§ 15. Згорання палива. Розрахунок кількості теплоти внаслідок згорання палива

Ви дізнаєтесь

 Пригадайте

Згорання палива. Розрахунок кількості теплоти внаслідок згорання палива

Горіння. Досить часто людина добуває теплову енергію, спалюючи різні речовини. Це пояснюється тим, що горіння супроводжується виділенням теплоти.

Горіння — де фізико-хімічний процес, під час якого відбувається окиснення речовини із виділенням теплоти і світла.

Горіння відбуватиметься, якщо є: горюча речовина, окисник і джерело займання. Перебіг горіння залежить від співвідношення кількості горючої речовини й окисника, а також енергетичної спроможності джерела займання.

Ми не будемо розглядати всі можливі фізико-хі-мічні процеси горіння й види горючих речовин, зупинимося лише на деяких із них. Зокрема, на процесах горіння, пов’язаних із окисленням вуглецю. Звичайне паливо¹ (вугілля, нафта, бензин тощо) містить вуглець. Шд час горіння атоми вуглецю сполучаються з атомами кисню, який є в повітрі. Кожний атом вуглецю сполучається з двома атомами кисню, утворюючи молекулу оксиду вуглецю (IV) (вуглекислого газу). Реакція супроводжується виділенням енергії (мал. 59). Розрізняють повне та неповне згорання палива. У процесі повного згорання вся хімічна енергія палива переходить у теплову.

Щоб розпочався процес горіння, потрібне джерело займання (мал. 60). Так, щоб запалити речовину в повітрі, ¹¹

спочатку потрібно нагріти її до певної температури — температури займання. Для різних речовин вона різна. Так, наприклад, дерево займається за температури приблизно 200 °С, вугілля — 350 °С.

Теплота, що виділяється під час горіння, підтримує температуру речовини вищою за температуру займання, унаслідок чого горіння підтримується самостійно.

Важливо знати, що для припинення горіння речовину, що горить, потрібно охолодити до температури, нижчої від температури займання, або припинити доступ кисню. Ці обидва способи використовують під час гасіння пожежі водою. Коли вода потрапляє на джерело вогню, вона випаровується й відбирає від тіл, що горять, теплоту. їхня температура різко зменшується. Водяна пара, що утворюється, утруднює доступ кисню, і горіння припиняється.

Обчислення кількості теплоти внаслідок згорання палива. Питома теплота згорання. Процес горіння супроводжується виникненням полум’я (теплом і світлом) та виділенням диму (продуктів згорання). З фізичної точки зору нас буде цікавити питання: від чого залежить кількість теплоти, що виділяється під час горіння?

Природно, що різні речовини під час горіння виділяють різну кількість теплоти, тобто горючі речовини можна порівнювати за певною фізичною величиною. Такою величиною є питома теплота згорання.

Питома теплота згорання палива — це фізична величина, що показує, яка кількість теплоти виділяється в результаті повного згорання палива масою 1 кг.

Питому теплоту згорання палива позначають літерою q (читається «кю»), її одиниця —

Є різні види палива: тверде (дрова, вугілля, сланці, торф); рідке (бензин, гас, дизельне пальне, спирт та ін.); газоподібне (метан, пропан, бутан, ацетилен та ін.). У таблиці на форзаці наведено значення їх питомої теплоти згорання.

Щоб обчислити кількість теплоти, яка виділяється від згорання будь-якої маси палива, треба питому теплоту згорання помножити на масу палива, що згоріло:

Q_uv =Qrn.

Коефіцієнт корисної дії нагрівника. Для теплообміну часто застосовують нагрівники, за допомогою яких можна використати теплоту згорання палива, — газові пальники, спиртівки, печі. Кількість теплоти, яка утворюється в нагрівнику під час згорання палива, частково йде на нагрівання тіл, а частина її витрачається (розсіюється в навколишнє середовище, поглинається самим нагрівником тощо). Тому кажуть про коефіцієнт корисної дії (ККД) нагрівника, який визначає у відсотках частину кількості теплоти, що пішла на нагрівання тіла (Q_lt), від повної кількості теплоти, отриманої від згорання палива (Q_Br):

ККД нагрівника характеризує ефективність використання теплоти, отриманої внаслідок згорання палива. Для того щоб підвищити ККД нагрівника, необхідно збільшувати корисну енергію Q₁., тобто зменшувати втрати теплоти не за призначенням.

Підбиваємо підсумки

Горіння — це фізико-хімічний процес, який супроводжується виділенням теплоти і світла.

Питомою теплотою згорання палива (</) називають фізичну величину, що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згоранні 1 кг цього виду палива.

Загальна кількість теплоти Q, що виділяється внаслідок згорання деякої маси т палива, обчислюється за формулою: Q = qm.

А знаю, вмію та можу пояснити ¹²

ПОЯСНІТЬ

1.    Чому одним сірником можна запалити дерев'яну тріску, але неможливо запалити великий шматок деревини?

2.    Чому, гасячи багаття, його розгортають по землі?

а) «питома

3.    Як правильно прочитати вираз

теплота згорання прямо пропорційна кількості теплоти, що виділяється, й обернено пропорційна масі пального, що згоріло»; б) «питома теплота згорання палива чисельно дорівнює кількості теплоти, що виділяється внаслідок повного згорання 1 кг такого палива»?

ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ

Яка кількість теплоти виділиться під час згорання 40 кг кам’яного вугілля? Скільки води можна нагріти від 10 до 60 °С, витративши всю теплоту на її нагрівання?

Скільки треба спалити спирту, щоб нагріти 0,5 л води від 20 до 80 °С, якщо для нагрівання води витрачається 60 % теплоти, що виділяється під час згорання спирту?

