Теплотворна здатність різних видів палива. Порівняльний аналіз. Теплові машини. ДВС. Питома теплота згоряння палива Таблиця питомої теплоти згорання деяких видів палива

теплові машинив термодинаміці - це періодично діючі теплові двигуни і холодильні машини (термокомпрессори). Різновидом холодильних машин є теплові насоси.

Пристрої, які вчиняють механічну роботу за рахунок внутрішньої енергії палива, називаються тепловими машинами (тепловими двигунами).Для функціонування теплової машини необхідні наступні складові: 1) джерело тепла з більш високим температурним рівнем t1, 2) джерело тепла з більш низьким температурним рівнем t2, 3) робоче тіло. Інакше сказати: будь-які теплові машини (теплові двигуни) складаються з нагрівача, холодильника і робочого тіла .

В якості робочого тілавикористовуються газ або пар, оскільки вони добре стискаються, і в залежності від типу двигуна може бути паливо (бензин, гас), водяна пара та ін. Нагрівач передає робочому тілу деяку кількість теплоти (Q1), і його внутрішня енергія збільшується, за рахунок цієї внутрішньої енергії відбувається механічна робота (А), потім робоче тіло віддає певну кількість теплоти холодильнику (Q2) і охолоджується при цьому до початкової температури. Описана схема являє цикл роботи двигуна і є спільною, в реальних двигунах роль нагрівача і холодильника можуть виконувати різні пристрої. Холодильником може служити навколишнє середовище.

Оскільки в двигуні частина енергії робочого тіла передається холодильника, то зрозуміло, що не вся отримана ним від нагрівача енергія йде на здійснення роботи. відповідно, коефіцієнт корисної діїдвигуна (ККД) дорівнює відношенню досконалої роботи (А) до кількості теплоти, отриманого ним від нагрівача (Q1):

Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ)

Існує два типи двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ): карбюраторнийі дизельний. У карбюраторному двигуні робоча суміш (суміш палива з повітрям) готується поза двигуном в спеціальному пристрої і з нього надходить в двигун. У дизельному двигуні горюча суміш готується в самому двигуні.

ДВС складається з циліндра , В якому переміщається поршень ; в циліндрі є два клапана , Через один з яких горюча суміш впускается в циліндр, а через інший відпрацьовані гази випускаються з циліндра. Поршень за допомогою кривошипно-шатунного механізму з'єднується з колінчастим валом , Який приходить в обертання при поступальному русі поршня. Циліндр закритий кришкою.

Цикл роботи ДВС включає чотири такту: Впуск, стиснення, робочий хід, випуск. Під час впуску поршень рухається вниз, тиск в циліндрі зменшується, і в нього через клапан надходить горюча суміш (в карбюраторному двигуні) або повітря (в дизельному двигуні). Клапан в цей час закритий. В кінці впуску горючої суміші закривається клапан.

Під час другого такту поршень рухається вгору, клапани закриті, і робоча суміш або повітря стискаються. При цьому температура газу підвищується: горюча суміш в карбюраторному двигуні нагрівається до 300- 350 ° С, а повітря в дизельному двигуні - до 500-600 ° С. В кінці такту стиснення в карбюраторному двигуні проскакує іскра, і горюча суміш запалюється. У дизельному двигуні в циліндр впорскується паливо, і утворилася суміш самозаймається.

При згорянні горючої суміші газ розширюється і штовхає поршень і з'єднаний з ним колінчастий вал, здійснюючи механічну роботу. Це призводить до того, що газ охолоджується.

Коли поршень прийде в нижню точку, тиск в ньому зменшиться. При русі поршня вгору відкривається клапан, і відбувається випуск відпрацьованого газу. В кінці цього такту клапан закривається.


Парова турбіна

Парова турбінає насаджений на вал диск, на якому укріплені лопаті. На лопаті надходить пар. Пар, нагрітий до 600 ° С, направляється в сопло і в ньому розширюється. При розширенні пара відбувається перетворення його внутрішньої енергії в кінетичну енергію спрямованого руху струменя пара. Струмінь пара надходить з сопла на лопаті турбіни і передає їм частину своєї кінетичної енергії, приводячи турбіну в обертання. Зазвичай турбіни мають кілька дисків, кожному з яких передається частина енергії пара. Обертання диска передається валу, з яким сполучений генератор електричного струму.

