В исследовательских условиях низшая теплотворная способность принимается за 100 %, а топливо охлаждается до температуры, при которой пар начинает конденсироваться. Все остальное попадает в диапазон скрытой теплоты сгорания, которая может дополнительно превышать 10 %.
Людям крайне необходимо тепло для всех жизненно важных процессов: например, для отопления дома, приготовления пищи, плавки металлов и получения других видов энергии. Люди используют топливо для получения тепла и света. Когда люди впервые разводили огонь, им требовалось топливо — им было дерево.
Топливо — это вещество, которое выделяет энергию при сгорании.
Существует четыре группы видов топлива:
- твердое топливо,
- жидкое топливо,
- газообразное топливо.
Есть и четвертая группа — ядерное топливо, но здесь механизм производства энергии иной. Мы говорили об этом в статье о ядерном реакторе.
К твердым видам топлива относятся:
- древесина,
- горючие сланцы,
- уголь,
- торф.
Твердое ископаемое топливо, за исключением сланца, является продуктом разложения органического вещества растений. Торф — самый молодой из всех и представляет собой плотную массу, образованную из разложившихся болотных растений. Бурый уголь, который уже не совсем молодой (скажем так: среднего возраста 🤣), представляет собой темную, однородную массу, которая окисляется и разрушается при контакте с воздухом. Сланец — это минерал, из которого добывают смолу. Твердые угли — это виды с повышенной прочностью и низкой пористостью.
Жидкое топливо — это, например, бензин или дизельное топливо. Газ представляет собой смесь водорода и угарного газа.
Горючая часть топлива всегда содержит углерод, кислород, водород, серу и азот. Кислород в сочетании с углеродом или водородом уменьшает количество тепла, выделяемого при сгорании. Азот переходит в продукты сгорания, не окисляясь. Сера — это вредная примесь, при сгорании которой выделяется в четыре раза меньше тепла, чем при сгорании угля.
Бесплатный урок для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Зарегистрируйтесь и участвуйте в розыгрыше 8 курсов.
Удельная теплота сгорания топлива
Удельная теплота сгорания определяет энергетическую ценность топлива. Это формула для определения количества тепла, выделяемого при сгорании топлива.
Тепло, выделяемое при сгорании топлива
Q — количество тепла J
q — удельная теплота сгорания Дж/м3
m — масса кг
Теплотворная способность — это табличное значение, которое показывает, сколько энергии выделяется при сгорании 1 кг топлива.
В таблицах ниже приведены некоторые значения удельной теплоты сгорания.
Твердое топливо
Вещество
Удельная теплота сгорания
МДж/кг
8 класс
Хорошо известно, что источником энергии, используемой в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве и домашних хозяйствах, является топливо. К ним относятся уголь, нефть, торф, дрова, природный газ и т.д. При сгорании топлива выделяется энергия.
Давайте попробуем выяснить, как высвобождается энергия.
Вспомните структуру молекулы воды (рис. 16, а). Он состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Когда молекула воды распадается на атомы, силы притяжения между атомами должны быть преодолены, т.е. совершается работа и, следовательно, расходуется энергия. С другой стороны, если атомы соединяются вместе, образуя молекулу, происходит высвобождение энергии.
Рис. 16. Структура молекул: а — вода; б — соединение одного атома углерода и двух атомов кислорода в молекуле углекислого газа.
Использование топлива основано на явлении выделения энергии при соединении атомов. Например, во время горения атомы углерода топлива соединяются с двумя атомами кислорода (рис. 16, б), образуя молекулу монооксида углерода — углекислого газа — и выделяя энергию.
При расчете двигателей инженер должен точно знать, сколько тепла может выделиться из сгоревшего топлива. Для этого необходимо экспериментально определить, сколько тепла выделяется при полном сгорании одной и той же массы различных видов топлива.
Физическая величина, показывающая, сколько тепла выделяется при полном сгорании 1 кг топлива, называется теплотворной способностью топлива.
Термогенная мощность обозначается следующим образомq. Единицей удельной теплоты сгорания является 1 Дж/кг.