Вправа 5

1.    Яку масу води, узятої за температури 10 ^cC, можна нагріти до 50 °С, спаливши ЗО г спирту, якщо вважати, що вся теплота, що виділяється під час згорання спирту, піде на нагрівання води?

2.    На скільки більше теплоти виділяється в результаті повного згорання бензину масою 7 кг порівняно із повним згоранням кам’яного вугілля тієї самої маси?

3.    Чи однаково прогріється піч, якщо в ній спалювати сухі дрова масою 14,5 кг або кам’яне вугілля масою 8 кг? Час горіння вважайте однаковим.

4*. Яка кількість теплоти виділяється внаслідок повного згорання пальної суміші, що складається з бензину об’ємом 2 л і спирту об’ємом 1,5 л? Яким має бути відношення маси бензину до маси спирту, щоб питома теплота згорання цієї суміші становила 42 МДж/кг?

5.    Унаслідок згорання палива масою 5 кг виділилось 210 МДж теплоти. Що це за паливо?

6.    На малюнку 61 зображено графіки залежності кількості теплоти, що виділяється внаслідок згорання двох видів палива (І і II), від їхньої маси. Визначте питому теплоту згорання кожного з видів палива. У скільки разів кількість теплоти, що виділяється внаслідок згорання 0,3 кг палива І, менша від кількості теплоти, що виділяється внаслідок згорання 0,3 кг палива II?

7.    Використовуючи графіки (мал. 62) залежності питомої теплоти згорання палива для двох видів палива (І і II) від їхньої маси, визначте сумарну кількість теплоти, що виділяється внаслідок повного згорання палива І масою 2 кг і палива Il масою 3 кг. Що це за види палива?

8.    На скільки градусів можна нагріти воду масою 20 кг, спаливши гас масою 100 г, якщо вважати, що теплота, яка виділяється в результаті згорання, повністю піде на нагрівання води?

9.    Скільки енергії виділилось під час горіння спиртівки, якщо вода масою 100 г нагрілась від ЗО до 80 °С, а теплота, затрачена на нагрівання води, становить 20 % тієї теплоти, що виділилась?

10*. Сталева пилка масою 3 кг під час роботи протягом 5 хв нагрілася на 100 °С. Вважаючи, що на нагрівання пилки пішло 60 % усієї енергії, визначте виконану роботу та корисну потужність, що розвивається при цьому.

У всьому світі понад 80 % теплової та електричної енергії одержують, спалюючи природне органічне паливо та перетворюючи його хімічну енергію на електричну й теплову. Найпоширенішими видами пального є нафта, кам’яне вугілля та природний газ. На малюнку показано співвідношення запасів цих видів пального у світі та в Україні.

Унаслідок інтенсивного використання невідновлюваних паливно-енергетичних ресурсів планети у XX ст. їх запаси значно зменшилися. Адже корисні копалини утворюються природою впродовж віків, а витрачаються практично миттєво. їх запаси не безмежні й вимагають раціонального використання. Для економік багатьох країн світу постає проблема енергетичної кризи, оскільки практично всі галузі промисловості залежать від енергії, що отримується внаслідок згорання палива.

Це безпосередньо стосується й енергетики України. Щоб пересвідчитись у цьому, достатньо проаналізувати загальні дані споживання основних видів органічного палива країнами світу й Україною.

Нафту, природний газ і вугілля спалюють у таких кількостях, що продукти їх згорання (шкідливі й токсичні газові викиди та аерозолі) змінюють склад повітря, забруднюють воду та ґрунти. В атмосферу щорічно викидаються десятки мільярдів тонн шкідливих речовин. Серед них: парникові гази (вуглекислий газ (CO₂), метан), надмірна концентрація яких, на думку деяких учених, призводить до збільшення середньої температури на поверхні Землі; оксид вуглецю CO₁ що в побуті називають чадним газом і який є дуже токсичним; сажові частинки, що згубно діють на дихальні органи людини й спричинюють онкологічні захворювання.

Протягом мільйонів років існувала природна рівновага вмісту CO₂ в атмосфері. Молекули CO₂ добре пропускають сонячне випромінювання, що надходить із Космосу, але поглинають теплове випромінювання, що йде від поверхні Землі. Це, на думку деяких учених, і є причиною поступового підвищення температури атмосфери. Зниження концентрації CO₂ призводить до зниження середньорічної температури планети: якби в атмосфері зовсім не було CO₂, уся поверхня Землі вкрилася б кригою, а середньорічна температура не перевищувала б рівня 6-10 ^aC. Відповідно збільшення вмісту CO₂ зумовить підвищення температури.

У той же час інші продукти згорання — пил, зола, сажа, токсичні речовини (свинець, ртуть, кадмій) — розсіюють сонячне світло, тому значна його частина не досягає поверхні Землі, що призводить до зниження температури. У результаті відбуваються коливання температури земної атмосфери.

Іншими шкідливими продуктами згорання є: діоксид сірки, або сірчистий ангідрид SO₂, — один із найтоксичніших газів, який впливає на окиснювання, руйнує матеріали, завдає шкоди здоров’ю людини; оксиди азоту (N₂O, NO, N₂O₃,

NO₂, N₂O₄ і N₂O₅) й озон O₃, які шкідливо впливають на здоров’я людини, зумовлюють утворення «парникового ефекту» й руйнацію озонового шару, спричинюють «вимирання» лісів і «кислотні дощі».

Величезного екологічного та економічного лиха завдають пожежі.

Перетворення енергії в теплових процесах.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Засєкіна