§ 13. Згоряння палива
Основним джерелом енергії для забезпечення руху залізничних локомотивів, автомобілів і тракторів, літаків тощо є різні види палива. У промисловості, на транспорті та в побуті використовують такі види палива: вугілля, горючі сланці, нафту, бензин, дизельне паливо, природний газ тощо.
З’ясуємо, за яких умов відбувається повне згоряння палива і які його наслідки.
Дослід 1. Запалимо свічку. Вона буде горіти. Накриємо її скляною посудиною (мал. 86, а). Через певний час свічка згасне (мал. 86, б). Чому?
Процес горіння відбувається за наявності повітря.
Дослід 2. Циліндр з поршнем з’єднуємо зі скляною кулею. На поршень ставимо гирю. Нагріваємо кулю, спалюючи сухе паливо. Повітря, яке нагрівається в кулі, розширюється і виштовхує поршень, піднімаючи гирю, тобто виконує роботу.
Під час спалювання палива виділяється енергія, за рахунок якої може виконуватися робота.
Вугілля, нафта, мазут, дерево містять вуглець (табл. 6). Під час горіння молекули Карбону сполучаються з молекулами Оксигену, який міститься в повітрі. Кожна молекула Карбону взаємодіє з двома молекулами Оксигену, утворюючи при цьому молекулу вуглекислого газу. Під час утворення цієї молекули виділяється енергія.
Під час повного згоряння 1 моля вуглецю утворюється вуглекислий газ і виділяється енергія:
С + О2 = СО2 + 402 кДж.
Горіння пов’язане з руйнуванням одних молекул і утворенням інших, наприклад, під час горіння метану утворюються вуглекислий газ і вода (мал. 87) з виділенням енергії:
Під час горіння зміна внутрішньої енергії речовини відбувається не шляхом теплообміну чи виконання роботи тілом або над тілом, а в результаті термохімічних реакцій за участю палива. При цьому енергія руху молекул продуктів згоряння, а отже і їхня температура, буде більшою, ніж у молекул палива.
Горіння палива — це процес сполучення молекул палива з молекулами Оксигену, який супроводжується виділенням певної кількості теплоти і утворенням нових речовин (табл. 6).
Основні характеристики певних видів палива
Назва палива
Дерево сухе
Кам’яне вугілля
Органічні речовини (83 %), у тому числі:
(Антрацит містить 95 % вуглецю)
Температура загоряння палива (за присутності повітря і під час контакту з полум’ям)
Спалювання 1 кг палива потребує
Після повного згоряння 1 кг палива виділяється
Кількістю теплоти, яка виділяється під час повного згоряння 1 кг палива, можна нагріти до температури кипіння
Дослід 3. Дві однакові склянки наповнимо водою однакової маси. Під однією склянкою запалимо одну таблетку сухого палива, а під другою – дві таблетки. Температуру води в склянках виміряємо за допомогою термометрів. Після повного згоряння сухого палива температура води у другій склянці виявиться вищою, ніж у першій.
Кількість теплоти, яка виділяється під час повного згоряння палива, залежить від маси палива.
Під час конструювання і виготовлення теплових двигунів завжди треба знати, яка кількість теплоти потрібна для роботи певного двигуна, а отже, враховувати вид палива. Для визначення потрібної кількості палива треба знати, яка кількість теплоти виділяється під час повного його згоряння. Щоб порівнювати, який вид палива під час його повного згоряння виділяє більше теплоти, ввели фізичну величину – питому теплоту згоряння палива.
Кількість теплоти, яка виділяється під час повного згоряння 1 кг палива, називають питомою теплотою згоряння палива.
Питому теплоту згоряння палива позначають малою латинською літерою q. Одиницею питомої теплоти згоряння палива в СІ є один джоуль на кілограм (1 Дж/кг). На практиці здебільшого застосовують кратну величину – один мегаджоуль на кілограм (1 МДж/кг).
1 МДж/кг = 1000 000 Дж/кг.