При згорянні різного палива однакової маси виділяється різна кількість теплоти. Наприклад, добре відомо, що природний газ є енергетично більш вигідним паливом, ніж дрова. Це означає, що для отримання одного і того ж кількості теплоти, маса дров, які потрібно спалити, повинна бути істотно більша за масу природного газу. Отже, різні види палива з енергетичної точки зору характеризуються величиною, званої питомою теплотою згоряння палива .

Питома теплота згоряння палива- фізична величина, що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згорянні палива масою 1 кг.

Питома теплота згоряння позначається буквою q , Її одиницею є 1 Дж / кг.

Значення питомої теплоти визначають експериментально. Найбільшу питому теплоту згоряння має водень , Найменшу - порох .

Питома теплота згоряння нафти - 4,4 * 10 7 Дж / кг. Це означає, що при повному згорянні 1 кг нафти виділяється кількість теплоти 4,4 * 10 7 Дж. У загальному випадку, якщо маса палива дорівнює m , То кількість теплоти Q, що виділяється при його повному згорянні, дорівнює добутку питомої теплоти згорання палива q на його масу:

Q = qm.

Конспект уроку з фізики у 8 класі «Теплові машини. ДВС. Питома теплота згоряння ».

В даному уроці ми навчимося розраховувати кількість теплоти, яке виділяє паливо при згорянні. Крім того, розглянемо характеристику палива - питому теплоту згоряння.

Оскільки вся наша життя заснована на русі, а рух в більшості своїй засноване на згоранні палива, то вивчення даної теми дуже важливо для розуміння теми «Теплові явища».

Після вивчення питань, пов'язаних з кількістю теплоти і питомою теплоємністю, перейдемо до розгляду кількості теплоти, що виділяється при спалюванні палива.

визначення

паливо- речовина, яка в деяких процесах (горіння, ядерні реакції) виділяє тепло. Є джерелом енергії.

паливо буває твердим, рідким і газоподібним(Рис. 1).

Мал. 1. Види палива

  • До твердих видах палива відносять вугілля і торф.
  • До рідких видів палива відносять нафту, бензин і інші нафтопродукти.
  • До газоподібним видам палива відносять природний газ.
  • Окремо можна виділити дуже поширене останнім часом ядерне паливо.

Згоряння палива - це хімічний процес, який є окислювальним. При згорянні атоми вуглецю з'єднуються з атомами кисню, утворюючи молекули. В результаті цього виділяється енергія, яку і використовує людина в своїх цілях (рис. 2).

Мал. 2. Освіта вуглекислого газу

Для характеристики палива використовується така характеристика, як теплотворність. Теплотворність показує, яка кількість теплоти виділяється при згорянні палива (рис. 3). У фізиці теплотворення відповідає поняття питомої теплоти згорання речовини.

Мал. 3. Питома теплота згоряння

визначення

Питома теплота згоряння- фізична величина, що характеризує паливо, чисельно дорівнює кількості теплоти, що виділяється при повному згорянні палива.

Питому теплоту згорання прийнято позначати буквою. Одиниці виміру:

В одиницях виміру відсутня, так як згорання палива відбувається практично при постійній температурі.

Питома теплота згоряння визначається дослідним шляхом за допомогою складних приладів. Однак для вирішення завдань існують спеціальні таблиці. Нижче наведемо значення питомої теплоти згорання для деяких видів палива.

речовина

Таблиця 4. Питома теплота згоряння деяких речовин

З наведених величин видно, що при згорянні виділяється величезна кількість теплоти, тому використовуються одиниці виміру (мегаджоуля) і (гігаджоуль).

Для обчислення кількості теплоти, що виділяється при згорянні палива, використовується наступна формула:

Тут: - маса палива (кг), - питома теплота згоряння палива ().

У висновку зауважимо, що велика частина палива, яке використовується людством, запасена за допомогою сонячної енергії. Вугілля, нафта, газ - все це утворилося на Землі завдяки впливу Сонця (рис. 4).

Мал. 4. Освіта палива

На наступному уроці ми поговоримо про закон збереження і перетворення енергії в механічних і теплових процесах.

