Удельная теплота сгорания — формула и обозначения

Покажем, как применять знание физики в жизни

Начать учиться

Погреться у батареи зимой и заварить чаёк не получилось бы, если бы человечество не научилось использовать энергию. А рождается эта энергия благодаря сгоранию топлива.

Виды топлива

Человеку очень нужно тепло для всех процессов жизнедеятельности: например, для обогрева жилища, готовки, плавления металлов и получения других видов энергии. Чтобы получать тепло и свет, человек использует топливо. Когда люди впервые добыли огонь, без топлива тоже не обошлось — им послужила древесина.

Топливо — это любое вещество, выделяющее энергию в ходе сгорания.

Существует четыре группы видов топлива:

• твердое топливо,
• жидкое топливо,
• газообразное топливо.

На самом деле есть еще четвертая группа — ядерное топливо, но в этом случае механизм получения энергии другой. О нем мы рассказали в статье про ядерный реактор.

К твердому топливу относятся:

• древесина,
• горючие сланцы,
• уголь,
• торф.

Ископаемые твердые виды топлива, кроме сланцев, являются продуктом разложения органической массы растений. Торф — самый молодой из них, он представляет собой плотную массу, которая образовалась из перегнивших болотных растений. Уже не такие молодые (скажем, средних лет 🤣) бурые угли — это темная однородная масса, которая окисляется и рассыпается на свежем воздухе. Горючие сланцы — полезные ископаемые, дающие смолу. Каменные угли — ребята с повышенной прочностью и небольшой пористостью.

Жидкое топливо — это, например, бензин или нефть. Газообразное — это смесь, содержащая в себе водород и окись углерода.

В горючей части топлива всегда есть углерод, кислород, водород, сера и азот. Кислород в соединении с углеродом или водородом уменьшает тепло, которое выделяется в процессе горения. Азот переходит в продукты сгорания, не окисляясь. Сера — вредная примесь, при сгорании которой выделяется в 4 раза меньше теплоты, чем при сгорании углерода.

Узнай, какие профессии будущего тебе подойдут

Пройди тест — и мы покажем, кем ты можешь стать, а ещё пришлём подробный гайд, как реализовать себя уже сейчас

Удельная теплота сгорания топлива

Удельная теплота сгорания определяет энергетическую ценность топлива. Эта величина фигурирует в формуле количества теплоты, выделяемого при сгорании топлива.

Удельная теплота сгорания — это табличная величина, которая показывает, какое количество энергии выделится при сгорании 1 кг топлива.

Ниже представлены таблицы с некоторыми значениями удельной теплоты сгорания.

Твердое топливо

Жидкое топливо

Газообразное топливо

Решение задач

Задачка простая

В топке паровой машины сгорело 50 кг каменного угля, удельная теплота сгорания которого равна 30 МДж/кг. Какое количество теплоты выделилось в этом процессе?

Решение

В условии задачи есть все необходимые данные, поэтому переводим их в СИ и подставляем в формулу.

СИ — международная система единиц. «Перевести в СИ» означает перевести все величины в метры, секунды и другие единицы измерения без приставок. Исключение — килограмм с приставкой «кило».

Переводим удельную теплоту сгорания в СИ:

30 МДж/кг = 30 000 000 Дж/кг

Подставляем значения в формулу:

Q = qm = 30 000 000 50 = 1 500 000 000 = 1500 МДж

Ответ: в процессе сгорания выделилось 1500 МДж.

Задачка сложная

Сколько килограммов воды можно нагреть на спиртовке при температуре 30°С, если сжечь в ней 21 грамм спирта? КПД спиртовки равен 30%.

Удельная теплота сгорания спирта — 2,9·10⁷ Дж/кг.

Удельная теплоемкость воды — 4200 Дж/(кг·°С).

Решение

кг

Ответ: можно нагреть 1,45 кг воды.

Попробуйте подготовку к ЕГЭ по физике онлайн с опытным преподавателем в Skysmart!

