14.05.21 фізика Згоряння палива. Розрахунок кількості теплоти внаслідок згоряння палива. Теплові двигуни. Принцип дії теплових двигунів. ККД теплового двигуна.

 

§ 14. Розрахунок кількості теплоти, що виділяється внаслідок згоряння палива

Згоряння палива. Питома теплота згоряння палива

Розрахунок кількості теплоти, що виділяється внаслідок згоряння палива

ЗГОРЯННЯ ПАЛИВА. ПИТОМА ТЕПЛОТА ЗГОРЯННЯ ПАЛИВА. Одним із основних джерел енергії для сучасних виробничих технологій, транспорту та побуту є паливо. Під час горіння палива виділяється теплова енергія, що як безпосередньо використовується (наприклад, для плавлення металів та приготування їжі в побуті), так і перетворюється в інші види енергії (наприклад, у електричну на теплових електростанціях).

Основним процесом, під час якого видаляється теплова енергія, є горіння (рис. 14.1, а). Горіння — це особливий тип хімічної реакції окислення, що супроводжується виділенням тепла й світла (рис. 14.1, б).

Тепловий ефект горіння пояснюється виділенням енергії в процесі утворення нових молекул. Так, під час хімічної реакції горіння природного газу, тобто взаємодії молекул метану CH₄ з молекулами кисню O₂, утворюються молекули вуглекислого газу CO₂ і води H₂O та виділяється теплова енергія (рис. 14.2).

Щоб запалити речовину в повітрі, спочатку потрібно її нагріти до певної температури — температури займання. Для різних речовин вона різна. Наприклад, дерево займається за температури приблизно 270 °С, вугілля — 350 °С. Теплота, яка виділяється під час горіння, підтримує температуру речовини вищою за температуру займання і горіння, що розпочавшись, самопідтримується.

Важливою особливістю рідкого палива є те, що спочатку його необхідно нагріти, допоки воно не почне випаровуватися.

 

Цікаво, що метали, зокрема лужні, теж «горять», але за спеціальних умов. Так, щоб спостерігати горіння, наприклад, калію, натрію, міді, потрібно вмістити їх в атмосферу, насичену чистим киснем (рис. 14.3).

Зверніть увагу, що для припинення горіння речовину, яка 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 і відбирає від тіл, що горять, теплоту. їхня температура різко зменшується. Водяна пара, що утворюється, утруднює доступ кисню, і горіння припиняється.

Оскільки вода є електропровідною речовиною, її не можна використовувати для гасіння пожежі, спричиненої несправностями електричних мереж. Тому використовують порошкові та піноутво-рюючі вогнегасники. ГІід час їхньої роботи виділяється вуглекислий газ CO₂, який змішується зі спеціальними порошкоподібними або піноутворюючими речовинами і перешкоджає доступу кисню з повітря до джерела вогню. Одним зі способів гасіння пожежі є також механічне перешкоджання доступу повітря (рис. 14.4).

 

У промисловості та побуті використовують різні види палива: тверде (дрова, вугілля, сланці, торф); рідке (бензин, гас, дизельне пальне, спирт); газоподібне (метан, пропан, бутан, ацетилен) (рис. 14.5).

Оскільки будова молекул речовин різних видів палива відрізняється, вони мають різну теплотворну здатність. Для характеристики теплотворної здатності введено фізичну величину, яку називають питомою теплотою згоряння палива. Властивість палива віддавати певну кількість теплоти під час горіння характеризується питомою теплотою згоряння.

Питома теплота згоряння — фізична величина, що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згорянні 1 кг певного види палива.

 

 

Таблиця 14.1

Питома теплота згоряння палива певних речовин

Речовина
Порох	3,8
Дрова CjrXi	10
Торф	14
Кам’яне вугілля	27
Спирт	27
Природний газ	44
Нафта	44
Гас	46
Бензин	47
Водень	120

РОЗРАХУНОК КІЛЬКОСТІ ТЕПЛОТИ, ЩО ВИДІЛЯЄТЬСЯ ВНАСЛІДОК ЗГОРЯННЯ ПАЛИВА. Загальну кількість теплоти, що виділяється при згорянні палива, можна розрахувати, якщо відомі його питома теплоємність і маса.

Загальна кількість теплоти Q, що виділяється при згорянні палива, обчислюється за формулою:

 

Розглянемо приклади розв’язування задач на визначення кількості теплоти, що виділяється під час згоряння палива.

Задача І. Яка кількість теплоти виділиться при повному згорянні сухих березових дров об’ємом 5 м³? Густина березової де-

Головне в цьому параграфі_

Горіння — особливий тип хімічної реакції окислення, яка супроводжується виділенням тепла і світла.

Питомою теплотою згоряння палива називають фізичну величину, що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згорянні 1 кг певного виду палива.

Загальна кількість теплоти Q, що виділяється при згорянні т кг палива, обчислюється за формулою: 0 = qm.

Запитання для самоперевірки_

1.    Опишіть фізичне явище, що лежить в основі використання палива як джерела енергії.

2.    Що називають питомою теплотою згоряння палива?

3.    Який фізичний зміст питомої теплоємності згоряння палива?

4.    Проаналізуйте формулу, за якою розраховується кількість теплоти, що виділяється в процесі згоряння палива.

5.    Які речовини є перспективними видами палива і чому?

Вправа до § 14

1(п). Поясніть, чому сірником легше запалити аркуш звичайного паперу, ніж шматок картонної упаковки.

2(п). Поясніть, чому, гасячи багаття, його розгортають по землі. 3(c). Яка кількість теплоти виділяється при повному згорянні 10 г пороху? Питома теплота згоряння пороху 3,8 МДж/кг.

4(c). Яку масу сухих дров потрібно спалити, щоб виділилося 15 ГДж е не р ги?

5(д). Спирт об’ємом 0,005 м³ повністю згоряє. Яка кількість теплоти виділяється?

6(д). Яка кількість теплоти виділяється при повному згорянні паливної суміші, що складається з бензину об’ємом 2 л і спирту об’ємом 1,5 л? 7(в). Визначте, на скільки більше теплоти виділяється в результаті повного згоряння бензину масою 7,1 кг порівняно з торфом такого самого об’єму.