Сгорание топлива
Интеграции
Введение Вспомним основные понятия, которые мы изучили за это время. При нагревании и охлаждении количество теплоты рассчитывается по формуле Q = cm(t_{2} - t_{1}) Фазовый переход — это изменение агре...
Введение
Вспомним основные понятия, которые мы изучили за это время.
При нагревании и охлаждении количество теплоты рассчитывается по формуле
Q = cm(t_{2} - t_{1})
Фазовый переход — это изменение агрегатного состояния вещества. Переход из твёрдого состояния в жидкое называется плавлением, обратный переход — кристаллизацией.
Q = \lambda m
Ещё один фазовый переход — из жидкого состояния в газообразное.
Q = Lm
Теплоту можно получать из разных источников. Один из них — сгорание топлива.
Сгорание топлива
Количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, определяется формулой
Q = qm
В этой формуле Q — количество теплоты в джоулях, m — масса вещества в килограммах. Новая физическая величина q выражается из этой формулы.
Удельная теплота сгорания топлива
Новая величина равна отношению количества теплоты Q к массе вещества m\text{.} Как и в предыдущих формулах, деление на массу подсказывает слово «удельная». Значит, это удельная теплота сгорания топлива:
q = \frac{Q}{m}
Размерность этой величины — джоуль на килограмм: в числителе стоит количество теплоты, в знаменателе — масса.
\lbrack q\rbrack = \left\lbrack \frac{Дж}{кг} \right\rbrack
Такую же размерность имеют ещё две рассмотренные физические величины. Удельная теплота плавления \lambda и удельная теплота парообразования L также измеряются в джоулях на килограмм.
\lbrack\lambda\rbrack = \left\lbrack \frac{Дж}{кг} \right\rbrack\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \lbrack L\rbrack = \left\lbrack \frac{Дж}{кг} \right\rbrack
Поэтому при выборе формулы нужно понимать, какой процесс происходит: плавление, кипение или сгорание.
На начальном этапе изучения материала помогают треугольники формул. В данном случае треугольник связывает удельную теплоту сгорания топлива, массу и количество теплоты.
Например, если в треугольнике формул закрыть массу, станет видно, что для её нахождения количество теплоты нужно разделить на удельную теплоту сгорания топлива:
m = \frac{Q}{q}.
Удельная теплота сгорания топлива показывает, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1\ \text{кг.}
Удельная теплота сгорания топлива — табличная величина. Используя её значения, можно решать задачи.
Вещество
Удельная теплота сгорания топлива
( \text{МДж}/\text{кг} )
Вещество
Удельная теплота сгорания топлива
( \text{МДж}/\text{кг} )
Бензин
46
Керосин
46
Водород
120
Нефть
44
Древесный уголь
34
Порох
3,8
Дрова (береза сух.)
10
Природный газ
44
Дрова (сосна)
10
Спирт
27
Каменный уголь
27
Торф
14
В таблице значения удельной теплоты сгорания топлива приведены в мегаджоулях на килограмм. Наибольшее из представленных значений соответствует водороду. Однако чистый водород не используют для отопления: в определённой концентрации с кислородом он образует очень взрывоопасную смесь.
Выбор топлива связан и с историей. Во время освоения Демидовыми Урала и строительства первых заводов работали углежоги: они получали из дров древесный уголь, необходимый промышленности.
Дрова дают сравнительно немного теплоты: 10\ \text{МДж}/\text{кг,} то есть 10^{7}\ \text{Дж}/\text{кг.} Тем не менее в России есть территории, где для отопления используется сгорание дров. Сухие сосна и берёза выделяют одинаковое количество теплоты. Выбор топлива на конкретной территории связан с её географией.
В нижней строке таблицы приведён торф. В Западной Сибири находится Васюганское болото — крупнейшее болото в мире и целая экосистема. В болотах часто добывают торф. Крупные торфяные залежи окружают Москву; их пожары приводили к сильному задымлению города. В Белоруссии, где много озёр и болот, торф также используется как топливо. Таким образом, среди используемых видов топлива — дрова, торф и уголь.
В таблице рассматривается каменный уголь. Древесный уголь получают из дров, как в примере с углежогами. Уголь высшего качества называется антрацитом.
Уголь добывают в угольных бассейнах открытым и закрытым способами. При открытой добыче страдают плодородные слои почвы. Закрытая добыча ведётся в шахтах — подземных горных выработках. Примеры угольных бассейнов — Кузбасс и Донбасс. Кузбасс — это Западная Сибирь, а Донбасс — новые территории нашей страны. Поэтому уголь — тот вид топлива, который хорошо используется для получения теплоты.
Задача
Условие
Почему порох не используют в качестве топлива?
Решение
При сгорании пороха выделяется теплота, а в патроне это приводит к движению пули. Причиной отказа от пороха как топлива служит небольшая удельная теплота сгорания по сравнению с другими видами топлива.
Ответ причина — небольшая удельная теплота сгорания пороха по сравнению с другими видами топлива.
Природные богатства нашей страны позволяют использовать в качестве топлива ещё и природный газ.
В России имеются большие запасы природного газа. Один килограмм газа при полном сгорании выделяет 44 миллиона джоулей теплоты. Поэтому газ активно используется для приготовления пищи и отопления помещений.
Значительная часть московских домов газифицирована: наряду с электрическими используются газовые плиты. Для отопления в самой Москве природный газ не используется. В Краснодарском крае вдоль домов видны жёлтые газовые трубы, по которым можно определить, что населённый пункт газифицирован.
Человек давно научился использовать внутреннюю энергию топлива. Это позволило создать первые тепловые машины и способствовало научно-техническому прогрессу.
Первая паровая машина имела низкий коэффициент полезного действия. КПД первой тепловой машины Джеймса Уатта составлял порядка 6\%\text{.} Современные тепловые машины имеют КПД порядка 30 - 40\% и чуть больше 40\%\text{.} Они широко используются; именно тепловые машины позволили создать первые пароходы и паровозы.
Пример
В фильмах первой половины XX века на паровозе рядом с машинистом можно увидеть кочегара. Он забрасывал уголь в топку. Уголь сгорал, вода в котле закипала, пар двигал поршни, и паровоз шёл вперёд.
Создание первого паровоза связано с Черепановым, крепостным Демидовых. Он родился и жил в Тульской области, а затем был перевезён на Уральские заводы. Там вода подтапливала шахты, и её требовалось откачивать для добычи руды и работы заводов.
Черепанов создавал паровоз, опираясь на изученный опыт. Демидов оплатил его поездку за рубеж для знакомства с производствами. Машины ему показывали с условием не делать записей, поэтому заметки он восстанавливал по памяти, возвращаясь в снятое жильё.
Вернувшись на родину, он разработал первый паровоз, который был запущен на Уральском заводе. За своё изобретение Черепанов попросил свободу себе и своей семье, но просьба была выполнена лишь частично. Освобождение от крепостного права получил сам Черепанов; его жена и сын такой свободы не получили.
Таким образом, история производства связана с физикой сгорания топлива и использованием выделяющейся теплоты.