Карина Хачатурян

К предыдущей статье

146.4K

Ускорение свободного падения

К следующей статье

Фотон

Получите индивидуальный план обучения физике на бесплатном вводном уроке

На вводном уроке с методистом

1. Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению

2. Расскажем, как проходят занятия

3. Подберём курс

бензина, керосина, дизельного топлива, газов, высшая, низшая

У любого вида топлива есть набор характеристик, которые определяют его класс и качество. К одному из основных показателей относится удельная теплота сгорания. Этот параметр количественно выражает теплоту, выделяемую при сгорании одного килограмма топлива (если речь идет о жидком или твердом продукте) или 1 кубического метра топлива (для газообразного вещества).

Почему удельная теплота сгорания – это важная характеристика для топлива, что такое низшая теплота и что показывает температура возгорания – об этом поговорим в данной статье.

Содержание:

1. Удельная теплота сгорания топлива
2. Теплота сгорания низшая и высшая
3. Удельная теплота сгорания бензина
4. Удельная теплота сгорания керосина
5. Удельная теплота сгорания дизельного топлива
6. Теплота сгорания топлива: таблица

Удельная теплота сгорания топлива

Полностью сгорая, определенное количество топлива выделяет конкретное количество тепла. Чем больше тепла выделяется одним килограммом или литром топлива (в этой статье преимущественно речь пойдет о жидком топливе), тем больше энергетической ценностью он обладает. А это значит, что топливо будет расходоваться экономично.

В физике используется формула вычисления Q = q * m, где Q – это количество выделенной теплоты в Дж, q – удельная теплота сгорания, выраженная в Дж/м3, m – масса в килограммах. Чем выше q, тем больше энергии получается в процессе работы двигателя.

Путем сложных исследовательских процессов была определена стандартная удельная теплота сгорания большинства видов твердого, жидкого и газообразного топлива, поэтому q представляет собой табличную величину. Удельная теплота сгорания самых востребованных жидких видов смесей колеблется в пределах 43-46 МДж/кг.

Теплота сгорания низшая и высшая

Поскольку определение точной удельной теплоты – это сложный процесс, необходимо заранее определиться с используемыми терминами. В нашем случае нужно отделить низкую теплоту сгорания от высшей.

Высшая теплота – это количество теплоты при сгорании топлива в полном объеме, включая выпадение конденсата в виде водяных паров во время охлаждения веществ. Процесс горения сопровождается выделением воды из-за содержания в топливном продукте органического водорода, под воздействием высокой температуры вода переходит в состояние пара. Низшая теплота не включает в себя конденсацию паров – в этом случае конденсация количественно выражается в скрытой теплоте сгорания.

В исследовательской среде низшая теплота сгорания принимается за 100%, а охлаждение горючего допускается до температуры, при которой начинается конденсироваться пар. Все остальное относят уже к области скрытой теплоты сгорания, которая может дополнительно составлять свыше 10%.

Посчитать низшую теплоту корректно не считается возможным, поэтому её определяют путем вычитания из количественного выражения высшей теплоты сгорания числового выражения теплоты, получаемой от образования водяных паров как самого топлива, так и продуктов сжигания. Низшая теплота является табличной величиной и для основных видов топлива определена путем тестирований.

Поскольку q определена как справочная величина, становится легко сравнить целесообразность использования того или иного вида топлива в различных ситуациях. Благодаря составленным таблицам можно сравнить энергоэффективность твердого и жидкого топлива с газовым эквивалентом. Так, один литр бензина по КПД сопоставим с 1,3 м3 газового топлива.

Удельная теплота сгорания бензина

Удельная теплота сгорания бензина не зависит от октанового числа топлива и определяется только химическим составом продукта. Чем больше в нем соединений водорода, тем больше влаги и паров будет образовываться во время горения и тем ниже будет удельная теплота. Это прямым образом снижает КПД продукта.

Определенная исследовательским методом удельная теплота бензина составляет 43,5–44,5 МДж/кг. Для примера – числовая характеристика для бензина марки АИ-93 – 43,6 МДж/кг. А вот у авиационного бензина (Б-70 в соответствии с ГОСТ) показатель уже равен 44,1 МДж/кг. Это значит, что Б-70 – более энергоэффективное топливо.

