Что такое сгорание топлива

Удельная теплота сгорания

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

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 определенных процессов.

Существует четыре группы видов топлива:

К твердому топливу относятся:

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.

Под ядерным топливом обычно имеют в виду изотопы урана — подробнее об этом мы рассказали в статье «Ядерный реактор».

Удельная теплота сгорания топлива

Теплота сгорания топлива определяет количество полностью сгоревшего горючего и полученную при этом процессе энергию. Эта величина определяет энергетическую ценность топлива.

Удельная теплота фигурирует в формуле количества теплоты, выделяемого при сгорании топлива.

Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива

Q — количество теплоты [Дж]

q — удельная теплота сгорания [Дж/м 3 ]

m — масса [кг]

Удельная теплота сгорания — это табличная величина, которая определяется экспериментально достаточно непростыми методами.

Ниже представлены таблицы с некоторыми значениями удельной теплоты сгорания.

Твердое топливо

Вещество

Удельная теплота сгорания,

Источник

Горение — энергия топлива и удельная теплота сгорания

Приручив огонь, человек получил большое количество благ. Благодаря огню мы готовим пищу и обогреваем дома. Человеческая цивилизация начала развиваться — возникла металлургия и энергетика. Появились полезные инструменты, механизмы и изобретения.

Процесс горения топлива подарил нам возможность передвигаться на автомобилях и мотоциклах, летать на самолетах, запускать ракеты в космос и путешествовать по морю на кораблях.

До сих пор горение – это основной источник получения энергии во всем мире. В 2010 году сотрудники международного энергетического агентства IEA подсчитали, что 90 процентов всей энергии человечество получает, сжигая различное топливо.

Во время горения происходят химические превращения одних веществ в другие вещества. Такие превращения называют химическими реакциями.

Два вида химических реакций и энергия

Благодаря химическим реакциям в природе появилось множество различных веществ.

Примечание: Химики сложные вещества, состоящие из атомов различных хим. элементов, называют химическими соединениями.

Химические реакции – это процессы перегруппировки атомов:

При этом происходит поглощение, или выделение энергии.

Повышая температуру, мы ускоряем химические реакции

Скорость молекул зависит от температуры. Чем быстрее молекулы двигаются, тем чаще они будут сталкиваться. А когда количество столкновений увеличивается, то химические реакции протекают быстрее. Поэтому температура вещества влияет на химические реакции.

Во время протекания одних химических реакций тепловая энергия поглощается. Такие реакции называются эндотермическими (рис. 1).

Примерами эндотермических процессов могут служить процесс плавления или процесс парообразования.

А во время протекания других реакций, энергия, наоборот – выделяется. Такие химические реакции называют экзотермическими.

Среди экзотермических процессов можно отметить, например, конденсацию или кристаллизацию.

Примечание: Слова «эндотермический» и «экзотермический» пришли к нам из древнегреческого языка. По-гречески «Эндо» – внутри, «Экзо» – наружу, а «Термо» – тепло.

Что такое горение

В процессе горения температура резко повышается и выделяется большое количество тепловой энергии (теплоты). Поэтому, горение – это экзотермический процесс.

В топливе содержатся атомы химического элемента, который называется углеродом. При горении топлива каждый атом углерода объединяется в двумя атомами кислорода и выделяется энергия.

Когда горит какое-либо вещество, мы видим пламя (рис. 2).

Пламя – это поток раскаленных газов, часть пространства, в которой топливо и кислород превращаются в продукты сгорания.

Горение – процесс сложный, потому, что во время его протекания происходит цепочка химических превращений. В основном – это реакции окисления между сгорающим топливом и кислородом;

Примечание: В окружающем воздухе содержится кислород. Кислород – это сильный окислитель.

Что нужно, чтобы горение возникло

Только лишь наличия топлива и кислорода в окружающем воздухе недостаточно, чтобы это топливо загорелось. Мы должны сначала нагреть топливо до температуры, при которой произойдет его возгорание. Для предварительного нагрева мы используем источник зажигания. Например, спички, зажигалку и т. п.

Примечание: Чтобы горение возникло, нужно сначала нагреть топливо до температуры, при которой произойдет возгорание.

Например, самостоятельно может загореться бумага, наргетая до 233 градусов Цельсия или дерево, нагретое до 300 градусов Цельсия.