Питома теплота згоряння палива – це фізична величина, що є енергетичною характеристикою різних видів палива.
Її значення для поширених видів палива наведено в таблиці 7.
Питома теплота згоряння палива
Назва палива
Питома теплота згоряння палива q, МДж/кг
Назва палива
Питома теплота згоряння палива q, МДж/кг
Назва палива
Питома теплота згоряння палива q, МДж/кг
Умовне паливо – узагальнена одиниця обліку органічного палива – нафти і її похідних, сланців і кам’яного вугілля, газу, торфу, що використовується для обчислення коефіцієнта корисної дії різних видів палива.
Зауважимо, що наведені у таблиці 7 дані відповідають кількості теплоти, що виділяється під час повного згоряння палива.
Щоб підрахувати, яка кількість теплоти виділиться під час повного згоряння 5 кг гасу, треба міркувати так. Під час згоряння 1 кг гасу виділяється 46 МДж теплоти. Коли згорить 5 кг гасу, кількість виділеної теплоти буде в 5 разів більша, а саме: 46 МДж • 5 = 230 МДж.
Щоб визначити кількість теплоти Q, яка виділяється внаслідок повного згоряння даної маси певного виду палива, треба питому теплоту згоряння цього виду палива q помножити на масу палива m: Q = qm.
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО.
Під час неповного згоряння вуглецю, що міститься в паливі, у печах або котлах, у двигунах внутрішнього згоряння виділяється оксид вуглецю (чадний газ): 2С + О2 = 2СО. Ця сполука – сильна отрута! Вона не має кольору, запаху (у чистому вигляді), трохи легша за повітря, погано розчиняється у воді, має дуже низьку температуру кипіння (-191,5 °С). Чадний газ краще, ніж кисень, сполучається з гемоглобіном крові. Виникає кисневе голодування, що супроводжується головним болем, непритомністю. Якщо в повітрі приміщення міститься 0,4 % чадного газу, то внаслідок сильного отруєння настає смерть. Щоб надати першу допомогу потерпілому, потрібно його винести на свіже повітря і зробити штучне дихання.
ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО
- 1. Що називають питомою теплотою згоряння палива?
- 2. Які види палива мають найбільшу питому теплоту згоряння? Найменшу?
- 3. Якими способами досягають повного згоряння палива?
РОЗВ’ЯЗУЄМО РАЗОМ
1. Кожне паливо за присутності повітря і в контакті з вогнем загоряється за певної температури: наприклад, мазут – за температури 55 °С; суха деревина – за температури 300 °С; кам’яне вугілля – за температури 600 °С. Чи можна розпалити котел, засипавши у нього кам’яне вугілля першим?
Відповідь: не можна, кам’яне вугілля не загориться, тому що в котлі не досягнуто відповідної температури.
2. Яку кількість води можна нагріти від 0 до 100 °С, спаливши 1 кг водню?
Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. ТЕПЛОВІ МАШИНИ ТА МЕХАНІЗМИ
Горіння. Досить часто людина добуває теплову енергію, спалюючи різні речовини. Це пояснюється тим, що горіння супроводжується виділенням теплоти.
Горіння — це фізико-хімічний процес, під час якого відбувається окиснення речовини з 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- хімічні процеси горіння й види горючих речовин, зупинимося лише на деяких із них. Зокрема, на процесах горіння, пов’язаних з окисненням вуглецю. Звичайне паливо (вугілля, нафта, бензин тощо) містить вуглець. Під 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, с. 84). Так, щоб запалити речовину в повітрі, спочатку потрібно її нагріти до певної температури — температури займання. Для різних речовин вона є різною. 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.
Мал. 60. Умови початку горіння
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, що виділяється внаслідок згорання палива. Питома теплота згорання. Процес горіння супроводжується виникненням полум’я (теплом і світлом) та виділенням диму (продукти 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 — 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 наведені 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:
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 показує, яку частину становить кількість теплоти, що йде на нагрівання (Q) по відношенню до кількості теплоти, що виділяється від згорання палива (Qзг):
ККД нагрівника характеризує ефективність використання теплоти, отриманої внаслідок згорання палива. Для того щоб підвищити ККД нагрівника, необхідно збільшувати корисну енергію, тобто зменшувати втрати теплоти не за призначенням.