списоклітератури

  1. Генденштейн Л.Е, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройз І.І. Фізика 8. - М .: Мнемозина.
  2. Перишкін А.В. Фізика 8. - М .: Дрофа, 2010 року.
  3. Фадєєва А.А., Засов А.В., Кисельов Д.Ф. Фізика 8. - М .: Просвещение.
  1. Інтернет-портал «festival.1september.ru» ()
  2. Інтернет-портал «school.xvatit.com» ()
  3. Інтернет-портал «stringer46.narod.ru» ()

Домашнє завдання

Коли певна кількість палива згоряє, виділяється измеримое кількість теплоти. Згідно Міжнародній системі одиниць величина виражається в Джоулях на кг або м 3. Але параметри можуть бути розраховані і в кКал або кВт. Якщо значення співвідноситься з одиницею виміру палива, воно називається питомою.

На що впливає теплотворність різного палива? Яке значення показника для рідких, твердих і газоподібних речовин? Відповіді на зазначені питання детально викладені в статті. Крім того, ми підготували таблицю з відображенням питомої теплоти згорання матеріалів - ця інформація стане в нагоді при виборі високоенергетичного типу палива.

Виділення енергії при горінні має характеризуватися двома параметрами: високим ККД і відсутністю вироблення шкідливих речовин.

Штучне паливо виходить в процесі переробки природного -. Незалежно від агрегатного стану речовини в своєму хімічному складі мають горючу і негорючую частина. Перша - це вуглець і водень. Друга складається з води, мінеральних солей, азоту, кисню, металів.

По агрегатному стані паливо ділиться на рідке, тверде і газ. Кожна група додатково розгалужується на природну і штучну підгрупу (+)

При згорянні 1 кг такої «суміші» виділяється різна кількість енергії. Скільки саме цієї енергії виділиться, залежить від пропорцій зазначених елементів - горючої частини, вологості, зольності і інших компонентів.

Теплота згоряння палива (ТСТ) формується з двох рівнів - вищого і нижчого. Перший показник досягається за рахунок конденсації води, у другому цей фактор не враховується.

Нижча ТСТ потрібна для розрахунків потреби в пальному і його вартості, за допомогою таких показників складаються теплові баланси і визначається ККД працюють на паливі установок.

Обчислити ТСТ можна аналітично або експериментально. Якщо хімічний склад пального відомий, застосовується формула Менделєєва. Експериментальні методики засновані на фактичному вимірі теплоти при згорянні палива.

У цих випадках застосовують спеціальну бомбу для спалювання - калориметричну разом з калориметр і термостатом.

Особливості розрахунків індивідуальні для кожного виду палива. Приклад: ТСТ в двигунах внутрішнього згоряння розраховується від нижчого значення, тому що в циліндрах рідина не конденсується.

Параметри рідких речовин

Рідкі матеріали, як і тверді, розкладаються на наступні складові: вуглець, водень, сірку, кисень, азот. Процентне співвідношення виражається по масі.

З кисню та азоту утворюється внутрішній органічний баласт палива, ці компоненти не горять і включені до складу умовно. Зовнішній баласт формується з вологи і золи.

Висока питома теплота згоряння спостерігається у бензину. Залежно від марки вона становить 43-44 МДж.

Схожі показники питомої теплоти згорання визначаються і у авіаційного гасу - 42,9 МДж. У категорію лідерів за значенням теплотворної здатності потрапляє і дизельне паливо - 43,4-43,6 МДж.

Щодо низькими значеннями ТСТ характеризуються рідке ракетне пальне, етиленгліколь. Мінімальною питомою теплотою згоряння відрізняються спирт і ацетон. Їх показники істотно нижче, ніж у традиційного моторного палива.

Властивості газоподібного палива

Газоподібне паливо складається з оксиду вуглецю, водню, метану, етану, пропану, бутану, етилену, бензолу, сірководню та інших компонентів. Ці показники виражаються у відсотках за обсягом.

Найбільшою теплотою згоряння відрізняється водень. Згораючи, кілограм речовини виділяє 119,83 МДж тепла. Але воно відрізняється підвищеним ступенем вибухонебезпечності

Високі показники теплотворної здатності спостерігаються і у природного газу.

