§ 14. 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 виділяється 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 СН₄ з молекулами кисню О₂, утворюються молекули вуглекислого газу СО₂ і води Н₂О 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.

Рис. 14.1: а) горіння — особливий тип хімічної реакції; б) знімок початку процесу формування хімічної реакції (встановлення зв’язку між двома атомами), виконаний за допомогою рентгенівського лазера

Рис. 14.2. Під час взаємодії молекул метану СН₄ з молекулами кисню О₂ утворюються молекули вуглекислого газу СО₂ та води Н₂О

Рис. 14.3. Процес горіння металів у атмосфері кисню

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 речовини, яка горить, потрібно охолодити до температури, нижчої від температури займання, або припинити доступ кисню. Обидва ці 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 застосовують вуглекислотні, порошкові та піноутворюючі вогнегасники. Під час їхньої роботи виділяється вуглекислий газ СО₂, 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).

Рис. 14.4. Одним зі способів гасіння пожежі є перешкоджання доступу кисню до речовини, що горить

Рис. 14.5. Різні види палива

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 виду палива.

Різні речовини мають різну питому теплоту згоряння палива (табл. 14.1).

Питома теплота згоряння палива певних речовин

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, яка виділяється при згорянні палива, обчислюється за формулою:

Масу палива, необхідну для отримання деякої кількості теплоти, можна розрахувати за формулою:

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

Відповідь: Q = 3,5 ГДж.

Відповідь: Q = 61 МДж.

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: Q = 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 енергії?
• 5(д). Спирт об’ємом 0,005 м 3 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.

§ 15. Згорання палива. Розрахунок кількості теплоти внаслідок згорання палива

Горіння. Досить часто людина добуває теплову енергію, спалюючи різні речовини. Це пояснюється тим, що горіння супроводжується виділенням теплоти.

Горіння — це фізико-хімічний процес, під час якого відбувається окиснення речовини із виділенням теплоти і світла.

Горіння відбуватиметься, якщо є: горюча речовина, окисник і джерело займання. Перебіг горіння залежить від співвідношення кількості горючої речовини й окисника, а також енергетичної спроможності джерела займання.

Ми не будемо розглядати всі можливі фізико-хімічні процеси горіння й види горючих речовин, зупинимося лише на деяких із них. Зокрема, на процесах горіння, пов’язаних із окисненням вуглецю. Звичайне паливо 1 (вугілля, нафта, бензин тощо) містить вуглець. Під час горіння атоми вуглецю сполучаються з атомами кисню, який є в повітрі. Кожний атом вуглецю сполучається з двома атомами кисню, утворюючи молекулу оксиду вуглецю (IV) (вуглекислого газу). Реакція супроводжується виділенням енергії (мал. 64). Розрізняють повне та неповне згорання палива. У процесі повного згорання вся хімічна енергія палива переходить у теплову.

1 В українській мові розрізняють такі поняття: паливо — горюча речовина (дрова, вугілля, нафта, газ і т. ін.), яка використовується для одержання теплової енергії, тепла; пальне — паливо для двигунів; речовина, що є джерелом енергії під час її спалювання у двигунах, котельних та інших енергетичних установках.

Мал. 64. Реакція горіння

Щоб розпочався процес горіння, потрібне джерело займання (мал. 65). Так, щоб запалити речовину в повітрі, спочатку потрібно нагріти її до певної температури — температури займання. Для різних речовин вона різна. Так, наприклад, дерево займається за температури приблизно 200 °С, вугілля — 350 °С.

Мал. 65. Умови початку горіння

Теплота, що виділяється під час горіння, підтримує температуру речовини вищою за температуру займання, унаслідок чого горіння підтримується самостійно.

Важливо знати, що для припинення горіння речовину, що 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 й відбирає від тіл, що горять, теплоту. Їхня температура різко зменшується. Водяна пара, що утворюється, утруднює доступ кисню, і горіння припиняється.

Обчислення кількості теплоти, що виділяється внаслідок згорання палива. Питома теплота згорання. Процес горіння супроводжується виникненням полум’я (теплом і світлом) та виділенням диму (продуктів згорання). З фізичної точки зору нас буде цікавити питання: від чого залежить кількість теплоти, що виділяється під час горіння?