На практике, простому автолюбителю определить влияние удельной теплоты сгорания на работу транспортного средства сложно. Однако существуют ситуации, в которых происходит заметное снижение количества теплоты и энергии топлива. Одна из них – наличие в составе топливной массы минеральных соединений и несгорающих остатков. Концентрация горючей массы снижается, а минеральные соединения и зола, не подверженные сгоранию, забирают часть выделяемой энергии.

Наличие серного компонента в составе топливного продукта также снижает q. В процессе нагрева и горения, сера выделяет газ, который оседает на внутренних деталях рабочего механизма и попадает в легкие человека. Это приводит к образованию коррозии и преждевременному изнашиванию рабочих элементов, загрязняет окружающий воздух. Поэтому очень важно выбирать топливо, свободное от большинства вредных примесей, и заправляться в проверенных сетях АЗС, следящих за репутацией представляемых продуктов.

Удельная теплота сгорания керосина

Химическая структура керосина представляет собой прямую или разветвленную цепь углеводородов, различные добавки и присадки позволяют использовать этот нефтяной дистиллят для массового питания автотранспортных средств.

Чтобы использование керосина в качестве топлива было оправдано, выбранная марка этой горючей смеси должна обладать предельной удельной теплотой сгорания. В случае с керосином табличное определение удельной теплоты имеет погрешность – из-за непостоянного состава горючего, в который входит 4 типа углеводородов, вследствие чего приходится делать расчеты на основании изначальных характеристик использованной нефти.

Удается определить оптимальную удельную теплоту горения, используя в подсчетах минимальную температуру горения жидкости (+215 градусов). Чем ближе температура к данному числу, тем выше удельная теплоемкость продукта, а значит, и выше удельная теплота сгорания. Уже при +200 градусах теплоемкость достигает отметки в 2900 Дж/кг*К. В нормальных условиях удельная теплота сгорания керосина составляет 43 МДж/кг, с погрешностью в 1000 пунктов в любую сторону.

Показатель удельной теплоты прямым образом влияет на процессы горения керосина внутри двигателей. Кроме того, механизмы, функционирующие на этом нефтепродукте, подвергаются адиабатическим процессам вследствие прямой зависимости давления и объема горючего внутри рабочей камеры. Отсутствие теплообмена с внешней средой приводит к максимальной энергоэффективности используемого керосина.

Вследствие сложности определения точного параметра удельной теплоты сгорания керосина для описания химических свойств данного вида топлива предпочтительно используется коэффициент удельной теплоемкости (показывает соотношение удельной теплоемкости при неизменяемом объеме и уровне давления), который также имеет постоянную незначительную погрешность. Физический смысл точного вычисления данных величин — в последующем определении реактивной тяги и скорости выхлопа.

Удельная теплота сгорания дизельного топлива

Чем выше удельная теплота сгорания дизеля, тем меньший объем жидкости сгорает при работе двигателя. Следовательно, расход горючего будет экономичным. Высокая удельная теплота является главным критерием энергоэффективности дизельного топлива.

Табличное значение удельной теплоты сгорания дизеля благодаря исследовательским тестам имеет четкие границы и составляет 39,2 – 43,3 МДж/кг. В разных странах цифры могут меняться в пределах этих двух границ.

Для расчетов относительно дизельного горючего используется только низшая удельная теплота сгорания, которая не включает в себя энергию, образующуюся при образовании и сгорании водородных соединений и образующегося водяного пара. Низшая удельная теплота сгорания дизельного горючего ниже, чем у алканов.

Энергоэффективность мотора, работающего на дизеле, зависит от степени вязкости жидкости. Чем меньше вязкость, тем выше фактическая температура возгорания и тем выше низшая удельная теплота сгорания топлива.

Теплота сгорания топлива таблица

Поскольку удельная теплота сгорания – это справочная величина, представляем таблицу с данным показателем, определенным индивидуально в каждом случае лабораторным путем. Таблица содержит информацию по основным видам горючего, используемого в коммерческих и промышленных целях.

