§ 15. Горіння палива.

ТЕПЛОТА ЗГОРЯННЯ ПАЛИВА

1. Яке значення налива для сучасної цивілізації? Паливо - джерело енергії, яке використовується практично у всіх галузях діяльності людини. Сьогодні ми вже не уявляємо свого життя без електричного освітлення, електропоїздів, побутових і промислових холодильників, телевізорів і комп’ютерів, систем опалення і вентиляції, а також величезної кількості іншого обладнання. Все це працює за рахунок електричної енергії, яка одержується на електростанціях при перетворенні теплової енергії згоряння палива. А Електрична енергія, яка виділяється при згорянні палива використовується також у більшості технологічних процесів (плавлення, зварювання), у сільському господарстві (доїння корів, робота елеваторів, інкубаторів). Автомашини усіх марок працюють на двигунах внутрішнього згоряння, де спалюється паливо.

Сьогодні в Україні, як і у всьому світі, основними видами палива є нафта, природний газ і вугілля. Нафта забезпечує 40% виробництва енергії, вугілля - 26%, природний газ - 24%. Щоденно у світі споживається близько 75000000 барелей нафти. Але запаси палива на нашій планеті не безмежні і традиційні джерела енергії вичерпуються. Крім того, їх використання створює багато про-

блем, які, в першу, чергу зводяться до забруднення повітря та створення парникового ефекту. Тому людство шукає альтернативні джерела енергії. До штучних альтернативних джерел енергії можна віднести: горючі рідини, спирти та їх суміші, рідке біологічне паливо, газ, одержаний при переробці твердого палива (кам'яне і буре вугілля, горючі сланці, торф, природні бітуми). ¹⁴

лекулами Оксигену О¹⁴, внаслідок чого відбувається хімічна реакція окислення. Продуктами реакції є молекула вуглекислого газу CO₂ та дві молекули води H₂O (рис. 68, б). У таких реакціях відбувається розрив зв’язків між атомами в одних молекулах і утворення нових молекул з атомів. На розрив молекул енергія витрачається, а при утворенні молекул - виділяється, при цьому ці енергія не є рівними. Зокрема, у процесі горіння метану енергія, яка виділяється є більшою, ніж та, що витрачається, тому ця реакція йде з виділенням енергії.

У процесі хімічної реакції окислення атоми Карбону з’єднуються з атомами Оксисену і утворюються молекули оксиду Карбону і води, що супроводжується вивільненням хімічної енергії та пере-

• м«

творенням π на теплову.

Теплоту, яка виділяється у процесі згоряння палива, називають теплотою згоряння палива.

Головною умовою здійснення процесу горіння є наявність пальної речовини, окислювача та джерела запалювання.

Для початку процесу горіння необхідна початкова енергія, яка розпочне процес горіння. Найчастіше за все - це нагрівання пальної речовини або внесення у неї іншої речовини, яка є розжареною (або горить). Так, для запалювання газової горілки ви підносите до неї сірник або електричну запальничку.

У процесі горіння (тобто хімічних реакцій окислення) виділяється знач-

на кількість теплоти. Ця теплота поглинається молекулами навколишнього середовища, внаслідок чого енергія теплового руху молекул прогресуюче зростає. Тому під час горіння температура середовища швидко підвищується до декількох тисяч градусів і часто супроводжується утворенням полум’я.

3. Питома теплота згоряння налива. Різні види палива мають неоднакову внутрішню будову (зокрема, різним є вміст вуглецю у різних видах палива). Тому під час згоряння однакової маси палива різних видів виділяється різна кількість теплоти.

Фізичну величину, що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згорянні палива масою 1 кг, називають питомою теплотою згоряння палива. Питому теплоту згоряння палива позначають літерою q.

Таким чином, щоб обчислити кількість теплоти, яка виділяється при повному згорянні пальної речовини масою т, треба питому теплоту згоряння палива помножити на масу речовини:

Q = r*m.

Одиницею питомої теплоти згоряння палива

цях (див. табл. 6).

Таблиця 6. Питома теплота згоряння деяких видів палива

Назва палива		Назва палива
Дрова сухі		Природний газ
Торф		Пропан
Кам’яне вугілля		Нафта
Спирт		Бензин
Антрацит		Гас
Деревне вугілля		Мазут
Дизельне паливо		Гідроген

Визначимо за допомогою таблиці значення питомої теплоти згоряння кам’яного вугілля:

Це означає, що внаслідок повного згоряння 1 кг кам’яного вугілля виділяється 2,7 · 10⁷Дж енергії. Найбільшу (з наведених у табл. 6) питому теплоту згоряння має водень:

Отже, водень є майже в чотири рази енергетично ефективнішим паливом, ніж кам’яне вугілля, і втричі — ніж нафта і нафтопродукти (бензин, гас, мазут тощо).

