AT túto lekciu naučíme sa vypočítať množstvo tepla, ktoré palivo uvoľní pri spaľovaní. Okrem toho zvážte vlastnosti paliva - špecifické spalné teplo.

Keďže celý náš život je založený na pohybe a pohyb je väčšinou založený na spaľovaní paliva, štúdium tejto témy je veľmi dôležité pre pochopenie témy „Tepelné javy“.

Po preštudovaní problematiky súvisiacej s množstvom tepla a špecifické teplo, uvažujme množstvo tepla uvoľneného pri spaľovaní paliva.

Definícia

Palivo- látka, ktorá pri niektorých procesoch (spaľovanie, jadrové reakcie) uvoľňuje teplo. Je zdrojom energie.

Palivo sa deje pevné, kvapalné a plynné(obr. 1).

Ryža. 1. Druhy paliva

• Komu tvrdé druhy palivá zahŕňajú uhlia a rašeliny.
• Kvapalné palivá sú ropa, benzín a iné ropné produkty.
• Plynné palivá zahŕňajú zemný plyn.
• Samostatne možno rozlíšiť veľmi bežné v nedávne časy jadrové palivo.

Spaľovanie paliva je chemický proces, ktorý je oxidačný. Počas spaľovania sa atómy uhlíka spájajú s atómami kyslíka a vytvárajú molekuly. V dôsledku toho sa uvoľňuje energia, ktorú človek využíva na svoje účely (obr. 2).

Ryža. 2. Tvorba oxidu uhličitého

Na charakterizáciu paliva sa používa takáto charakteristika ako kalorická hodnota. Výhrevnosť ukazuje, koľko tepla sa uvoľní pri spaľovaní paliva (obr. 3). V kalorickej fyzike tomu pojem zodpovedá špecifické spalné teplo látky.

Ryža. 3. Špecifické teplo spaľovanie

Definícia

Špecifické spalné teplo - fyzikálne množstvo, ktorý charakterizuje palivo, sa číselne rovná množstvu tepla, ktoré sa uvoľní pri úplnom spaľovaní paliva.

Merné spalné teplo sa zvyčajne označuje písmenom . Jednotky:

V jednotkách merania nie je , pretože spaľovanie paliva prebieha pri takmer konštantnej teplote.

Špecifické spalné teplo sa určuje empiricky pomocou sofistikovaných prístrojov. Na riešenie problémov však existujú špeciálne tabuľky. Nižšie uvádzame hodnoty špecifického spaľovacieho tepla pre niektoré druhy paliva.

Tabuľka 4. Merné spalné teplo niektorých látok

Z uvedených hodnôt je zrejmé, že pri spaľovaní sa uvoľňuje obrovské množstvo tepla, preto sa používajú jednotky merania (megajouly) a (gigajouly).

Na výpočet množstva tepla, ktoré sa uvoľňuje pri spaľovaní paliva, sa používa nasledujúci vzorec:

Tu: - hmotnosť paliva (kg), - špecifické spalné teplo paliva ().

Na záver poznamenávame, že väčšina paliva, ktoré ľudstvo používa, sa skladuje pomocou slnečnej energie. Uhlie, ropa, plyn – to všetko vzniklo na Zemi vplyvom Slnka (obr. 4).

Ryža. 4. Tvorba paliva

V ďalšej lekcii si povieme o zákone zachovania a premeny energie v mechanických a tepelných procesoch.

Zoznamliteratúre

1. Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Ed. Orlová V.A., Roizena I.I. Fyzika 8. - M.: Mnemosyne.
2. Peryshkin A.V. Fyzika 8. - M.: Drop, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fyzika 8. - M.: Osveta.

1. Internetový portál "festival.1september.ru" ()
2. Internetový portál "school.xvatit.com" ()
3. Internetový portál "stringer46.narod.ru" ()

Domáca úloha

Výpočty nákladov na 1 kWh:

• Dieselové palivo. Merné spalné teplo motorovej nafty je 43 mJ/kg; alebo, berúc do úvahy hustotu 35 mJ / liter; pri zohľadnení účinnosti kotla na naftu (89 %) dostaneme, že pri spaľovaní 1 litra vznikne 31 mJ energie, alebo v známejších jednotkách 8,6 kWh.
  • Náklady na 1 liter motorovej nafty sú 20 rubľov.
  • Náklady na 1 kWh energie spaľovania motorovej nafty sú 2,33 rubľov.

• Propán-butánová zmes SPBT(Skvapalnený uhľovodíkový plyn SUG). Špecifická výhrevnosť LPG je 45,2 mJ / kg, alebo pri hustote 27 mJ / liter pri účinnosti plynového kotla 95 % dostaneme pri spaľovaní 1 litra 25,65 mJ energie. je generovaný, alebo v známejších jednotkách - 7,125 kW * h.
  • Náklady na 1 liter LPG sú 11,8 rubľov.
  • Náklady na 1 kWh energie sú 1,66 rubľov.