Теплотворная способность определяется экспериментально с помощью довольно сложного прибора.
Результаты экспериментальных данных приведены в таблице 2.
Таблица 2. Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива
| Вещество | q, Дж/кг |
| Порошок | 0,38 — 10 7 |
| Сухая древесина | 1,0 — 10 7 |
| Торф | 1,4 — 10 7 |
| Каменный уголь | 2,7 — 10 7 |
| Алкоголь | 2,7 — 10 7 |
| Антрацит | 3,0 — 10 7 |
| Уголь | 3,4 — 10 7 |
| Природный газ | 4,4 — 10 7 |
| Масло | 4,4 — 10 7 |
| Бензин | 4,6 — 10 7 |
| Парафин | 4,6 — 10 7 |
| Водород | 12 — 10 7 |
Из таблицы видно, что удельная теплота сгорания, например, бензина составляет 4,6 — 10 7 Дж/кг.
Это означает, что при полном сгорании 1 кг бензина выделяется 4,6 — 10 7 Дж энергии.
Общее количество тепла Q, выделяемое при сгорании m кг топлива, рассчитывается по следующей формуле.
Упражнения:
Упражнение № 9
1. сколько тепла выделяется при полном сгорании 15 кг древесного угля и 200 г спирта?
2. сколько тепла выделяется при полном сгорании 2,5 тонн нефти и сколько парафина объемом 2 литра и плотностью 800 кг/м3?
3. При полном сгорании сухих дров выделяется 50 000 кДж энергии. Какое количество дров сжигается?
Удельная теплота сгорания жидкого топлива (спирта, бензина, керосина, нефти)
Приведена таблица с удельной теплотой сгорания жидкого топлива и некоторых других органических жидкостей. Следует отметить, что такие виды топлива, как бензин, авиационное топливо, дизельное топливо и бензин, имеют высокое тепловыделение при сгорании.
Удельная теплота сгорания спирта и ацетона намного ниже, чем у традиционных видов топлива. Кроме того, жидкое ракетное топливо и этиленгликоль имеют относительно низкую теплотворную способность — при сгорании 1 кг этих углеводородов выделяется количество тепла 9,2 и 13,3 МДж соответственно.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Ацетон | 31,4 |
| Бензин А-72 (ГОСТ 2084-67) | 44,2 |
| Авиационное топливо Б-70 (ГОСТ 1012-72) | 44,1 |
| Бензин АИ-93 (ГОСТ 2084-67) | 43,6 |
| Бензол | 40,6 |
| Зимнее дизельное топливо (ГОСТ 305-73) | 43,6 |
| Летнее дизельное топливо (ГОСТ 305-73) | 43,4 |
| Жидкое ракетное топливо (парафин + жидкий кислород) | 9,2 |
| Авиационный парафин | 42,9 |
| Освещение парафином (ГОСТ 4753-68) | 43,7 |
| Ксилол | 43,2 |
| Мазут с высоким содержанием серы | 39 |
| Мазут с низким содержанием серы | 40,5 |
| Мазут с низким содержанием серы | 41,7 |
| Сульфид мазута | 39,6 |
| Метиловый спирт (метанол) | 21,1 |
| N-бутиловый спирт | 36,8 |
| Масло | 43,5…46 |
| Метановая нефть | 21,5 |
| Толуол | 40,9 |
| Уайт-спирит (ГОСТ 313452) | 44 |
| Этиленгликоль | 13,3 |
| Этиловый спирт (этанол) | 30,6 |
Удельная теплота сгорания газообразного топлива и горючих газов
В таблице удельная теплота сгорания топливных газов и некоторых других горючих газов указана в МДж/кг. Из всех рассмотренных газов водород имеет самую высокую теплоту сгорания в зависимости от массы. При полном сгорании одного килограмма этого газа выделяется 119,83 МДж тепла. Природный газ также имеет высокую теплотворную способность — его теплотворная способность составляет 41…49 МДж/кг (у чистого метана 50 МДж/кг).