Поэтому, бездумно нагревать горючие вещества опасно. Так как нагретое горючее вещество способно самостоятельно загореться, иногда со взрывом.

Температура самовоспламенения некоторых веществ

Температура горения некоторых веществ

Температура частей пламени различается

Раскаленные до высокой температуры газы, выделяющиеся при сгорании топлива, светятся. Они образуют светлый ореол около горящего топлива. Этот ореол называют пламенем. Пламя можно условно разделить на слои. Температура таких слоев пламени различается. Чем ярче пламя, чем ближе его цвет к белому цвету, тем выше его температура.

Что такое удельная теплота сгорания

Мы уже знаем, что при горении выделяется теплота (тепловая энергия).

Количество теплоты, которое мы получим при сгорании, будет отличаться для разных видов топлива. Одно топливо будет выделять больше энергии, другое – меньше.

Чтобы сравнивать горючие вещества между собой, удобно сжигать 1 килограмм топлива и измерять выделяемое количество теплоты.

Примечание: Не путайте теплоту и температуру. Теплота – это тепловая энергия. Любую энергию измеряют в Джоулях. А температуру измеряют в градусах.

Тепловая энергия, которая выделяется при полном сгорании 1 кг топлива, называется удельной теплотой сгорания. Ее обозначают маленькой латинской буквой q.

\(\large q \left( \frac<\text<Дж>><\text<кг>>\right)\) – удельная теплота сгорания.

Примечание: Удельная теплота сгорания — это тепловая энергия, которая выделяется при полном сгорании 1 кг. топлива. Ранее мы уже сталкивались с удельными величинами (ссылка).

Удельную теплоту сгорания некоторых веществ можно найти в справочнике физики.

Как связаны количество теплоты и удельная теплота сгорания — формула

Мы можем посчитать количество теплоты, выделенной при сгорании, когда нам известны:

Для расчетов используем формулу:

\(\large Q \left( \text <Дж>\right) \) – количество теплоты, т. е. общая тепловая энергия;

\(\large q \left( \frac<\text<Дж>><\text<кг>> \right) \) – удельная теплота сгорания;

\(\large m \left( \text <кг>\right) \) – масса вещества;

Примечание: Если умножить удельную теплоту сгорания \(\large q \) на количество килограммов m сгоревшего вещества, то можно вычислить общее количество теплоты \(\large Q \), выделившейся при сгорании топлива.

Недостатки использования горения

На нашей планете из-за широкого использования горения возникают негативные последствия:

Из-за глобального потепления температура на планете поднялась на несколько градусов, начали таять многовековые льды на северном и южном полюсах, изменяется климат.

Источник

Топливо. Сгорание топлива.

Сгорание топлива – это химический окислительный процесс. При сгорании атомы углерода С объединяются с атомами кислорода О, формируя молекулы. Вследствие, указанного процесса идет выделение энергии, применяемой людьми для технических потребностей.

При описании свойств топлива применяют такой параметр, как теплотворность. Теплотворность характеризует количество теплоты, выделяемое при сгорании 1 кг топлива.

В физике теплотворности соразмерно понятие удельной теплоты сгорания вещества.

Удельная теплота сгорания – физическая величина, демонстрирующая количество теплоты, выделяемое при полном сгорании 1кг топлива.

Для обозначения удельной теплоты сгорания применяют латинский символ q. Единица измерения: дж/кг При сгорании выделяется огромное количество теплоты, поэтому достаточно часто применяются МДж (мегаджоули) и ГДж (гигаджоули)

В единицах измерения не представлены ° С, поскольку сгорание топлива идет практически при постоянных температурах.

Удельная теплота сгорания фиксируется экспериментальным методом с использованием сложных установок. При работе с задачами школьной программы удобнее применять специализированные таблицы.

Источник

Энергия топлива. Удельная теплота сгорания

Содержание

Энергия, которую тело получает или отдает при теплопередаче, называется количеством теплоты. Мы проделали не один опыт, рассмотрели как при теплообмене одни тела отдают энергию, а другие получают. Во многих опытах мы использовали горелку, чтобы сообщить телу какое-то количество теплоты. А как рассчитать это количество теплоты?

С давних времен, чтобы получить энергию, люди используют топливо. Сейчас топливо является источником энергии в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и, конечно, в повседневном быту. Это нефть, природный газ, торф, уголь, дрова и др.