Rozdiel v cene 1 kW tepla získaného spaľovaním nafty a LPG vyšiel 29 %. Vyššie uvedené čísla ukazujú, že skvapalnený plyn je z uvedených zdrojov tepla hospodárnejší. Pre presnejší výpočet je potrebné uviesť aktuálne ceny energií.

Vlastnosti použitia skvapalneného plynu a motorovej nafty

DIESELOVÉ PALIVO. Existuje niekoľko odrôd, ktoré sa líšia obsahom síry. Ale pre kotol to nie je veľmi dôležité. Dôležité je ale rozdelenie na zimnú a letnú motorovú naftu. Norma stanovuje tri hlavné triedy motorovej nafty. Najbežnejší je letný (L), rozsah jeho použitia je od O °C a vyššie. Zima motorová nafta(3) používa sa pri negatívnych teplotách vzduchu (do -30°C). Pre nižšie teploty by sa mala používať arktická (A) motorová nafta. punc nafta je jeho bodom zákalu. V skutočnosti je to teplota, pri ktorej parafíny obsiahnuté v motorovej nafte začnú kryštalizovať. Naozaj sa zakalí a pri ďalšom znižovaní teploty sa z neho stáva želé alebo mrazená tuková polievka. Najmenšie kryštály parafínu upchávajú póry palivových filtrov a ochranných sietí, usadzujú sa v kanáloch potrubia a paralyzujú prácu. Pre letné palivo je bod zákalu -5°C a pre zimné palivo -25°C. Dôležitým ukazovateľom, ktorý musí byť uvedený v pase pre motorovú naftu, je maximálna teplota filtrovateľnosti. Zakalená motorová nafta sa môže použiť až do teploty filtrovateľnosti a potom - upchatý filter a odpojenie paliva. Zimná nafta sa od letnej nelíši ani farbou, ani vôňou. Ukazuje sa teda, že iba Boh (a tanker) vie, čo je vlastne zatopené. Niektorí remeselníci miešajú letnú naftu s BGS (benzínový plyn) a inou vodkou, čím dosahujú nižšiu teplotu filtrovania, čo je spojené s poruchou čerpadla a jednoducho výbuchom, pretože toto pekelné bodyagi má znížený bod vzplanutia. Namiesto nafty je možné dodať aj ľahký vykurovací olej, ktorý sa navonok nelíši, ale obsahuje viac nečistôt, navyše tých, ktoré v nafte vôbec nie sú. Čo je plné kontaminácie palivového zariadenia a jeho nie lacného čistenia. Z vyššie uvedeného môžeme konštatovať, že ak si kúpite dieselový motor za nízku cenu od jednotlivcov alebo neoverených organizácií, môžete vykurovací systém opraviť alebo rozmraziť. Cena motorovej nafty dovezenej k vám domov sa pohybuje o rubeľ od cien na čerpacích staniciach, a to nahor aj nadol v závislosti od odľahlosti vašej chaty a množstva prepravovaného paliva, všetko lacnejšie by vás malo upozorniť, ak ste nie extrémne a nebojte sa stráviť noc v chladiacom dome v 30 stupňovom mraze.

SKVAPALNENÝ PLYN. Rovnako ako v prípade motorovej nafty existuje niekoľko druhov SPBT, ktoré sa líšia zložením zmesi propánu a butánu. Zimná zmes, letná a arktická. Zimnú zmes tvorí 65 % propánu, 30 % butánu a 5 % nečistôt plynu. Letná zmes pozostáva zo 45% propánu, 50% butánu, 5% plynových nečistôt. Arktická zmes – 95 % propánu a 5 % nečistôt. Je možné dodať zmes 95% butánu a 5% nečistôt, takáto zmes sa nazýva domácnosť. Do každej zmesi sa pridáva veľmi malé množstvo sírovej látky, odorantu, aby sa vytvoril „plynový zápach“. Z hľadiska horenia a vplyvu na zariadenie nemá zloženie zmesi prakticky žiadny vplyv. Bután, aj keď je oveľa lacnejší, je o niečo lepší na vykurovanie ako propán - má viac kalórií, ale má veľmi veľkú nevýhodu, ktorá sťažuje jeho použitie v ruských podmienkach - bután sa prestáva vyparovať a zostáva tekutý pri nule stupňov. Ak máte dovezenú nádrž s nízkym hrdlom alebo zvislou (hĺbka odparovacieho zrkadla je menšia ako 1,5 metra) alebo sa nachádza v plastovom sarkofágu, ktorý zhoršuje prenos tepla, tak pri dlhotrvajúcich mrazoch môže nádrž zastaviť vyparovanie bután, a to nielen v dôsledku mrazu, ale aj z - v dôsledku nedostatočného prenosu tepla (pri vyparovaní sa plyn sám ochladzuje). Pri teplotách pod 3 stupne Celzia dovážané nádoby vyrobené na podmienky Nemecka, Česka, Talianska, Poľska s intenzívnym odparovaním prestávajú po odparení všetkého propánu produkovať plyn a zostáva len bután.

