны гореть сырыми из-за низкого содержания влажности.
2. Ольха с осиной не образуют сажи и «умеют» удалять ее из дымохода.
3. Береза требует достаточного количества воздуха в топке, иначе будет дымить и оседать смолой на стенках трубы.
4. Сосна содержит больше смолы, чем ель, поэтому искрит и горит жарче.
5. Груша и яблоня легче других раскалывается и отлично горит.
6. Кедр постепенно превращается в тлеющий уголь.
7. Вишня и вяз дымит, а платан сложно расколоть.
8. Липа с тополем быстро прогорают.

Показатели ТСТ разных пород сильно зависят от плотности конкретных пород. 1 кубометр дров эквивалентен примерно 200 литрам жидкого топлива и 200 м 3 природного газа. Древесина и дрова относятся к категории с низкой энергоэффективностью.

Влияние возраста на свойства угля

Уголь является природным материалом растительного происхождения. Добывается он из осадочных пород. В этом топливе содержится углерод и другие химические элементы.

Кроме типа на теплоту сгорания угля оказывает влияние и возраст материала. Бурый относится к молодой категории, за ним следует каменный, а самым старшим считается антрацит.

Процесс горения угля сопровождается выделением веществ, загрязняющих окружающую среду, колосники котла при этом покрываются шлаком. Еще один неблагоприятный фактор для атмосферы — наличие серы в составе топлива. Этот элемент при соприкосновении с воздухом трансформируется в серную кислоту.

Производителям удается максимально снизить содержание серы в угле. В результате ТСТ отличается даже в пределах одного вида. Влияет на показатели и география добычи. Как твердое топливо может использоваться не только чистый уголь, но и брикетированный шлак.

Наибольшая топливная способность наблюдается у коксующегося угля. Хорошими характеристиками обладает и каменный, древесный, бурый уголь, антрацит.

Характеристики пеллет и брикетов

Это твердое топливо изготавливается промышленным способом из различного древесного и растительного мусора.

Измельченная стружка, кора, картон, солома пересушивается и с помощью специального оборудования превращается в гранулы. Чтобы масса приобрела определенную степень вязкости, в нее добавляют полимер — лигнин.

Брикеты отличаются только формой, их можно загружать в печи, котлы. Оба типа горючего делятся на виды по сырью: из кругляка, торфа, подсолнечника, соломы.

У пеллет и брикетов есть существенные преимущества перед прочими разновидностями топлива:

• полная экологичность;
• возможность хранения практически в любых условиях;
• устойчивость к механическим воздействиям и грибку;
• равномерное и длительное горение;
• оптимальный размер гранул для загрузки в отопительное устройство.

Экологичное топливо — хорошая альтернатива традиционным источникам тепла, которые не возобновляются и неблагоприятно действуют на окружающую среду. Но пеллеты и брикеты отличаются повышенной пожароопасностью, что стоит учитывать при организации места хранения.

При желании, можно наладить изготовление топливных брикетов собственноручно, подробнее – в этой статье.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.

• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.

Это — проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.