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;
Достаточно часто в учет принимается теплотворная способность топлива при выборе отопительных приборов для домов и дач, при выборе систем отопления для квартиры. Данный параметр важен и при выборе топливных систем для автомобилей (при переходе с жидкого топлива на газ или электричество).
Стоит отметить, что на данный момент многие научные организации, научно-исследовательские институты, лаборатории и даже специализированные компании занимаются разработкой систем, которые способны повысить данный параметр и позволят более оптимально использовать выделяемую при сгорании энергию. Обычно это достигается путем повышения коэффициента полезного действия установки.
Наличие подобного параметра связано с тем, что разные типы выделяют разное количество теплоты (энергии) в процессе сгорания, что особенно актуально для промышленных установок и котельных, поскольку подбор оптимального вида позволит сэкономить значительное количество финансовых средств на работе промышленных установок.
Ниже будет приведено определение теплотворной способности топлива, будет рассмотрено, что такое удельная теплота сгорания топлива и приведены значения некоторых энергоресурсов (удельная теплота сгорания дров, угля, нефтепродуктов).
Под теплотворной способностью различных видов энергоресурсов понимают то, какое количество тепловой энергии (килокалории) будет на выходе при сгорании одной единицы топливного материала. Для определения данного параметра используется специальный прибор, который называют калориметром. Есть и другое приспособление — калориметрическая бомба.
В измерительных приборах одной единицей топливного материала нагревают воду, в результате чего получают водяной пар. Далее пар конденсируется, переходя полностью в жидкое состояние, что называют конденсацией. При этом пар полностью отдает тепловую энергию измерительному прибору. Однако недостатком таких измерительных приборов является то, что тепловая энергия, которая выходит при сгорании топлива, измеряется не вся. Это связано с тем, что при парообразовании количество тепловой энергии больше, чем при конденсации. Это делает невозможным измерить всю выделяемую энергию. К недостаткам приборов стоит отнести и не идеальную теплопроводность материалов, из которых они изготавливаются, что тоже снижает реальный показатель сгорания. Данные критерии достаточно важны для лабораторных исследований, однако при измерениях для практических целей ими пренебрегают. При работе промышленных установок эти потери увеличиваются за счет КПД (не 100%).
При этом показатели, которые получились в калориметрической бомбе (где процесс измерения точнее, чем в калориметре), называются высшим значением теплотворной способности топливного материала.
Показатели калориметра — низшая теплота сгорания топлива, которая отличается от высшей значением 600х(9Н+W)/100, где Н и W — количество содержащегося водорода и влаги в единице конкретного топливного материала. Следует помнить, что по американским стандартам для расчетов применяется высшее значения, а для стран с метрической системой — низшее. На данный момент стоит вопрос о переходе метрической системы на высший показатель, поскольку он рядом ученых признан более оптимальным.
Значения для разных видов топливного материала
Часто многих людей интересует значение удельной теплоты сгорания топлива для того или иного вида энергоносителя, при этом довольно часто людей интересует теплотворная способность дров. Особенно актуально это стало в последнее время, когда пошла мода на классические печи в домах. Теплотворная способность дров у разных пород древесины разная, достаточно часто приводится усредненное значение. Ниже приведем значения для следующих видов топливного материала:
- Теплотворная способность дров (березовых, хвойных) составляет в среднем 14,5-15,5 МДж/кг. Такой же показатель теплоотдачи имеет и бурый уголь.
- Теплоотдача каменного угля составляет 22 МДж/кг.
- Данное значение для торфа колеблется в пределах 8-15 МДж/кг.
- Значение для топливных брикетов находится в пределах 18,5-21 МДж/кг.
- Газ, который подается в жилые дома, имеет показатель 45,5 МДж/кг.
- Для баллонного газа (пропан-бутана) показатель составляет 36 МДж/кг.
- Дизельное топливо имеет показатель 42,8 МДж/кг.
- Для разных марок бензина значение колеблется в пределах 42-45 МДж/кг.
Удельные значения
Для ряда топливного материала подсчитаны удельные значения сгорания. Это физические величины, которые показывают количество тепловой энергии, образующееся в результате сгорания одной единицы. Обычно измеряется в джоулях на килограмм (либо метр кубический). В США значения приводятся в калориях на килограмм. Данные коэффициенты — это теплоотдача. Их измеряют лабораторно, после чего данные заносятся в специальные таблицы, которые общедоступны. Чем выше теплоотдача энергоресурса (тепло, которое дает сгорание топлива), тем более эффективным считается топливо. То есть в одной и той же установке с одним КПД расход будет меньшим у того топлива, которое имеет более высокое значение теплоотдачи.
Удельная теплота сгорания топлива практически всегда используется при конструкторских расчетах (при проектировании различного оборудования), а также при определении отопительных систем и оборудования для дома, квартиры, дачи и т.д.
Различные виды топлива обладают разными характеристиками. Это зависит от теплотворной способности и количества тепла, выделяющегося при полном выгорании топлива. Например, относительная теплота сгорания водорода влияет на его расходование. Теплотворная способность определяется с помощью таблиц. В них указываются сравнительные анализы расхода разных энергоресурсов.
