§ 15. Теплота сгорания топлива. Коэффициент полезного действия нагревателя

Возьмите коробок со спичками, достаньте одну спичку. Перед вами — два холодных твердых тела. но если потереть головку спички о коробок, спичка вспыхнет. откуда берется эта энергия? Благодаря выполненной работе? однако если даже долго и с усилием тереть о коробок спичку другим концом, столько тепла не выделится. ответы на эти вопросы вы найдете в данном параграфе.

Знакомимся с разными видами топлива

Нам часто требуется увеличить температуру какого-либо тела. Так, чтобы в комнате стало теплее, нужно увеличить температуру воды в батареях отопления; чтобы приготовить пищу — температуру воздуха в духовке. Для увеличения температуры люди издавна использовали энергию, которая выделяется во время химической реакции горения топлива⁸ (см., например, рис. 15.1^.

Топливом могут служить как природные вещества (каменный уголь, нефть, торф, дрова, природный газ) (рис. 15.2), так и специально полученные человеком (керосин, бензин, порох, древесный уголь, этиловый спирт и т. д.) (рис. 15.3). Как видим, топливо бывает твердым (каменный уголь, торф, дрова, сухое горючее), жидким (нефть, керосин, бензин, дизельное топливо) и газообразным (природный газ, пропан, бутан).

Для современной цивилизации топливо — необходимое условие существования (рис. 15.4). При работе транспорта, различных механизмов в промышленности и сельском хозяйстве, при обогреве жилья и приготовлении пищи химическая энергия, «запасенная» в топливе, превращается в другие виды энергии.

Вводим понятие удельной теплоты сгорания топлива

Топливо отличается друг от друга теплотворной способностью. Убедимся в этом с помощью простого опыта.

На левую чашу весов поставим спиртовку, наполненную спиртом. Над спиртовкой подвесим сосуд с водой, измерив перед этим температуру воды. Уравновесим весы, а затем на левую чашу положим разновес массой 1 г. Равновесие весов нарушится (рис. 15.5, а). Зажжем спиртовку. По мере сгорания спирта

масса спиртовки со спиртом будет уменьшаться, и через некоторое время равновесие весов восстановится (это будет означать, что сгорел 1 г спирта) (рис. 15.5, б). В этот момент погасим спиртовку и снова измерим температуру воды.

Повторим опыт, заменив спирт керосином, и убедимся, что в этом случае вода нагреется больше. Это значит, что при сгорании 1 г керосина выделилось больше энергии, чем при сгорании 1 г спирта.

Для количественной характеристики теплотворной способности топлива применяют физическую величину, которая называется удельная теплота сгорания топлива.

Удельная теплота сгорания топлива — это физическая величина, которая характеризует данное топливо и численно равна количеству теплоты, выделяющемуся при полном сгорании 1 кг этого топлива.

Удельную теплоту сгорания топлива обозначают символом q и вычисляют по формуле:

где Q — количество теплоты, которое выделяется в ходе полного сгорания топлива массой m.

Из формулы для определения удельной теплоты сгорания топлива получим единицу этой величины в СИ — джоуль на килограмм:

Удельную теплоту сгорания разных видов топлива определяют в лабораторных условиях и заносят в таблицы (см. табл. 6 Приложения).

В табл. 6 Приложения указано, что, например, удельная теплота сгорания торфа равна 15 МДж/кг. Что это означает? Какое количество теплоты выделится при полном сгорании 2 кг торфа?

Зная удельную теплоту сгорания q и массу m топлива, можно вычислить количество теплоты Q, которое выделится в ходе полного сгорания

этого топлива: так как

Вычисляем коэффициент полезного действия (КПД) нагревателя

Для сжигания топлива используют различные нагреватели: печи и камины, газовые котлы, горелки и спиртовки, примусы, паяльные лампы и др. (рис. 15.6).

