§ 15. Теплота згоряння палива.

Візьміть коробку із сірниками, витягніть один сірник. Перед вами — два холодних твердих тіла. Але якщо потерти головку сірника об коробку, сірник спалахне. Звідки береться ця енергія? Завдяки виконаній роботі? Алє ж якщо навіть довго й із зусиллями терти сірник другим кінцем, стільки тепла не виділиться. Відповіді на зазначені запитання ви знайдете в цьому параграфі.

Знайомимося з різними видами палива

рис. 15.1. Реакція взаємодії метану (основного складника природного газу) з киснем супроводжується виділенням теплоти: CH₄ + 2O₂ ^ 2 H₂O + CO₂ + Q

рис. 15.2. Дрова — поширене тверде природне паливо

рис. 15.3. Гас, бензин, дизельне паливо — рідке паливо, одержане людиною

Ми часто маємо потребу збільшити температуру якогось тіла. Так, щоб у кімнаті стало тепліше, слід збільшити температуру води в батареях опалення, щоб приготувати їжу — температуру повітря в духовці. Для збільшення температури люди здавна використовували енергію, що виділяється під час хімічної реакції горіння палива* (див. наприклад, рис. 15.1^.

Паливом можуть слугувати як природні речовини (кам’яне вугілля, нафта, торф, дрова, природний газ) (рис. 15.2), так і спеціально одержані людиною (гас, бензин, порох, деревне вугілля, етиловий спирт тощо) (рис. 15.3). Як бачимо, паливо буває твердим (кам’яне вугілля, торф, дрова, сухе пальне), рідким (нафта, гас, бензин, дизельне паливо) і газоподібним (природний газ, пропан, бутан).

Для сучасної цивілізації паливо — необхідна умова існування (рис. 15.4). Для роботи транспорту, різних механізмів у промисловості й сільському господарстві, обігрівання житла та готування їжі людина перетворює енергію палива на інші форми.

Уводимо поняття питомої теплоти згоряння палива

Різні види палива відрізняються один від одного теплотвірною здатністю. Переконаємось у цьому за допомогою простого досліду.

Поставимо на ліву шальку терезів спиртівку, наповнену спиртом. Над спиртівкою підвісимо металеву банку з водою, перед тим вимірявши температуру води. Після того як зрівноважимо терези, покладемо на ліву шальку важок масою 1 г. Рівновага терезів порушиться (рис. 15.5, а). Запалимо спиртівку. У міру згоряння спирту маса спиртівки зі спиртом зменшуватиметься, і через якийсь час рівновага терезів відновиться (це буде

Зазначимо, що під час використання ядерного палива енергія виділяється в ході ядерних реакцій (докладніше про це йтиметься в старших класах).

Рис. 15.4. Для сучасної цивілізації паливо є необхідною умовою існування

означати, що згорів 1 г спирту) (рис. 15.5, б). У цей момент погасимо спиртівку і знову виміряємо температуру води.

Повторимо дослід, узявши спиртівку, наповнену гасом, і переконаємося, що в цьому випадку вода нагріється більше. Це означає, що під час згоряння 1 г гасу виділилося більше енергії, ніж під час згоряння 1 г спирту.

Для кількісної характеристики теплотвірної здатності палива застосовують фізичну величину, яку називають питома теплота згоряння палива.

Питома теплота згоряння палива — це фізична величина, яка характеризує певне паливо і чисельно дорівнює кількості теплоти, що виділяється в процесі повного згоряння 1 кг цього палива.

Питому теплоту згоряння палива позначають символом q та обчислюють за формулою:

Із формули для означення питомої теплоти згоряння палива дістанемо одиницю цієї величини в СІ — джоуль на кілограм:

Питому теплоту згоряння різних видів палива визначають у лабораторних умовах і заносять до таблиць (див. табл. 6 Додатку).

У табл. 6 Додатку бачимо, що, наприклад, питома теплота згоряння торфу становить 15 МДж/кг. Що це означає? Яка кількість теплоти виділиться в ході повного згоряння 2 кг торфу?

Знаючи питому теплоту згоряння q й масу m палива, легко обчислити кількість теплоти Q, яка виділиться в ході повного

Обчислюємо коефіцієнт корисної дії нагрівника

Для спалювання палива використовують різні нагрівники: печі та каміни, газові котли, пальники й спиртівки, примуси, паяльні лампи та інше (рис. 15.6).