Горючих имеется огромное количество. каждое из которых имеет свои минусы и плюсы
Сравнительные таблицы
С помощью табличек сравнения возможно объяснить, почему разные энергоресурсы обладают различной теплотворной способностью. Например, такие как:
- электричество;
- метан;
- бутан;
- пропан-бутан;
- солярка;
- дрова;
- торф;
- каменный уголь;
- смеси сжиженных газов.
Пропан – один из популярных видов горючего
Таблицы могут продемонстрировать не только, например, удельную теплоту сгорания дизельного топлива. В сводки сравнительных анализов вписывают ещё и другие показатели: теплотворные способности, объёмные плотности веществ, цену за одну часть условного питания, коэффициент полезного действия отопительных систем, стоимость одного киловатта за час.
В этом видео вы узнаете о работе топлива:
Цены на топливо
Благодаря сводкам сравнительного анализа определяют перспективу использования метана или солярки. Цена газа в централизованном газопроводе имеет склонность к повышению . Она может оказаться выше даже дизельного топлива. Именно поэтому стоимость сжиженного углеводородного газа почти не поменяется, а его использование останется единственным решением при установке независимой системы газификации.
Существует несколько видов наименования горюче-смазочных материалов (ГСМ): твёрдого, жидкого, газообразного и некоторых других легковоспламеняющихся материалов, в которых при тепловыделяющей реакции закисления ГСМ его химическая теплоэнергия переходит в температурное излучение.
Выделяющаяся теплоэнергия называется теплотворностью различных видов топлива при полном выгорании любого легкогорючего вещества. Её зависимость от химсостава и влажности является основным показателем питания.
Термическая восприимчивость
Определение ОТС топлива производится экспериментальным способом или при помощи аналитического вычисления. Экспериментальное определение термической восприимчивости производится опытным путём установления объёма тепла, отделившегося при выгорании топлива в хранителе тепла с термостатом и бомбочкой для сжигания.
При необходимости определения по таблице удельной теплоты сгорания топлива сначала вычисления производят по формулам Менделеева . Существуют высшая и низшая степени ОТС топлива. При самой большой относительной теплоте выделяется большое количество тепла при выгорании любого топлива. При этом учитывается тепло, потраченное на выпаривание воды, находившейся в горючем.
При низшей степени выгорания ОТС составляет меньшее значение, чем в высшей степени, так как при этом испарина выделяется меньше. Испарение возникает из воды и водорода при горении топлива. Чтобы определить свойства топлива, в инженерных расчётах принимается во внимание низшая относительная теплота сгорания, являющаяся важным параметром горючего.
В таблицы удельной теплоты сгорания твёрдого горючего вносят следующие компоненты: уголь, дрова, торф, кокс. В них вносятся величины ОТС твёрдого легкогорючего материала. Названия топлива в таблицы вписывают по алфавиту. Из всех твёрдых форм ГСМ самой большой теплоотдающей способностью обладают коксующийся, каменный, бурый и древесный угли, а также антрацит. К топливу низкой продуктивности относятся:
- древесина;
- дрова;
- порох;
- торф;
- возгораемые сланцы.
В ведомости жидкого ГСМ заносят показатели спирта, бензина, керосина, нефти. Удельная теплота сгорания водорода, а также разных форм горючего выделяется при безусловном выгорании одного килограмма, одного метра кубического или одного литра. Чаще всего такие физические свойства измеряются в единицах измерения работы, энергии и количества выделяемой теплоты.
В зависимости от того, до какой степени высока ОТС ГСМ, таким будет его расходование. Такая правомочность имеет самый значимый параметр горючего, и это необходимо учитывать при проектировке бойлерных установок на топливе разных видов. Теплотворная способность зависит от влажности и зольности , а также от возгораемых ингредиентов, таких как углерод, водород, летучая горючая сера.
УТ (удельная теплота) выгорания спирта и ацетона намного ниже классического моторного ГСМ и она равняется 31,4 МДж/кг, у мазута этот показатель колеблется в пределах 39-41,7 МДж/кг. Показатель УТ сгорания природного газа 41-49 МДж/кг. Одна ккал (килокалория) равна 0,0041868 МДж. Калорийность горючего различных видов отличается друг от друга по УТ выгорания. Чем больше тепла отдаёт любое вещество, тем больше его теплообмен. Этот процесс называется ещё и теплоотдачей. В теплоотдаче принимают участие жидкости, газы и жёсткие частицы.
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.
Во время сжигания углевода образуется несколько элементов, например, сажа 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.
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
- Что такое удельная теплота сгорания топлива?
- В каких единицах измеряют удельную теплоту сгорания топлива?
- Что означает выражение «удельная теплота сгорания топлива равна 1,4 10 7 Дж / кг? Как вычисляют количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива?
Упражнение 9
- Какое количество теплоты выделяется при полном сгорании древесного угля массой 15 кг; спирта массой 200 г?
- Сколько теплоты выделится при полном сгорании нефти, масса которой 2,5 т; керосина, объём которого равен 2 л, а плотность 800 кг / м 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.