– Горіння — це фізико-хімічний процес, який супроводжується виділенням тепла і світла.
– Питомою теплотою згорання палива (q) 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 m палива, обчислюється за формулою: Q = qm.
1. Що таке горіння? Опишіть фізичне явище, що лежить в основі використання палива як джерела енергії.
2. Чому для одержання теплової енергії використовують паливо?
3. Що називають питомою теплотою згорання палива? Які види палива мають найбільшу питому теплоту згорання?
4. Що характеризує ККД нагрівника?
1. Чому одним сірником можна запалити дерев’яну тріску, але неможливо запалити великий шматок деревини?
2. Чому, гасячи багаття, його розгортають по землі?
3. Як правильно прочитати вираз q = : а) «питома теплота згорання прямопропорційна 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
Задача 1. 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?
Унаслідок згорання палива виділяється кількість теплоти:
Q = 25 ∙ 10 6 40 кг = 1000 ∙ 10 6 Дж = 10 9 Дж.
З формули кількості теплоти Q = cm(t – t0) визначаємо масу води, враховуючи, що
Відповідь: Q = 10 9 Дж , m = 4800 кг.
Задача 2. 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?
Масу води визначаємо за її густиною та об’ємом:
m = pV = 10 8 0,5 ∙ 10 -3 м 3 = 0,5 кг.
Ураховуючи, що ККД нагрівника показує, яку частину становить кількість теплоти, що йде на нагрівання по відношенню до кількості теплоти, що виділяється від згорання палива, можна записати:
1. Яку масу води, узятої за температури 10 °С, можна нагріти до 50 °С, спаливши 30 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 ІІ), 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 ІІ) від їхньої маси, визначте сумарну кількість теплоти, що виділяється внаслідок повного згорання палива І масою 2 кг і палива II 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 30 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.
Підручник Фізика 8 клас – В.Д. Сиротюк – Генеза 2016 рік
Основним джерелом енергії для забезпечення руху залізничних локомотивів, автомобілів і тракторів, літаків тощо є різні види палива. У промисловості, на транспорті та в побуті використовують такі види палива: вугілля, горючі сланці, нафту, бензин, дизельне паливо, природний газ тощо.
З’ясуємо, за яких умов відбувається повне згоряння палива і які його наслідки.
Дослід 1. Запалимо свічку. Вона буде горіти. Накриємо її скляною посудиною (мал. 86, а). Через певний час свічка згасне (мал. 86, б). Чому?
Процес горіння відбувається за наявності повітря.
Дослід 2. Циліндр з поршнем з’єднуємо зі скляною кулею. На поршень ставимо гирю. Нагріваємо кулю, спалюючи сухе паливо. Повітря, яке нагрівається в кулі, розширюється і виштовхує поршень, піднімаючи гирю, тобто виконує роботу.
Під час спалювання палива виділяється енергія, за рахунок якої може виконуватися робота.
Вугілля, нафта, мазут, дерево містять вуглець (табл. 6). Під час горіння молекули Карбону сполучаються з молекулами Оксигену, який міститься в повітрі. Кожна молекула Карбону взаємодіє з двома молекулами Оксигену, утворюючи при цьому молекулу вуглекислого газу. Під час утворення цієї молекули виділяється енергія.
Під час повного згоряння 1 моля вуглецю утворюється вуглекислий газ і виділяється енергія:
Горіння пов’язане з руйнуванням одних молекул і утворенням інших, наприклад, під час горіння метану утворюються вуглекислий газ і вода (мал. 87) з виділенням енергії:
Під час горіння зміна внутрішньої енергії речовини відбувається не шляхом теплообміну чи виконання роботи тілом або над тілом, а в результаті термохімічних реакцій за участю палива. При цьому енергія руху молекул продуктів згоряння, а отже і їхня температура, буде більшою, ніж у молекул палива.