Вони рівні 41-49 МДж на кг. Але, наприклад, у чистого метану теплота згоряння більше - 50 МДж на кг.

Порівняльна таблиця показників

У таблиці представлені значення масової питомої теплоти згорання рідких, твердих, газоподібних різновидів палива.

Вид палива Од. вим. Питома теплота згоряння
МДж кВт кКал
Дрова: дуб, береза, ясен, бук, грабкг15 4,2 2500
Дрова: модрина, сосна, ялинакг15,5 4,3 2500
вугілля бурекг12,98 3,6 3100
вугілля кам'янекг27,00 7,5 6450
вугілля деревнекг27,26 7,5 6510
Антрациткг28,05 7,8 6700
пелет деревнакг17,17 4,7 4110
пелет солом'янийкг14,51 4,0 3465
Пелет з соняшникукг18,09 5,0 4320
тирсакг8,37 2,3 2000
папіркг16,62 4,6 3970
Виноградна лозакг14,00 3,9 3345
Природний газм 333,5 9,3 8000
Зріджений газкг45,20 12,5 10800
бензинкг44,00 12,2 10500
Диз. паливокг43,12 11,9 10300
метанм 350,03 13,8 11950
воденьм 3120 33,2 28700
гаскг43.50 12 10400
мазуткг40,61 11,2 9700
нафтакг44,00 12,2 10500
пропанм 345,57 12,6 10885
етиленм 348,02 13,3 11470

З таблиці видно, що найбільші показники ТСТ з усіх речовин, а не тільки з газоподібних, має водень. Він відноситься до високоенергетичним видам палива.

Продукт згоряння водню - звичайна вода. В процесі не виділяється топкові шлаки, зола, чадний і вуглекислий газ, що робить речовина екологічно чистим пальним. Але воно вибухонебезпечне і відрізняється низькою щільністю, тому таке паливо складно скраплюється і транспортується.

Висновки і корисне відео по темі

Про теплотворення різних порід дерева. Порівняння показників в розрахунку на м 3 і кг.

ТСТ - найважливіша теплова та експлуатаційна характеристика пального. Цей показник використовується в різних сферах людської діяльності: теплових двигунах, електростанціях, промисловості, при обігріві житла і приготуванні їжі.

Значення теплотворення допомагають порівняти різні види палива за ступенем виділеної енергії, розрахувати необхідну масу пального, заощадити на витратах.

Є, що доповнити, або виникли питання по темі теплотворення різних видів палива? Чекаю на ваші коментарі публікації і брати участь в обговореннях - форма для зв'язку знаходиться в нижньому блоці.

У таблицях представлена ​​масова питома теплота згоряння палива (рідкого, твердого і газоподібного) та деяких інших горючих матеріалів. Розглянуто таке паливо, як: вугілля, дрова, кокс, торф, гас, нафту, спирт, бензин, природний газ і т. Д.

Перелік таблиць:

При екзотермічної реакції окислення палива його хімічна енергія перетворюється на теплову з виділенням певної кількості теплоти. Утвориться теплову енергію прийнято називати теплотою згоряння палива. Вона залежить від його хімічного складу, вологості і є основним. Теплота згоряння палива, віднесена на 1 кг маси або 1 м 3 об'єму утворює масову або об'ємну питому теплоти згорання.

Питомою теплотою згоряння палива називається кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні одиниці маси або обсягу твердого, рідкого або газоподібного палива. У Міжнародній системі одиниць ця величина вимірюється в Дж / кг або Дж / м 3.

Питому теплоту згоряння палива можна визначити експериментально або обчислити аналітично.Експериментальні методи визначення теплотворної здатності засновані на практичному вимірі кількості теплоти, що виділилася при горінні палива, наприклад в калориметр з термостатом і бомбою для спалювання. Для палива з відомим хімічним складом питому теплоту згоряння можна визначити по формулі Менделєєва.

Розрізняють вищу і нижчу питомі теплоти згорання.Вища теплота згоряння дорівнює максимальній кількості теплоти, що виділяється при повному згорянні палива, з урахуванням тепла витраченого на випаровування вологи, що міститься в паливі. Нижча теплота згоряння менше значення вищої на величину теплоти конденсації, який утворюється з вологи палива і водню органічної маси, що перетворюється при горінні в воду.

Для визначення показників якості палива, а також в теплотехнічних розрахунках зазвичай використовують нижчу питому теплоту згоряння, Яка є найважливішою теплової та експлуатаційної характеристикою палива і приведена в таблицях нижче.

Питома теплота згоряння твердого палива (вугілля, дров, торфу, коксу)

У таблиці представлені значення питомої теплоти згорання сухого твердого палива в розмірності МДж / кг. Паливо в таблиці розташоване за назвою в алфавітному порядку.

Найбільшою теплотворною здатністю з розглянутих твердих видів палива має коксівне вугілля - його питома теплота згоряння дорівнює 36,3 МДж / кг (або в одиницях СІ 36,3 · 10 6 Дж / кг). Крім того висока теплота згоряння властива кам'яного вугілля, антрациту, деревного вугілля і вугілля бурого.

До палив з низькою енергоефективністю можна віднести деревину, дрова, порох, фрезторф, горючі сланці. Наприклад, питома теплота згоряння дров становить 8,4 ... 12,5, а пороху - всього 3,8 МДж / кг.

Питома теплота згоряння твердого палива (вугілля, дров, торфу, коксу)
паливо
Антрацит 26,8…34,8
Гранули (піллети) 18,5
Дрова сухі 8,4…11
Дрова березові сухі 12,5
Кокс газовий 26,9
Кокс доменний 30,4
напівкокс 27,3
порох 3,8
сланець 4,6…9
сланці горючі 5,9…15
Тверде ракетне паливо 4,2…10,5
торф 16,3
торф волокнистий 21,8
торф фрезерний 8,1…10,5
торф'яна крихта 10,8
вугілля буре 13…25
Вугілля буре (брикети) 20,2
Вугілля буре (пил) 25
вугілля донецьке 19,7…24
вугілля деревне 31,5…34,4
вугілля кам'яне 27
вугілля коксівне 36,3
вугілля кузнецкий 22,8…25,1
вугілля челябінський 12,8
вугілля Екібастузький 16,7
Фрезторф 8,1
Шлаки 27,5

Питома теплота згоряння рідкого палива (спирту, бензину, гасу, нафти)

Наведена таблиця питомої теплоти згорання рідкого палива і деяких інших органічних рідин. Слід зазначити, що високим тепловиділенням при згорянні відрізняються такі палива, як: бензин, дизельне паливо і нафту.

Питома теплота згоряння спирту і ацетону істотно нижче традиційних моторних палив. Крім того, відносно низьким значенням теплоти згорання має рідке ракетне паливо і - при повному згорянні 1 кг цих вуглеводнів виділиться кількість теплоти, що дорівнює 9,2 і 13,3 МДж, відповідно.

Питома теплота згоряння рідкого палива (спирту, бензину, гасу, нафти)
паливо Питома теплота згоряння, МДж / кг
ацетон 31,4
Бензин А-72 (ГОСТ 2084-67) 44,2
Бензин авіаційний Б-70 (ГОСТ 1012-72) 44,1
Бензин АІ-93 (ГОСТ 2084-67) 43,6
бензол 40,6
Дизельне паливо зимове (ГОСТ 305-73) 43,6
Дизельне паливо літнє (ГОСТ 305-73) 43,4
Рідке ракетне паливо (керосин + рідкий кисень) 9,2
гас авіаційний 42,9
Гас освітлювальний (ГОСТ 4753-68) 43,7
ксилол 43,2
мазут високосірчистий 39
мазут малосірчистих 40,5
мазут низькосірчистої 41,7
мазут сірчистий 39,6
Метиловий спирт (метанол) 21,1
н-бутилового спирт 36,8
нафта 43,5…46
нафта метанова 21,5
толуол 40,9
Уайт-спірит (ГОСТ 313452) 44
етиленгліколь 13,3
Етиловий спирт (етанол) 30,6

Питома теплота згоряння газоподібного палива і горючих газів

Представлена ​​таблиця питомої теплоти згорання газоподібного палива і деяких інших горючих газів в розмірності МДж / кг. З розглянутих газів найбільшою масової питомою теплотою згоряння відрізняється. При повному згорянні одного кілограма цього газу виділиться 119,83 МДж тепла. Також високою теплотворною здатністю володіє таке паливо, як природний газ - питома теплота згоряння природного газу дорівнює 41 ... 49 МДж / кг (у чистого 50 МДж / кг).