тип нагрівника залежить від виду палива, яке в ньому згоряє, і від того, для чого використовують теплоту. Наприклад, якщо потрібно опалювати помешкання, а паливом є газ, то доцільно придбати газовий котел; для фізичних дослідів, під час яких паливом буде спирт, як нагрівник слід обрати спиртівку. Проте навіть за допомогою найсучасніших нагрівників неможливо повністю

рис. 15.6. Різноманітні нагрівальні пристрої, які використовує людина: примус (а); газова плита (б); паяльна лампа (в); газовий котел (г)

використати всю енергію, що «накопичена» в паливі. По-перше, жодне паливо не може в реальних умовах згоріти повністю. По-друге, якась частина енергії витрачається марно (наприклад, виноситься з продуктами згоряння, йде на нагрівання навколишнього середовища).

Коефіцієнт корисної дії нагрівника — це фізична величина, яка характеризує ефективність нагрівника й дорівнює відношенню корисно зужитої теплоти до всієї теплоти, яка може бути виділена в процесі повного згоряння палива.

Математично це записують так:

Учимося розв'язувати задачі

Задача. туристи зупинились на перепочинок біля струмка й вирішили приготувати чай. Яку кількість дров їм треба заготовити, щоб закип’ятити 10 кг води? Вода одержує 15 % енергії, що виділяється під час повного згоряння дров. Температура води в струмку 15 °С.

За нормального атмосферного тиску вода кипить за температури 100 °С. Питому теплоємність води й питому теплоту згоряння дров знайдемо відповідно в табл. 1 і 6 Додатку.

Перевіримо одиницю, визначимо значення шуканої величини:

Питома теплота згоряння палива дорівнює кількості теплоти, яка виділяється в процесі повного згоряння 1 кг цього палива. Ця фізична величина є характеристикою теплотвірної здатності палива й вимірюєть-

Контрольні запитання

1. Які види палива ви знаєте? 2. Опишіть дослід на підтвердження того, що під час горіння різних видів палива виділяється різна кількість теплоти. 3. Яким є фізичний зміст питомої теплоти згоряння палива? У яких одиницях її вимірюють? 4. Як обчислити кількість теплоти, що виділяється в процесі повного згоряння палива? 5. Дайте означення ККД нагрівника.

Вправа № 15

1.    Питома теплота згоряння пороху набагато менша від питомої теплоти згоряння дров. Чому ж якщо у вас у руках горить сірник, то це є досить безпечним, а коли спалахує така сама маса пороху, то можна серйозно постраждати?

2.    Яка кількість теплоти виділиться під час повного згоряння кам’яного вугілля масою 10 кг?

3.    У процесі повного згоряння гасу виділилося 92 кДж теплоти. Якою була маса згорілого гасу?

4.    На спиртівці нагріли 300 г води від 15 до 75 °С. Визначте ККД нагрівника, якщо на нагрівання витрачено 8 г спирту.

5.    Чайник, що стоїть на газовому пальнику, містіть 2 л води за температури 20 °С. Для нагрівання води витратили 42 г природного газу. Якою буде температура води в чайнику, якщо вода одержала 40 % тепла, що може бути виділене під час повного згоряння цього газу?

6.    Спробуйте пояснити, чому в ході спалювання мокрих дров виділяється менша кількість теплоти, ніж у ході спалювання такої самої маси сухих дров.

7.    Установіть відповідність між фізичною величиною та виразом для її визначення.

Експериментальне завдання

Запишіть план проведення експерименту з визначення ККД нагрівника із сухим пальним. Які прилади та матеріали для цього потрібні? Якщо можливо, проведіть експеримент.

Фізика і техніка в Україні

Чернівецький національний університет ім. Юрія Федьковича був заснований у 1875 р. указом імператора Австро-Угорщини Франца Йосифа. Тоді в університеті були лише теологічний, філософський та юридичний факультети.

Сьогодні в університеті функціонує 16 факультетів, де навчається понад 16 тисяч студентів. Навчально-наукову роботу забезпечують майже 100 докторів наук, професорів, близько 500 кандидатів наук, доцентів. Серед основних напрямків досліджень, пов'язаних із фізикою, можна назвати теоретичні та прикладні дослідження напівпровідникового матеріалознавства; розроблення нових технологій, матеріалів, мікросхем і приладів для опто-, радіо- та мікроелектроніки, напівпровідникового приладобудування; статичну оптику; голографію та ін.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар