Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 6 августа 2016 года; проверки требуют 24 правки.
Теплота́ сгора́ния — количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания. В системе СИ: Дж/кг. Также довольно часто используются внесистемные единицы измерения: кДж/кг, МДж/кг и ккал/кг.
Для её измерения пользуются методами калориметрии. Теплота сгорания определяется химическим составом горючего вещества. Содержащиеся в горючем веществе химические элементы обозначаются принятыми символами С, Н, О, N, S, а зола и вода — символами А и W соответственно.
Виды теплоты сгорания[править | править код]
Теплота сгорания может быть отнесена к рабочей массе горючего вещества 
, то есть к горючему веществу в том виде, в каком оно поступает к потребителю; к сухой массе вещества 
; к горючей массе вещества 
, то есть к горючему веществу, не содержащему влаги и золы.
Различают высшую (
) и низшую (
) теплоту сгорания.
Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.
где k — коэффициент, равный 25 кДж/кг (6 ккал/кг); W — количество воды в горючем веществе, % (по массе); Н — количество водорода в горючем веществе, % (по массе).
Расчёт теплоты сгорания[править | править код]
Таким образом, высшая теплота сгорания — это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема (для газа) горючего вещества и охлаждении продуктов сгорания до температуры точки росы. В теплотехнических расчетах высшая теплота сгорания принимается как 100 %. Скрытая теплота сгорания газа — это теплота, которая выделяется при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Теоретически она может достигать 11 %.
На практике не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации, и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (QHp), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в веществе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Низшая теплота сгорания для жидкого и твердого вещества определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):
или
, где:
2514 — теплота парообразования при температуре 0 °C и атмосферном давлении, кДж/кг;
и 
— содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;
9 — коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.
Теплота сгорания является наиболее важной характеристикой топлива, так как определяет количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг). 1 ккал = 4,1868 или 4,19 кДж.
Низшая теплота сгорания определяется экспериментально для каждого вещества и является справочной величиной. Также её можно определить для твердых и жидких материалов, при известном элементарном составе, расчётным способом в соответствии с формулой Д. И. Менделеева, кДж/кг или ккал/кг:
или
, где:
, 
, 
, 
, 
— содержание в рабочей массе топлива углерода, водорода, кислорода, летучей серы и влаги в % (по массе).
Для сравнительных расчётов используется так называемое условное топливо, имеющее удельную теплоту сгорания, равную 29308 кДж/кг (7000 ккал/кг).
В России тепловые расчёты (например, расчёт тепловой нагрузки для определения категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности[1]) обычно ведут по низшей теплоте сгорания; в США, Великобритании, Франции — по высшей. В Великобритании и США до внедрения метрической системы мер удельная теплота сгорания измерялась в британских тепловых единицах (BTU) на фунт (lb) (1Btu/lb = 2,326 кДж/кг).
| Вещества и материалы | Низшая теплота сгорания при постоянном давлении  , МДж/кг
|
|---|---|
| Бензин | 41,87[2] |
| Керосин | 42,9—43,12[3] |
| Бумага(книги, журналы) | 13,4[4] |
| Древесина (бруски W = 14%) | 13,8[4] |
| Каучук натуральный | 44,73—44,8[4] |
| Линолеум поливинилхлоридный | 14,31[4] |
| Резина | 33,52 |
| Волокно штапельное | 13,8 |
| Полиэтилен | 47,14[4] |
| Полистирол | 39[4] |
| Хлопок разрыхленный | 15,7[4] |
Самые высокие значения теплоты сгорания природных газов из различных источников[править | править код]
Данные получены Международным энергетическим агентством[5].