В данном уроке мы рассмотрим, за счет чего выделяется энергия при сгорании топлива и как ее рассчитать. Также вы узнаете новое определение (удельная теплота сгорания) и научитесь им пользоваться.

Сгорание топлива и энергия

Для начала давайте вспомним строение молекулы воды (рисунок 1). Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода.

Между атомами действуют силы притяжения. Если мы захотим разделить атомы, составляющие молекулы, придется преодолеть эти силы. В таком случае будет совершена работа, и затрачена некоторая энергия. При соединение атомов, наоборот, энергия будет выделяться.

Выделение энергии при соединении атомов – явление, на котором основано использование топлива.

В любом топливе содержатся атомы углерода. В процессе горения они соединяются с двумя атомами кислорода (рисунок 2).

Удельная теплота сгорания

При сгорании разных видов топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Для того чтобы характеризовать каждый вид топлива используют такую величину, как удельная теплота сгорания. При проектировании двигателей эта величина помогает рассчитать, какое количество теплоты может выделить сжигаемое топливо.

Величину удельной теплоты сгорания устанавливают на опыте. Мы будем использовать уже готовые результаты таких исследований, представленные в таблице 1.

Таблица 1. Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива

Формула для расчета количества теплоты, выделяемого при сгорании топлива

Для расчета полного количества теплоты, выделяемого при полном сгорании топлива некоторой массы, используют формулу:

$m$ – масса сгораемого топлива.

Примеры задач

Дано:
$V = 2 \space л$
$\rho = 800 \frac<кг><м^3>$
$q = 4.6 \cdot 10^7 \frac<Дж><кг>$

СИ:
$2 \cdot 10^ <-3>\space м^3$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Формула для расчета количества теплоты:
$Q = qm$.

Рассчитаем количество теплоты:
$Q = q\rho V = 4.6 \cdot 10^7 \frac<Дж> <кг>\cdot 800 \frac<кг> <м^3>\cdot 2 \cdot 10^ <-3>\space м^3 = 7360 \cdot 10^4 \space Дж = 73.6 \cdot 10^6 \space Дж = 73.6 \space МДж$.

Дано:
$Q = 70 000 \space кДж$
$q = 1.0 \cdot 10^7 \frac<Дж><кг>$

СИ:
$7 \cdot 10^7 \space Дж$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Источник

Основы теплотехники

Топливо и его горение

Топливом называют горючие вещества, применяемые для получения теплоты (тепловой энергии) при их сжигании. Под сжиганием обычно подразумевают окисление горючих веществ кислородом воздуха.
Промышленным топливом считаются не все горючие вещества, а лишь те, которые удовлетворяют следующим требованиям:

В качестве примера естественных твердых топлив можно привести ископаемый уголь, торф, горючие сланцы, дрова, отходы сельскохозяйственного производства. Искусственное твердое топливо – кокс, полукокс, пылевидное топливо, брикеты, древесный уголь.
К естественному жидкому топливу относится нефть, а к искусственному – получаемые из нефти продукты – бензин, керосин, дизельное топливо, газойль, мазут, нефтяное и котельное топливо.

По методу добычи и потребления различают местное и привозное топливо.

Составные части топлива

Топливо состоит из органической и минеральной частей.
Органическую часть топлива составляют следующие химические элементы: углерод (С), водород (Н₂), кислород (О₂), азот (N₂) и сера (S). Топливо может состоять из смеси этих элементов или только их части.
Так, органическую массу кокса или древесного угля в основном составляет углерод, а нефтепродуктов и газового топлива – углерод, водород и кислород.

Наиболее ценные из перечисленных элементов топлива – углерод и водород.
Кислород и азот являются внутренним балластом топлива, поскольку они не горят. Сера является нежелательным компонентом топлива, несмотря на то, что сгорая, она выделяет теплоту. При сгорании этого элемента образуется сернистый газ и серная кислота, пагубно влияющие на экологию и вызывающие сильную коррозию металлов.

Минеральная часть топлива составляют вода и минеральные примеси, которые являются внешней балластной частью (внешним балластом) топлива. Содержание балластной части в топливе очень нежелательно, поскольку увеличивая массу и объем топлива, она уменьшает его тепловую ценность.
Минеральные составляющие после сжигания образуют твердый остаток – золу.