Тип нагревателя зависит от используемого в нем топлива и от того, для чего необходима теплота. Например, если надо отапливать помещение, а топливом является газ, целесообразно выбрать газовый котел; для физических опытов, во время которых топливом будет спирт, в качестве нагревателя следует взять спиртовку. Но даже с помощью самых современных нагревателей невозможно полностью использовать всю энергию,

«накопленную» в топливе. Во-первых, никакое топливо не может в ре альных условиях сгореть полностью. Во-вторых, некоторая часть энергии тратится «бесполезно» (например, уносится с продуктами сгорания, идет на нагревание окружающей среды).

Коэффициент полезного действия нагревателя — это физическая величина, характеризующая эффективность нагревателя и равная отноше нию полезно использованной теплоты ко всей теплоте, которая может быть выделена в процессе полного сгорания топлива.

КПД нагревателя вычисляют по формуле:

где η — коэффициент полезного действия нагревателя; Q_nmeaH — полезно использованная теплота; Q_iioth — вся теплота, которая может быть выделена в процессе полного сгорания данного топлива.

Обычно КПД выражают в процентах:

Учимся решать задачи

Задача. Туристы остановились на привал у ручья и решили приготовить чай. Какое количество сухих дров нужно заготовить туристам, чтобы закипятить 10 кг воды? Вода получает 15 % энергии, выделяющейся при полном сгорании дров. Температура воды в ручье 15 °С.

, Подводим итоги

Химическая реакция горения топлива происходит с выделением теплоты. Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива, вычисляют по формуле Q = qm , где q — удельная теплота сгорания топлива; m — масса топлива.

Удельная теплота сгорания топлива равна количеству теплоты, выделяющемуся в процессе полного сгорания 1 кг этого топлива. Эта физическая величина является характеристикой теплотворной способности

топлива и измеряется в джоулях на килограмм

Контрольные вопросы    —

1. Какие виды топлива вы знаете? 2. Опишите опыт, подтверждающий, что при горении разного топлива выделяется разное количество теплоты. 3. Каков физический смысл удельной теплоты сгорания топлива? В каких единицах ее измеряют? 4. Как вычислить количество теплоты, выделяющееся в процессе полного сгорания топлива? 5. Дайте определение КПД нагревателя.

Упражнение № 15

1.    Удельная теплота сгорания пороха меньше удельной теплоты сгорания дров. Почему же горящая в руке спичка — это достаточно безопасно, а когда вспыхивает такая же масса пороха, можно серьезно пострадать?

2.    Какое количество теплоты выделится при полном сгорании каменного угля массой 10 кг?

3.    В процессе полного сгорания керосина выделилось 92 кДж теплоты. Какова масса сгоревшего керосина?

4.    На спиртовке нагрели 300 г воды от 15 до 75 °С. Определите КПД нагревателя, если на нагревание было израсходовано 8 г спирта.

5.    В чайник налили 2 л воды при температуре 20 °С и поставили на газовую горелку. На нагревание воды использовали 42 г природного газа. Определите температуру воды в чайнике, если вода получила 40 % тепла, которое может быть выделено при полном сгорании этого газа.

6.    Объясните, почему при сжигании сырых дров выделяется меньше теплоты, чем при сжигании такой же массы сухих дров.

г 7. Установите соответствие между физической величиной и выражением для ее определения.

Экспериментальное задание

Запишите план проведения эксперимента по определению КПД нагревателя с сухим горючим. Какие приборы и материалы для этого нужны? По возможности проведите эксперимент.

Физика и техника в Украине

Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича был основан в 1875 г. указом императора Австро-Венгрии Франца Иосифа. Тогда в университете были только теологический, философский и юридический факультеты.

Сегодня на базе университета работают 2 института (Институт биологии, химии и биоресурсов, Институт физико-технических и компьютерных наук) и 11 факультетов; обучается около 20 тыс. студентов. Учебно-научную работу обеспечивают свыше 100 докторов наук, профессоров, около 700 кандидатов наук, доцентов. Среди основных направлений исследований, связанных с физикой, можно назвать теоретические и прикладные исследования полупроводникового материаловедения; разработку новых технологий, материалов, микросхем и приборов для опто-, радио-и микроэлектроники, полупроводникового приборостроения; статическую оптику; голографию и др.

С 2005 г. ректор университета — Степан Васильевич Мельничук.