- Алжир: 42 000 кДж/м³
- Бангладеш: 36 000 кДж/м³
- Белоруссия: 33 000 кДж/м³
- Великобритания: 39 710 кДж/м³
- Вьетнам: 45 520 кДж/м³
- Канада: 38 200 кДж/м³
- Индонезия: 40 600 кДж/м³
- Нидерланды: 33 320 кДж/м³
- Норвегия: 39 877 кДж/м³
- Россия: 38 231 кДж/м³
- Саудовская Аравия: 38 000 кДж/м³
- США: 38 416 кДж/м³
- Узбекистан: 37 889 кДж/м³
Необходимое количество электроэнергии для работы лампочки мощностью 100 Вт в течение 1 года[править | править код]
Количество топлива, необходимого для получения указанной ниже электроэнергии, рассчитано при 100 % эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую. Так как большинство электрогенерирующих установок и распределительных систем достигают эффективности (КПД) порядка 30—35 %, фактическое количество топлива, используемого для питания лампочки мощностью 100 Вт, будет приблизительно в три раза больше указанного количества.
- 228,5 кг древесины (при 20 % влажности)
- 88,5 кг угля (антрацит малозольный)
- 72,1 кг керосина
- 79,2 м³ природного газа (используя усредненную величину 40000 кДж/м³)
- 63 кг метана
- 26 кг водорода
- 0,04 г урана (здесь имеется в виду энергия, выделяющаяся при цепной ядерной реакции)
- 1,75*10−5 г антивещества (здесь имеется в виду энергия, выделяющаяся при аннигиляции).
Примечания[править | править код]
- ↑ НПБ 105-03
- ↑ Теплота сгорания Автоматические системы пожаротушения, установки пожаротушения, проект сигнализации, обслуживание сигнализации, оросители: спринклеры и дренчеры, монтаж пожарной сигнализации, пожарная экспертиза, огнезащитная краска, покрытия и составы, обработка огнезащитная, огнезащита конструкций, металлоконструкций, системы пожарной безопасности, пожарные категории, план эвакуации, охранно пожарная сигнализация, противопожарные ворота, двери металлические, системы пожарной сигнализации, автоматическое пожаротушение, противопожарная защита, монтаж ОПС. stopfire.ru. Дата обращения: 19 октября 2017. Архивировано 20 октября 2017 года.
- ↑ ГОСТ 10227-86. Топлива для реактивных двигателей. Топлива для реактивных двигателей. www.nge.ru. Дата обращения: 19 октября 2017. Архивировано 20 октября 2017 года.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 ООО “Аудит пожарной безопасности”. pozharaudit.ru. Дата обращения: 19 октября 2017. Архивировано из оригинала 31 октября 2017 года.
- ↑ Key World Energy Statistics (2005), page 59. Дата обращения: 14 ноября 2010. Архивировано из оригинала 5 декабря 2010 года.
Литература[править | править код]
- Физический энциклопедический словарь
- Большая Советская энциклопедия
- Пособие по применению НПБ 105-95 «Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности»
См. также[править | править код]
- Внутренняя энергия
- Горение
- Пожар
- Экзотермическая реакция
- Удельная теплота сгорания
Задачи на сгорание топлива с решениями
Формулы, используемые на уроках «Задачи на сгорание топлива».
Название величины |
Обозначение |
Единица измерения |
Формула |
Масса |
m |
кг |
m = Q / q |
Удельная теплота сгорания |
q |
Дж/кг |
q = Q / m |
Количество теплоты |
Q |
Дж |
Q = q•m |
1 кДж = 103 Дж; 1 МДж = 106 Дж; 1т= 1000 кг; 1г = 0,001 кг
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача № 1.
Сколько энергии выделится при сгорании 30 кг каменного угля?
Задача № 2.
Определите массу сгоревшего древесного угля, если при его сгорании выделилось 5,1 • 108 Дж энергии.
Задача № 3.
Какова удельная теплота сгорания торфа, если при сгорании 15 кг торфа выделяется 2,1 • 108 Дж энергии?
Задача № 4.
Сколько теплоты выделится при полном сгорании сухих березовых дров объемом 5 м3?
Задача № 5.
Какое количество теплоты выделится при полном сгорании пороха массой 25 г; торфа массой 0,5 т; каменного угля массой 1,5 т?
Задача № 6.
Сколько теплоты выделится при полном сгорании керосина объемом 0,25м3; спирта объемом 0,00005 м3; бензина объемом 25 л; нефти объемом 250 л?
Задача № 7.
Смешали бензин объемом 1,5 л и спирт объемом 0,5 л. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании этого топлива?
Задача № 8.