Таблица 1

Теплота сгорания топлива

#Бензин#Керосин#Дизельное топливо

Статьи по теме

10 лучших заправок по качеству бензина в 2022 году (Лукойл, Газпромнефть, Роснефть, Татнефть, Шелл)#Топливо#Бензин
45840 просмотров

Бензин Тебойл (Teboil): что это, бензин АИ 95, 98, 100, заправки, сеть АЗС, отзывы#Бензин#АЗС
27327 просмотров

Сколько литров бензина в тонне? Как перевести литры в тонны бензина: формула перевода, коэффициент перевода, зависимость от температуры#Бензин
23715 просмотров

Плотность бензина: АИ 92, АИ 95, таблица плотностей, измерение#Бензин
18595 просмотров

Какой бензин лучше Лукойл или: Газпром, Роснефть, Газпромнефть, Башнефть, Татнефть#Бензин#Топливо
15534 просмотра

Отравление парами бензина: симптомы, признаки, первая помощь, лечение#Бензин
14838 просмотров

Сжигание углеводородов – Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Сжигание углеводородов относится к химической реакции, при которой углеводород взаимодействует с кислородом с образованием двуокиси углерода, воды и тепла. Углеводороды представляют собой молекулы, состоящие как из водорода, так и из углерода. Они наиболее известны тем, что являются основным компонентом ископаемого топлива, а именно природного газа, нефти и угля. По этой причине ресурсы ископаемого топлива часто называют углеводородными ресурсами. ^[1] Энергия получается из ископаемого топлива путем сжигания (сжигания) топлива. Хотя в ископаемом топливе присутствуют примеси, сжигание углеводородов является основным процессом сжигания ископаемого топлива. Пример сжигания углеводородов показан на рис. 1. Дополнительные примеры см. в моделировании внизу страницы.

Рисунок 1. Метан соединяется с 2 кислородом с образованием углекислого газа, воды и тепла. ^[2]

Описание

Независимо от типа углеводорода при сгорании с кислородом образуются 3 продукта: двуокись углерода, вода и тепло, как показано в приведенной ниже общей реакции. Энергия, необходимая для разрыва связей в молекулах углеводородов, существенно меньше энергии, выделяемой при образовании связей в молекулах СО ₂ и H ₂ молекулы O. По этой причине в процессе выделяется значительное количество тепловой энергии (тепла). Эту тепловую энергию можно использовать напрямую (например, для обогрева дома) или преобразовать в механическую энергию с помощью тепловой машины. Однако это связано с потерями эффективности, что приводит к необходимым значительным потерям энергии (в виде отходящего тепла), регулируемым вторым законом термодинамики. Результирующая полезная механическая энергия будет намного меньше, чем начальная тепловая энергия, обеспечиваемая сгоранием углеводородов.

Общее уравнение реакции:

• [математика]x[/math] относится к числу атомов углерода в углеводороде
• [math]y[/math] относится к числу атомов водорода в углеводороде
• [math]N[/math] относится к числу атомов кислорода, необходимых для реакции горения углеводородов

Горение углеводородов и ископаемое топливо

Обратите внимание, что CO ₂ это всегда образуется при сжигании углеводородов; не имеет значения, какой тип молекулы углеводорода. Производство CO ₂ и H ₂ O на самом деле является способом получения полезной энергии из ископаемого топлива. По этой причине важно проводить различие между двуокисью углерода и другими «отходами», образующимися из-за примесей в топливе, таких как соединения серы и азота. ^[1] Отходы, возникающие из-за примесей, могут быть устранены с помощью правильной технологии; СО ₂ нельзя устранить, если ископаемое топливо не сжигается (не используется) в первую очередь.

Не все виды ископаемого топлива имеют одинаковый состав. Природный газ состоит более чем на 90% из метана (CH ₄ ), который является наименьшей молекулой углеводорода. Нефть, как правило, состоит из молекул среднего размера, хотя состав сильно различается от одного сорта сырой нефти к другому. Как правило, чем плотнее масло, тем длиннее углеродные цепи в молекулах. Наконец, уголь содержит самые большие и сложные молекулы углеводородов. ^[1]

Поскольку разные углеводороды имеют разное отношение водорода к углероду, они производят разное отношение воды к углекислому газу. В общем, чем длиннее и сложнее молекула, тем больше отношение углерода к водороду. По этой причине при сжигании равных количеств различных углеводородов образуется разное количество углекислого газа в зависимости от соотношения углерода и водорода в молекулах каждого из них. Поскольку уголь содержит самые длинные и сложные молекулы углеводородов, при сжигании угля выделяется больше CO ₂ , чем сжигание той же массы нефти или природного газа. Это также изменяет плотность энергии каждого из этих видов топлива.