Сьогодні інженери-конструктори багатьох країн світу працю^ють над проек-

тами теплових двигунів, у яких би окислювався Гідроген (двигуни на водневому паливі). Використання цього виду палива вигідне не лише економічно, а й з точки зору екології. Внаслідок згоряння водню утворюється чиста вода, а не шкідливі для організму людини вуглекислий і, особливо, чадний гази.

4.    Тяга. Для підтримання горіння необхідний приплив повітря, багатого на кисень, без якого горіння припиняється. Для цього створюють додатковий приплив повітря - тягу. Цей метод заснований на використанні явища конвекції і полягає у застосуванні системи «топка - труба» (рис. 69, а). Під час горіння палива у топці повітря в ній і в трубі нагрівається, його густина зменшується і воно піднімається вгору. Тиск повітря в топці й трубі стає меншим від тиску зовнішнього повітря, а тому на місце теплого повітря через піддувало надходить холодне повітря - так створюється тяга. Чим вищою є витяжна труба, тим більша тяга. На рис. 69, б показано схему створення тяги у каміні.

5.    Застосування формули питомої теплоти згоряння па лива для розв’язування задач. Знаючи питому теплоту згоряння палива, можна обчислити кількість теплоти Q, яка виділилась від згоряння будь-якої маси т палива:

Q = q · т.

Застосовуючи одержану формулу, можна розрахувати потребу в паливі даного виду:

Задача. В опалювальному котлі спалили 5 т торфу. Якою масою кам’яного вугілля можна було б замінити торф, що згорів?

Дано:    Розв’язання

Масу кам’яного вугілля визначаємо за ^тт ⁼ 5_Т ⁼ 5*10³н;г формулою:

_ 2    ^mKB. Фк.В.

За умовою задачі внаслідок згоряння кам’яного вугілля має виділитись така сама кількість теплоти, як і при згорянні торфу:

Q = Q = q · m , а Q =Q · m

ПС .В.    ¹K.в.    к.в.

ПОГЛИБТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

Що таке чадний газ і чому він є небезпечним для людини? У процесі горіння відбувається також реакція об’єднання одного атома Карбону з одним атомом Оксигену, внаслідок чого утворюється молекула так званого чадного газу CO: C + 0 = CO. Чадний газ - це небезпечна отрута, яка не має запаху. Його попадання в організм людини блокує процеси транспортування кисню та унеможливлює клітинне дихання. Основним джерелом чадного газу в атмосфері є лісові пожежі та викиди промислових підприємств, вихлопні газі автотранспорту. Утворюється чадний газ внаслідок неповного згоряння різних видів палива.

Від теорії до практики

Що таке мазут та дизельне пальне і де вони використовуються?

Мазут та дизельне пальне є продуктами переробки нафти. Мазут застосовується у якості палива для котельних установок та промислових печей. Дизельне пальне (або солярка) використовується для залізничного, вантажного та водного транспорту, у сільськогосподарській техніці. Але для автомобільних двигунів треба використовувати високоякісне дизельне пальне, яке значно відрізняється від солярки.

Розширте науковий кругозір

Чому полум’я свічки жовтогаряче, а газової горілки - голубе?

Відповідь на це запитання ви знайдете на рис. 70.

Подумайте і дайте відповідь

1.    Чому паливо має величезне значення для сучасної цивілізації? Назвіть основні види палива.

2.    На прикладі горіння метану поясніть, як у цьому процесі виділяється енергія.

3.    Дайте означення процесу горіння. Які умови та основні характеристики процесу горіння?

4.    Що називають теплотою згоряння палива? питомою теплотою згоряння палива? Яка одиниця питомої теплоти згоряння палива?

5.    Для чого у процесі горіння необхідно створювати і підтримувати тягу?

6.    Запишіть формулу, за якою визначають кількість теплоти, що виділяється під час згоряння палива.

7.    Чому водень є найбільш економічно вигідним видом палива?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 15.

1. Яка кількість теплоти виділяється при згорянні 1 кг сухих дров? природного газу?

2*. Яка енергія виділяється при повному згорянні паливної суміші, що складається з бензину об’ємом 1,5 л і спирту об’ємом 0,5 л? Густина бензину ^{15 16}

 

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Шут