В топке котла парового двигателя сожгли торф массой 20 т. Какой массой каменного угля можно было бы заменить сгоревший торф? (Удельную теплоту сгорания торфа принять равной 1,5 • 107 Дж/кг.)
Задача № 9.
Сколько спирта надо сжечь, чтобы изменить температуру воды массой 2 кг от 14 до 50 °С, если вся теплота, выделенная при горении спирта, пойдет на нагревание воды?
Задача № 10.
На сколько изменится температура воды, масса которой 22 кг, если ей передать всю энергию, выделившуюся при сгорании керосина, масса которого равна 10 г?
Задача № 11.
ЕГЭ
На спиртовке нагрели воду массой m = 400 г. Температура её повысилась от t1 = 16 °С до t2 = 71 °С. При этом сожгли mс = 10 г спирта. Найти коэффициент полезного действия (КПД) установки. Удельная теплота сгорания спирта q = 2,7 • 107 Дж/кг.
Краткая теория для решения Задачи на сгорание топлива.
Это конспект по теме «Задачи на сгорание топлива». Выберите дальнейшие действия:
- Перейти к теме: ЗАДАЧИ на плавление и отвердевание
- Посмотреть конспект по теме Тепловые машины. Удельная теплота сгорания топлива
- Вернуться к списку конспектов по Физике.
- Проверить свои знания по Физике.
Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обычное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа. Кинетическая энергия этих молекул оказывается больше, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения и называют выделением энергии.
Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, называется теплотой сгорания этого топлива.
Теплота сгорания топлива (или количество теплоты, выделяющееся при его сгорании) зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем большее количество теплоты выделится при его полном сгорании.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 1 кг топлива, называется удельной теплотой сгорания этого топлива.
Удельную теплоту сгорания топлива обозначают буквой q и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).
q — удельная теплота сгорания топлива.
Удельную теплоту сгорания разных видов топлива можно найти в таблице 13.
Из этой таблицы, например, видно, что удельная теплота сгорания торфа равна 1,4*107 Дж/кг. Это число показывает, что при полном сгорании торфа массой 1 кг выделится количество теплоты, равное 1,4*107 Дж. При сгорании 2 кг торфа выделится в 2 раза больше энергии, при сгорании 3 кг — в 3 раза больше и т. д.
Количество теплоты, выделяющееся при сгорании произвольной массы топлива, находят по формуле
Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.
1. Что имеют в виду, когда говорят о выделении энергии при сгорании топлива? 2. Какую величину называют удельной теплотой сгорания топлива? 3. В каких единицах измеряют удельную теплоту сгорания топлива? 4. Удельная теплота сгорания нефти равна 4,4 • 107 Дж/кг. Что показывает это число?
Топливо широко используется в промышленности и в быту.
Энергию топлива мы используем на заводах, для транспорта, для топки и т.д.
Почти все слышали выражение «двигатель внутреннего сгорания». Действительно,
ведь топливо сгорает, вследствие чего выделяется энергия. Этому и будет
посвящен наш урок.
При горении топлива происходит выделение углекислого
газа, который состоит из двух атомов кислорода и одного атома углерода. Для
того чтобы эти три атома соединились в молекулу требуется совершить работу (как
и для любого другого действия). Поэтому, при сгорании топлива выделяется
энергия.
Подобно удельной теплоёмкости, экспериментальным путём
установлено количество выделяемой энергии 1 кг того или иного топлива при
сгорании. В таблице дана удельная теплота сгорания некоторых веществ.
Заметим, что единицей измерения является Дж/кг. Из
этого можно сделать вывод, что для расчета количества теплоты, выделяемого
при сгорании того или иного вида топлива, нужно удельную теплоту сгорания
умножить на массу сгоревшего топлива. Как брать данные из таблицы мы уже
научились, поэтому рассмотрим примеры расчетов.
Задача 1. Сколько
выделится энергии при сгорании 4 кг нефти?
Задача 2. Известно,
что при сгорании природного газа выделилось 88 МДж теплоты. Найдите объём
сгоревшего газа, если его плотность составляет 0,85 кг/м3.