Горіння палива — це процес сполучення молекул палива з молекулами Оксигену, який супроводжується виділенням певної кількості теплоти і утворенням нових речовин (табл. 6).
Основні характеристики певних видів палива
Органічні речовини (83 %), у тому числі:
(Антрацит містить 95 % вуглецю)
Температура загоряння палива (за присутності повітря і під час контакту з полум’ям)
Спалювання 1 кг палива потребує
Після повного згоряння 1 кг палива виділяється
Кількістю теплоти, яка виділяється під час повного згоряння 1 кг палива, можна нагріти до температури кипіння
Дослід 3. Дві однакові склянки наповнимо водою однакової маси. Під однією склянкою запалимо одну таблетку сухого палива, а під другою – дві таблетки. Температуру води в склянках виміряємо за допомогою термометрів. Після повного згоряння сухого палива температура води у другій склянці виявиться вищою, ніж у першій.
Кількість теплоти, яка виділяється під час повного згоряння палива, залежить від маси палива.
Під час конструювання і виготовлення теплових двигунів завжди треба знати, яка кількість теплоти потрібна для роботи певного двигуна, а отже, враховувати вид палива. Для визначення потрібної кількості палива треба знати, яка кількість теплоти виділяється під час повного його згоряння. Щоб порівнювати, який вид палива під час його повного згоряння виділяє більше теплоти, ввели фізичну величину – питому теплоту згоряння палива.
Кількість теплоти, яка виділяється під час повного згоряння 1 кг палива, називають питомою теплотою згоряння палива.
Питому теплоту згоряння палива позначають малою латинською літерою q. Одиницею питомої теплоти згоряння палива в СІ є один джоуль на кілограм (1 Дж/кг). На практиці здебільшого застосовують кратну величину – один мегаджоуль на кілограм (1 МДж/кг).
Питома теплота згоряння палива – це фізична величина, що є енергетичною характеристикою різних видів палива.
Її значення для поширених видів палива наведено в таблиці 7.
Питома теплота згоряння палива
Умовне паливо – узагальнена одиниця обліку органічного палива – нафти і її похідних, сланців і кам’яного вугілля, газу, торфу, що використовується для обчислення коефіцієнта корисної дії різних видів палива.
Зауважимо, що наведені у таблиці 7 дані відповідають кількості теплоти, що виділяється під час повного згоряння палива.
Щоб підрахувати, яка кількість теплоти виділиться під час повного згоряння 5 кг гасу, треба міркувати так. Під час згоряння 1 кг гасу виділяється 46 МДж теплоти. Коли згорить 5 кг гасу, кількість виділеної теплоти буде в 5 разів більша, а саме: 46 МДж ∙ 5 = 230 МДж.
Щоб визначити кількість теплоти Q, яка виділяється внаслідок повного згоряння даної маси певного виду палива, треба питому теплоту згоряння цього виду палива q помножити на масу палива m: Q = qm.
Під час неповного згоряння вуглецю, що міститься в паливі, у печах або котлах, у двигунах внутрішнього згоряння виділяється оксид вуглецю (чадний газ): 2С + О 2 = 2СО. Ця сполука – сильна отрута! Вона не має кольору, запаху (у чистому вигляді), трохи легша за повітря, погано розчиняється у воді, має дуже низьку температуру кипіння (-191,5 °С). Чадний газ краще, ніж кисень, сполучається з гемоглобіном крові. Виникає кисневе голодування, що супроводжується головним болем, непритомністю. Якщо в повітрі приміщення міститься 0,4 % чадного газу, то внаслідок сильного отруєння настає смерть. Щоб надати першу допомогу потерпілому, потрібно його винести на свіже повітря і зробити штучне дихання.
1. Що називають питомою теплотою згоряння палива?