Выбросы двуокиси углерода

Ниже представлена ​​диаграмма выбросов CO ₂ при производстве 293,1 кВтч (1 000 000 БТЕ) энергии из различных видов углеводородного топлива. ^[3]

Анимация горения

Выберите топливо из выпадающего меню, чтобы увидеть результирующую реакцию, происходящую во время горения.

Для дополнительной информации

Для получения дополнительной информации см. соответствующие страницы ниже:

• Ископаемое топливо
• Первичная энергия
• Углеводородные ресурсы
• Уголь
• Масло
• Природный газ
• Случайная страница

Ссылки

1. ↑ ^{1,0 1,1 1,2} Р. Карсон и Д. Коглон. «Нефть в нашей жизни» в Наша нефтяная проблема , 8-е изд. Калгари: Канадский центр развития энергетики, 2013 г., стр. 7–15.
2. ↑ Американское химическое общество. «Метан и кислород реагируют». Интернет: http://www.middleschoolchemistry.com/multimedia/chapter6/lesson1, [25 октября 2013 г.]
3. ↑ http://www.eia.gov/tools/faqs/faq.cfm?id=73&t=11

Каким образом один галлон производит 19 фунтов углекислого газа?

Загрузите аудиоверсию этой истории в формате MP3 здесь или подпишитесь на бесплатный ежедневный подкаст Объяснителя на iTunes .

На прошлой неделе Slate опубликовали первую часть «Зеленого вызова», программы, которая помогает участникам уменьшить количество углекислого газа, который они выбрасывают в атмосферу. Мы начали с того, что попросили людей подумать о влиянии их автомобилей на окружающую среду: «Каждый галлон бензина, сожженного вашим автомобилем, выбрасывает около 19 фунтов углекислого газа». Читатели объяснения задавались вопросом об этой статистике: если галлон бензина весит около 6 фунтов, как он может производить в три раза больше парниковых газов?

Углерод из бензина смешивается с кислородом воздуха. Бензин состоит в основном из углеводородов — углеродных цепочек, окруженных атомами водорода. Когда углеводороды горят, они распадаются и воссоединяются с воздухом. Эта реакция производит тепло, а также два химических побочных продукта: воду и углекислый газ.

Например, рассмотрим одну молекулу октана — типичного углеводорода, который содержится в бензине. Октан состоит из восьми атомов углерода и 18 атомов водорода, записывается как C ₈ Н ₁₈ . Если вы расщепите октан и смешаете его с достаточным количеством кислорода (O ₂ ), у вас будут ингредиенты — то есть атомы углерода, водорода и кислорода — для получения восьми молекул двуокиси углерода (CO ₂ ). ) и девять молекул воды (H ₂ O). Восемь молекул CO ₂ весят примерно в три раза больше, чем одна молекула октана, с которой вы начали. Это не значит, что вы нарушили закон сохранения массы; вместо этого вы добавили вес кислорода из воздуха к весу углерода из бензина. (Для более подробного обсуждения этой реакции щелкните здесь.)

Эта реакция дает лишь общее представление о том, что происходит, когда вы сжигаете галлон газа. Во-первых, сгорание в автомобильном двигателе происходит не идеально, а это значит, что не каждый углеводород превращается в углекислый газ и водяной пар. Иногда кислорода недостаточно для завершения реакции, и в этом случае углеводороды могут превратиться в ядовитый монооксид углерода (СО). При сжигании бензина также может выделяться закись азота и другие газы.

Во-вторых, бензин состоит из октана наряду со многими другими видами углеводородов. Вы также найдете добавки, такие как поверхностно-активные вещества, депрессанты точки замерзания, ингибиторы коррозии и красители.