Задача 3. Находясь
на пикнике, вы хотите нагреть два 2 л воды до 50 ℃.
Для этого вы используете железный котел массой 3 кг и 4,5 кг дров. Хватит ли этого
количества дров, если учесть 70% энергии от сгорания дров передалось окружающей
среде, а начальная температура воды и котла 20 ℃.
Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно объединить
знания, полученные на прошлом уроке и на этом.
Различные виды топлива (твёрдое, жидкое и газообразное) характеризуются общими и специфическими свойствами. К общим свойствам топлива относятся удельная теплота сгорания и влажность, к специфическим — зольность, сернистость (содержание серы), плотность, вязкость и другие свойства.
Удельная теплота сгорания топлива — это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании (1) кг твёрдого или жидкого топлива или (1) м³ газообразного топлива.
Энергетическая ценность топлива в первую очередь определяется его удельной теплотой сгорания.
Удельная теплота сгорания обозначается буквой (q). Единицей удельной теплоты сгорания является (1) Дж/кг для твёрдого и жидкого топлива и (1) Дж/м³ — для газообразного топлива.
Удельную теплоту сгорания на опыте определяют довольно сложными методами.
Таблица (2). Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива.
Твёрдое топливо
|
Вещество |
Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
| Бурый уголь |
(9,3) |
| Древесный уголь |
(29,7) |
| Дрова сухие |
(8,3) |
| Древесные чурки |
(15,0) |
|
Каменный уголь марки А-(I) |
(20,5) |
|
Каменный уголь марки А-(II) |
(30,3) |
| Кокс |
(30,3) |
| Порох |
(3,0) |
| Торф |
(15,0) |
Жидкое топливо
|
Вещество |
Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
| Бензин, нефть |
(46,0) |
| Дизельное топливо |
(42,0) |
| Керосин |
(43,0) |
| Мазут |
(40,0) |
| Спирт этиловый |
(27,0) |
Газообразное топливо
(при нормальных условиях)
|
Вещество |
Удельная теплота сгорания, МДж/м³ |
| Водород |
(120,8) |
| Генераторный газ |
(5,5) |
| Коксовый газ |
(16,4) |
| Природный газ |
(35,5) |
| Светильный газ |
(21,0) |
Из этой таблицы видно, что наибольшей является удельная теплота сгорания водорода, она равна (120,8) МДж/м³. Это значит, что при полном сгорании водорода объёмом (1) м³ выделяется (120,8) МДж (=) (120,8)
⋅106
Дж энергии.
Водород — один из высокоэнергетических видов топлива. Кроме того, продуктом сгорания водорода является обычная вода, в отличие от других видов топлива, где продуктами сгорания являются углекислый и угарный газы, зола и топочные шлаки. Это делает водород экологически наиболее чистым топливом.
Однако газообразный водород взрывоопасен. К тому же он имеет самую малую плотность в сравнении с другими газами при равной температуре и давлении, что создаёт сложности со сжижением водорода и его транспортировкой.
Общее количество теплоты (Q), выделяемое при полном сгорании (m) кг твёрдого или жидкого топлива, вычисляется по формуле:
Общее количество теплоты (Q), выделяемое при полном сгорании (V) м³ газообразного топлива, вычисляется по формуле:
Влажность (содержание влаги) топлива снижает его теплоту сгорания, так как увеличивается расход теплоты на испарение влаги и увеличивается объём продуктов сгорания (из-за наличия водяного пара).
Зольность — это количество золы, образующейся при сгорании минеральных веществ, содержащихся в топливе. Минеральные вещества, содержащиеся в топливе, понижают его теплоту сгорания, так как уменьшается содержание горючих компонентов (основная причина) и увеличивается расход тепла на нагрев и плавление минеральной массы.
Сернистость (содержание серы) относится к отрицательному фактору топлива, так как при его сгорании образуются сернистые газы, загрязняющие атмосферу и разрушающие металл. Кроме того, сера, содержащаяся в топливе, частично переходит в выплавляемый металл, сваренную стекломассу, снижая их качество. Например, для варки хрустальных, оптических и других стёкол нельзя использовать топливо, содержащее серу, так как сера значительно понижает оптические свойства и колер стекла.