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| 1-бутен | 45,3 |
| Аммиак | 18,6 |
| Ацетилен | 48,3 |
| Водород | 119,83 |
| Водород, смешанный с метаном (50% H2и 50% CH4по весу) | 85 |
| Водород, смешанный с метаном и монооксидом углерода (33-33% по массе) | 60 |
| Водород, смешанный с монооксидом углерода (50% H250% CO2по весу) | 65 |
| Газ из доменной печи | 3 |
| Печной газ кокс | 38,5 |
| LPG (пропан-бутан) | 43,8 |
| Изобутан | 45,6 |
| Метан | 50 |
| н-бутан | 45,7 |
| н-гексан | 45,1 |
| н-пентан | 45,4 |
| Попутный нефтяной газ | 40,6…43 |
| Природный газ | 41…49 |
| Пропадиен | 46,3 |
| Пропан | 46,3 |
| Пропилен | 45,8 |
| Пропилен, смесь с водородом и монооксидом углерода (90%-9%-1% по массе) | 52 |
| Этан | 47,5 |
| Этилен | 47,2 |
Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов
Приведена таблица удельной теплоты сгорания некоторых горючих материалов (строительных материалов, дерева, бумаги, пластика, соломы, резины и т.д.). Материалы, выделяющие много тепла при горении, должны быть промаркированы. К таким материалам относятся: различные виды резины, пенополистирол (пенопласт), полипропилен и полиэтилен.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Бумага | 17,6 |
| Дерматин | 21,5 |
| Древесина (содержание влаги 14 %) | 13,8 |
| Древесина в штабелях | 16,6 |
| Дубовая древесина | 19,9 |
| Еловое дерево | 20,3 |
| Зеленое дерево | 6,3 |
| Сосновая древесина | 20,9 |
| Капрон | 31,1 |
| Карболитовые изделия | 26,9 |
| Картон | 16,5 |
| Стирол-бутадиеновый каучук SKS-30AR | 43,9 |
| Натуральный каучук | 44,8 |
| Синтетический каучук | 40,2 |
| Резина SKS | 43,9 |
| Хлоропреновый каучук | 28 |
| Поливинилхлорид из линолеума | 14,3 |
| Двухслойное поливинилхлоридное линолеумное масло | 17,9 |
| Линолеум из поливинилхлорида с войлочным покрытием | 16,6 |
| Линолеум поливинилхлорид горячее льняное масло | 17,6 |
| Линолеум из ПВХ с тканевой вставкой | 20,3 |
| Резиновый линолеум (Relin) | 27,2 |
| Твердый парафин | 11,2 |
| Пластиковая пена PCV-1 | 19,5 |
| Пена FS-7 | 24,4 |
| Пенопласт FF | 31,4 |
| Полистирол PSB-C | 41,6 |
| Полиуретановая пена | 24,3 |
| Древесноволокнистые плиты | 20,9 |
| Поливинилхлорид (ПВХ) | 20,7 |
| Поликарбонат | 31 |
| Полипропилен | 45,7 |
| Полистирол | 39 |
| Полиэтилен высокого давления | 47 |
| Полиэтилен низкого давления | 46,7 |
| Резина | 33,5 |
| Рубероид | 29,5 |
| Сажевый канал | 28,3 |
| Сено | 16,7 |
| Солома | 17 |
| Органическое стекло (плексиглас) | 27,7 |
| Текстолит | 20,9 |
| Жесть | 16 |
| TNT | 15 |
| Хлопок | 17,5 |
| Целлюлоза | 16,4 |
| Шерсть и шерстяные волокна | 23,1 |
- Абрютин А. А. и др. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод.
- ГОСТ 147-2013 Топливо твердое минеральное. Определение высшей теплоты сгорания и расчет низшей теплоты сгорания.
- ГОСТ 21261-91 Нефтепродукты. Метод определения высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания.
- ГОСТ 22667-82 Газы горючие природные. Расчетный метод определения теплоты сгорания, относительной плотности и числа Воббе.
- ГОСТ 31369-2008 Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава.
- Земский Г. Т. Огнеопасные свойства неорганических и органических материалов: справочник М.: ВНИИПО, 2016 — 970 с.