Природно, що різні речовини під час горіння виділяють різну кількість теплоти, тобто горючі речовини можна порівнювати за певною фізичною величиною. Такою величиною є питома теплота згорання.

Питома теплота згорання палива — це фізична величина, що показує, яка кількість теплоти виділяється в результаті повного згорання палива масою 1 кг.

Є різні види палива: тверде (дрова, вугілля, сланці, торф); рідке (бензин, гас, дизельне пальне, спирт та ін.); газоподібне (метан, пропан, бутан, ацетилен та ін.). У таблиці на форзаці наведено значення їх питомої теплоти згорання.

Щоб обчислити кількість теплоти, яка виділяється від згорання будь-якої маси палива, треба питому теплоту згорання помножити на масу палива, що згоріло:

Коефіцієнт корисної дії нагрівника. Для теплообміну часто застосовують нагрівники, за допомогою яких можна використати теплоту згорання палива, — газові пальники, спиртівки, печі. Кількість теплоти, яка утворюється в нагрівнику під час згорання палива, частково йде на нагрівання тіл, а частина її витрачається (розсіюється в навколишнє середовище, поглинається самим нагрівником тощо). Тому кажуть про коефіцієнт корисної дії (ККД) нагрівника показує, яку частину становить кількість теплоти, що йде на нагрівання (Q), по відношенню до кількості теплоти, що виділяється від згорання палива (Q_зг):

ККД нагрівника характеризує ефективність використання теплоти, отриманої внаслідок згорання палива. Для того щоб підвищити ККД нагрівника, необхідно збільшувати корисну енергію, тобто зменшувати втрати теплоти не за призначенням.

Підбиваємо підсумки

Горіння — це фізико-хімічний процес, який супроводжується виділенням теплоти і світла.

Питомою теплотою згорання палива (q) називають фізичну величину, що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згоранні 1 кг цього виду палива.

Загальна кількість теплоти Q, що виділяється внаслідок згорання деякої маси m палива, обчислюється за формулою: Q = qm.

Я знаю, вмію й розумію

• 1. Що таке горіння? Опишіть фізичне явище, що лежить в основі використання палива як джерела енергії.
• 2. Чому для одержання теплової енергії використовують паливо?
• 3. Що називають питомою теплотою згорання палива? Які види палива мають найбільшу питому теплоту згорання?
• 4. Що характеризує ККД нагрівника?

• 1. Чому одним сірником можна запалити дерев’яну тріску, але неможливо запалити великий шматок деревини?
• 2. Чому, гасячи багаття, його розгортають по землі?

ВЧИМОСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ

Задача 1. Яка кількість теплоти виділиться під час згорання 40 кг кам’яного вугілля? Скільки води можна нагріти від 10 до 60 °С, витративши всю теплоту на її нагрівання?

Задача 2. Скільки треба спалити спирту, щоб нагріти 0,5 л води від 20 до 80 °С, якщо для нагрівання води витрачається 60 % теплоти, що виділяється під час згорання спирту?

1. Яку масу води, узятої за температури 10 °С, можна нагріти до 50 °С, спаливши 30 г спирту, якщо вважати, що вся теплота, що виділяється під час згорання спирту, піде на нагрівання води?

2. На скільки більше теплоти виділяється в результаті повного згорання бензину масою 7 кг порівняно із повним згоранням кам’яного вугілля тієї самої маси?

3. Чи однаково прогріється піч, якщо в ній спалювати сухі дрова масою 14,5 кг або кам’яне вугілля масою 8 кг? Час горіння вважайте однаковим.

4*. Яка кількість теплоти виділяється внаслідок повного згорання пальної суміші, що складається з бензину об’ємом 2 л і спирту об’ємом 1,5 л? Яким має бути відношення маси бензину до маси спирту, щоб питома теплота згорання цієї суміші становила 42 МДж/кг?

5. Унаслідок згорання палива масою 5 кг виділилось 210 МДж теплоти. Що це за паливо?

6. На малюнку 66 зображено графіки залежності кількості теплоти, що виділяється внаслідок згорання двох видів палива (І і ІІ), від їхньої маси. Визначте питому теплоту згорання кожного з видів палива. У скільки разів кількість теплоти, що виділяється внаслідок згорання 0,3 кг палива І, менша від кількості теплоти, що виділяється внаслідок згорання 0,3 кг палива ІІ?