Сущность процесса горения

Горение может быть полным и неполным.
Полным горением называют процесс окисления горючих элементов топлива кислородом, при котором выделяются продукты, не способные гореть в дальнейшем.
Неполное сгорание топлива сопровождается выделением продуктов горения, которые в дальнейшем могут воспламеняться и сгорать повторно. Так, при полном сгорании углерода выделяется углекислый газ СО₂, который в дальнейшем гореть не способен.

Однако, если углерод сгорает при недостаточном количестве кислорода, то продуктом его окисления является углекислота СО, которая может загореться при соответствующих условиях. При этом неполное горение сопровождается выделением значительно меньшего количества теплоты, т. е. считается нежелательным явлением. Для того чтобы процесс горения был полным, необходимо обеспечить подачу достаточного количества воздуха (содержащего кислород) в зону горения.
На практике, сжигая топливо, стараются придерживаться определенного баланса между количеством воздуха и топлива, поскольку избыток воздуха сопровождается потерями теплоты на его подогрев.

Количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива

Количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива, определить несложно, если известно процентное содержание в топливе основных горючих элементов – углерода, водорода, серы и кислорода.
Так как атомная масса углерода 12, а кислорода – 16, то для получения углекислого газа СО₂ необходимо 12 частей углерода соединить с 32 частями кислорода, т. е. на одну массовую долю углерода должно приходиться 2,67 частей кислорода.
Зная атомную массу водорода и серы, а также формулы продуктов их полного окисления, можно аналогично рассчитать необходимое количество кислорода для сжигания 1 части любого горючего элемента.

Теплота сгорания топлива

Например, для твердого топлива:

Q_в = 339С + 1250Н – 108,85(О – S) ;

для жидкого топлива:

Условное топливо

Температура горения топлива

Следует различать теоретическую и действительную температуру горения.
Теоретической температурой горения называют максимальную температуру, которую способно давать данное топливо при полном сгорании с теоретически необходимым количеством воздуха. Ее определяют опытным путем, или аналитически, используя формулы, в которых учитывается массовая доля и теплотворная способность каждого горючего элемента в топливе. При этом теоретическая температура горения будет равна отношению теплоты, полученной от сгорания единицы топлива, к сумме произведений массовых составляющих горючих элементов на их теплотворную способность.
Теоретически определенная температура горения топлива всегда выше действительной, поскольку при расчетах не учитывается ее понижение из-за потерь теплоты на лучеиспускание, избыток воздуха при сжигании, неполное сгорание топлива и т. п.

Способы сжигания топлива

В котельной практике известны слоевой, факельный и вихревой способы сжигания топлива.

Слоевой способ сжигания топлива (рис. 1а) заключается в следующем. Загруженное в топку топливо распределяется ровным слоем по колосниковой решетке, через которую проходит воздух, встречающий на своем пути неподвижный или движущийся слой горящего топлива.
При взаимодействии с топливом воздух превращается в газовоздушный поток, который, пройдя через топочное пространство, выходит наружу. Для предотвращения уноса топлива необходимо, чтобы вес частичек топлива был больше силы газовоздушного потока. Однако, при слишком больших размерах кусков топлива замедляется процесс горения и уменьшается количество теплоты, получаемой в единицу времени, поэтому оптимальный размер кусков – 20-30 мм.

Основным достоинством слоевого способа сжигания твердого топлива является наличие на колосниках запаса горящего топлива, обеспечивающего устойчивость протекания процесса. Существенным недостатком этого способа является необходимость использования твердого топлива с оптимальными размерами кусков, что требует предварительной их сортировки и дробления.

Существенный недостаток этого способа – малая скорость обтекания частиц топлива газовоздушным потоком, которая не позволяет значительно увеличить интенсивность горения, а также большая чувствительность к изменению режима работы, поскольку в топочном пространстве постоянно находится небольшое количество (запас) топлива. Поэтому регулирование процесса возможно при одновременном изменении подачи топлива и воздуха.

Вихревой способ сжигания топлива (рис. 1в) заключается в создании в топочном пространстве вихря, благодаря которому топливо, поступающее в топку, подхватывается газовоздушным потоком и движется вместе с ним по определенной траектории до полного выгорания горючих элементов из горючей массы.
Вихревое движение топлива в газовоздушном потоке способствует более длительному нахождению топлива в топочном пространстве, что создает условия для полного сгорания частиц размером 3-5 мм и для получения более устойчивого горения, чем при факельном способе сжигания.

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Источник