Питома теплота згоряння газоподібного палива і горючих газів (водень, природний газ, метан)
паливо Питома теплота згоряння, МДж / кг
1-Бутен 45,3
аміак 18,6
ацетилен 48,3
водень 119,83
Водень, суміш з метаном (50% H 2 і 50% CH 4 по масі) 85
Водень, суміш з метаном і оксидом вуглецю (33-33-33% по масі) 60
Водень, суміш з оксидом вуглецю (50% H 2 50% CO 2 по масі) 65
Газ доменних печей 3
Газ коксових печей 38,5
Газ скраплений вуглеводневий ЗВГ (пропан-бутан) 43,8
ізобутан 45,6
метан 50
н-Бутан 45,7
н-Гексан 45,1
н-Пентан 45,4
Попутний газ 40,6…43
Природний газ 41…49
пропаде 46,3
пропан 46,3
пропілен 45,8
Пропілен, суміш з воднем і окисом вуглецю (90% -9% -1% за масою) 52
Етан 47,5
етилен 47,2

Питома теплота згоряння деяких горючих матеріалів

Наведена таблиця питомої теплоти згорання деяких горючих матеріалів (, деревина, папір, пластик, солома, гума та т. Д.). Слід зазначити матеріали з високим тепловиділенням при згорянні. До таких матеріалів можна віднести: каучук різних типів, пінополістирол (пінопласт), поліпропілен і поліетилен.

Питома теплота згоряння деяких горючих матеріалів
паливо Питома теплота згоряння, МДж / кг
папір 17,6
дерматин 21,5
Деревина (бруски вологістю 14%) 13,8
Деревина в штабелях 16,6
деревина дубова 19,9
деревина ялинова 20,3
деревина зелена 6,3
деревина соснова 20,9
капрон 31,1
карболітовими вироби 26,9
картон 16,5
Каучук бутадіенстірольний СКС-30АР 43,9
каучук натуральний 44,8
каучук синтетичний 40,2
каучук СКС 43,9
каучук хлоропреновий 28
лінолеум полівінілхлоридний 14,3
Лінолеум полівінілхлоридний двошаровий 17,9
Лінолеум полівінілхлоридний на повстяній основі 16,6
Лінолеум полівінілхлоридний на теплій основі 17,6
Лінолеум полівінілхлоридний на тканинній основі 20,3
Лінолеум гумовий (релин) 27,2
парафін твердий 11,2
Пінопласт ПХВ-1 19,5
Пінопласт ФС-7 24,4
Пінопласт ФФ 31,4
Пінополістирол ПСБ-С 41,6
пінополіуретан 24,3
плита деревоволокнистих 20,9
Полівінілхлорид (ПВХ) 20,7
полікарбонат 31
поліпропілен 45,7
полістирол 39
Поліетилен високого тиску 47
Поліетилен низького тиску 46,7
Гума 33,5
руберойд 29,5
сажа канальна 28,3
Сіно 16,7
солома 17
Скло органічне (оргскло) 27,7
текстоліт 20,9
толь 16
тротил 15
бавовна 17,5
целюлоза 16,4
Шерсть і вовняні волокна 23,1

джерела:

  1. ГОСТ 147-2013 Паливо тверде мінеральне. Визначення вищої теплоти згорання і розрахунок нижчої теплоти згорання.
  2. ГОСТ 21261-91 Нафтопродукти. Метод визначення вищої теплоти згорання і обчислення нижчої теплоти згорання.
  3. ГОСТ 22667-82 Гази горючі природні. Розрахунковий метод визначення теплоти згорання, відносної густини і числа Воббе.
  4. ГОСТ 31369-2008 Газ природний. Обчислення теплоти згоряння, густини, відносної густини і числа Воббе на основі компонентного складу.
  5. Земський Г. Т. вогненебезпечні властивості неорганічних і органічних матеріалів: довідник М .: ВНІЇПО, 2016 - 970 с.