Мал. 66. До завдання 6

7. Використовуючи графіки (мал. 67) залежності питомої теплоти згорання палива для двох видів палива (І і ІІ) від їхньої маси, визначте сумарну кількість теплоти, що виділяється внаслідок повного згорання палива І масою 2 кг і палива ІІ масою 3 кг. Що це за види палива?

Мал. 67. До завдання 7

8. На скільки градусів можна нагріти воду масою 20 кг, спаливши гас масою 100 г, якщо вважати, що теплота, яка виділяється в результаті згорання, повністю піде на нагрівання води?

9. Скільки енергії виділилось під час горіння спиртівки, якщо вода масою 100 г нагрілась від 30 до 80 °С, а теплота, затрачена на нагрівання води, становить 20 % тієї теплоти, що виділилась?

10*. Сталева пилка масою 3 кг під час роботи протягом 5 хв нагрілася на 100 °С. Вважаючи, що на нагрівання пилки пішло 60 % усієї енергії, визначте виконану роботу та корисну потужність, що розвивається при цьому.

Фізика навколо нас

У всьому світі понад 80 % теплової та електричної енергії одержують, спалюючи природне органічне паливо та перетворюючи його хімічну енергію на електричну й теплову. Найпоширенішими видами пального є нафта, кам’яне вугілля та природний газ. На малюнку показано співвідношення запасів цих видів пального у світі та в Україні.

Унаслідок інтенсивного використання невідновлюваних паливно-енергетичних ресурсів планети у ХХ ст. їх запаси значно зменшилися. Адже корисні копалини утворюються природою впродовж віків, а витрачаються практично миттєво. Їх запаси не безмежні й вимагають раціонального використання. Для економік багатьох країн світу постає проблема енергетичної кризи, оскільки практично всі галузі промисловості залежать від енергії, що отримується внаслідок згорання палива.

Це безпосередньо стосується й енергетики України. Щоб пересвідчитись у цьому, достатньо проаналізувати загальні дані споживання основних видів органічного палива країнами світу й Україною.

Нафту, природний газ і вугілля спалюють у таких кількостях, що продукти їх згорання (шкідливі й токсичні газові викиди та аерозолі) змінюють склад повітря, забруднюють воду та ґрунти. В атмосферу щорічно викидаються десятки мільярдів тонн шкідливих речовин. Серед них: парникові гази (вуглекислий газ (СО₂), метан), надмірна концентрація яких, на думку деяких учених, призводить до збільшення середньої температури на поверхні Землі; оксид вуглецю СО, що в побуті називають чадним газом і який є дуже токсичним; сажові частинки, що згубно діють на дихальні органи людини й спричинюють онкологічні захворювання.

Протягом мільйонів років існувала природна рівновага вмісту СО₂ в атмосфері. Молекули СО₂ добре пропускають сонячне випромінювання, що надходить із космосу, але поглинають теплове випромінювання, що йде від поверхні Землі. Це, на думку деяких учених, і є причиною поступового підвищення температури атмосфери. Зниження концентрації СО₂ призводить до зниження середньорічної температури планети: якби в атмосфері зовсім не було СО₂, уся поверхня Землі вкрилася б кригою, а середньорічна температура не перевищувала б рівня 6-10 °С. Відповідно збільшення вмісту СО₂ зумовить підвищення температури.

У той же час інші продукти згорання — пил, зола, сажа, токсичні речовини (свинець, ртуть, кадмій) — розсіюють сонячне світло, тому значна його частина не досягає поверхні Землі, що призводить до зниження температури. У результаті відбуваються коливання температури земної атмосфери.

Іншими шкідливими продуктами згорання є: діоксид сірки, або сірчистий ангідрид SO₂, — один із найтоксичніших газів, який впливає на окиснювання, руйнує матеріали, завдає шкоди здоров’ю людини; оксиди азоту (N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₄ і N₂O₅) й озон О₃, які шкідливо впливають на здоров’я людини, зумовлюють утворення «парникового ефекту» й руйнацію озонового шару, спричинюють «вимирання» лісів і «кислотні дощі».

Величезного екологічного та економічного лиха завдають пожежі.