2. Які види палива мають найбільшу питому теплоту згоряння? Найменшу?
3. Якими способами досягають повного згоряння палива?
1. Кожне паливо за присутності повітря і в контакті з вогнем загоряється за певної температури: наприклад, мазут – за температури 55 °С; суха деревина – за температури 300 °С; кам’яне вугілля – за температури 600 °С. Чи можна розпалити котел, засипавши у нього кам’яне вугілля першим?
Відповідь: не можна, кам’яне вугілля не загориться, тому що в котлі не досягнуто відповідної температури.
2. Яку кількість води можна нагріти від 0 до 100 °С, спаливши 1 кг водню?
Кількість теплоти, яка виділяється за повного згоряння палива, визначаємо за формулою: Q = qm.
Кількість теплоти, яку потрібно затратити для нагрівання води, визначаємо за формулою: Q = сm в(t 2 – t 1).
Вважаємо, що вся енергія, яка виділилася під час спалювання водню, піде на нагрівання води. Тоді: qm = сm в(t 2 – t 1).
Підставивши значення величин, отримаємо:
95. Назвіть усі види палива, які ви знаєте.
96. Які види палива використовують для опалювання в Україні?
97. Що означає запис: «теплота згоряння антрациту 3,0 ∙ 10 7 Дж/кг, сухих дров 1,1 ∙ 10 7 Дж/кг»?
98. Чи однакову кількість дров, кам’яного вугілля, торфу треба спалити в грубці, щоб нагріти повітря кімнати до однакової температури?
99. Чому під час спалювання сирих дров виділяється менша кількість теплоти, ніж від спалювання сухих?
100. У котлі спалили 12 кг кам’яного вугілля. Яка кількість теплоти при цьому виділилась?
101. Спалюють 2 кг кам’яного вугілля, яке містить 90 % чистого вуглецю. Визначте масу вуглекислого газу, який під час цього виділяється, якщо під час спалювання 12 г чистого вуглецю виділяється 44 г вуглекислого газу.
102. Вуглекислий газ складається з двох хімічних елементів: Карбону (27,2 %) і Оксигену (72,8 %). Визначте, яка маса кисню міститься в 50 г вуглекислого газу, яка маса вуглецю міститься в 25 г вуглекислого газу? Які маси вуглецю і кисню треба поєднати, щоб отримати 200 г вуглекислого газу?
103. Розміри кімнати: довжина – 4 м, ширина – 2,8 м, висота – 2,5 м. Яка маса сухої деревини може повністю згоріти, використавши весь кисень, що міститься в повітрі кімнати? Повне спалювання 10 кг сухої деревини потребує 7 м 3 кисню. За нормального атмосферного тиску об’єм кисню становить 0,2 від об’єму повітря в кімнаті.
104. Яка кількість теплоти виділиться під час повного згоряння 15 кг деревного вугілля? 7 кг спирту? Порівняйте ці кількості теплоти. Зробіть висновки.
105. На скільки градусів можна було б нагріти 2 кг води під час повного спалювання 10 г спирту, якби вся виділена енергія пішла на нагрівання води?
106. За графіком залежності (мал. 88) кількості теплоти, яка виділяється під час повного згоряння метану (1), бензину (2), антрациту (3), бурого вугілля (4), сухого торфу (5), горючих сланців (6), свіжої деревини (7) і твердого ракетного палива (3), від маси палива визначте:
а) кількість теплоти, яка виділяється під час повного згоряння 2 кг сухого торфу;
б) питому теплоту згоряння бензину;
в) яке паливо має найбільшу питому теплоту згоряння; найменшу;
г) скільки деревини треба спалити, щоб виділилося 20 МДж енергії;
д) яку масу горючих сланців треба спалити, щоб одержати таку саму кількість теплоти, як і в результаті повного згоряння 0,5 кг бензину;
е) скільки антрациту треба спалити, щоб нагріти цинкове відро з водою від 0 до 100 °С. Маса відра – 1 кг, об’єм – 10 л.