Teraz porovnajme spotrebiteľské vlastnosti LPG a motorovej nafty

Používanie LPG je o 29 % lacnejšie ako nafta. Kvalita LPG nemá vplyv na jeho spotrebiteľské vlastnosti pri použití nádrží AvtonomGas, navyše viac obsahu bután v zmesi, tým lepšie plynové zariadenie funguje. Nekvalitná motorová nafta môže viesť k vážnemu poškodeniu vykurovacieho zariadenia. Použitie skvapalneného plynu vás zbaví prítomnosti zápachu motorovej nafty v dome. v skvapalnenom plyne menej obsahu jedovaté zlúčeniny síry a v dôsledku toho nedochádza k znečisteniu ovzdušia vo vašej záhrade. Zo skvapalneného plynu môžete prevádzkovať nielen kotol, ale aj plynový sporák, ako aj plynový krb a plynový elektrický generátor.

tepelné stroje v termodynamike sú to periodicky pracujúce tepelné motory a chladiace stroje (termokompresory). Rôzne chladiace stroje sú tepelné čerpadlá.

Zariadenia, ktoré vyrábajú mechanická práca v dôsledku vnútornej energie paliva, sú tzv tepelné motory (tepelné motory). Pre činnosť tepelného motora sú potrebné tieto komponenty: 1) zdroj tepla s vyššou teplotnou hladinou t1, 2) zdroj tepla s nižšou teplotnou hladinou t2, 3) pracovná kvapalina. Inými slovami: akékoľvek tepelné motory (tepelné motory) pozostávajú z ohrievač, chladič a pracovné médium .

Ako pracovný orgán používa sa plyn alebo para, pretože sú vysoko stlačiteľné a v závislosti od typu motora sa môže vyskytovať palivo (benzín, petrolej), vodná para atď. Ohrievač odovzdáva určité množstvo tepla (Q1) pracovnej kvapaline a jeho vnútorná energia sa zvyšuje, vďaka tejto vnútornej energii sa vykoná mechanická práca (A), potom pracovná tekutina odovzdá určité množstvo tepla chladničke (Q2) a ochladí sa na počiatočnú teplotu. Opísaná schéma predstavuje pracovný cyklus motora a je všeobecná, v skutočných motoroch môžu rôzne zariadenia hrať úlohu ohrievača a chladničky. Prostredie môže slúžiť ako chladnička.

Keďže v motore sa časť energie pracovnej tekutiny prenáša do chladničky, je zrejmé, že nie všetka energia, ktorú dostáva z ohrievača, ide na prácu. resp. efektívnosť motor (účinnosť) sa rovná pomeru vykonanej práce (A) k množstvu tepla, ktoré dostane z ohrievača (Q1):

Spaľovací motor (ICE)

Existujú dva typy spaľovacích motorov (ICE): karburátor a diesel. V karburátorovom motore sa pracovná zmes (zmes paliva so vzduchom) pripravuje mimo motora v špeciálne zariadenie a odtiaľ to ide do motora. V dieselovom motore sa palivová zmes pripravuje v samotnom motore.

ICE pozostáva z valec , v ktorej sa pohybuje piest ; valec má dva ventily , cez ktorý sa jedným vpúšťa horľavá zmes do valca a cez druhý sa z valca uvoľňujú výfukové plyny. Použitie piestu kľukový mechanizmus spája s kľukový hriadeľ , ktorý prichádza do rotácie počas translačného pohybu piesta. Valec je uzavretý uzáverom.

Cyklus prevádzky spaľovacieho motora zahŕňa štyri bary: sanie, kompresia, zdvih, výfuk. Počas nasávania sa piest pohybuje nadol, tlak vo valci klesá a cez ventil sa doň dostáva horľavá zmes (v karburátorovom motore) alebo vzduch (v dieselovom motore). Ventil je v tomto čase zatvorený. Na konci vstupu horľavej zmesi sa ventil uzavrie.

Pri druhom zdvihu sa piest posunie nahor, ventily sa uzavrú a pracovná zmes alebo vzduch sa stlačí. Súčasne stúpa teplota plynu: horľavá zmes v karburátorovom motore sa zahreje na 300 - 350 ° C a vzduch v dieselovom motore - na 500 - 600 ° C. Na konci kompresného zdvihu preskočí v karburátorovom motore iskra a horľavá zmes sa zapáli. V dieselovom motore sa palivo vstrekuje do valca a vzniknutá zmes sa samovoľne vznieti.

Pri spaľovaní horľavej zmesi plyn expanduje a tlačí piest a k nemu pripojený kľukový hriadeľ, pričom vykonáva mechanickú prácu. To spôsobí ochladenie plynu.

Keď piest dosiahne najnižší bod, tlak v ňom sa zníži. Keď sa piest pohybuje nahor, ventil sa otvorí a výfukové plyny sa uvoľnia. Na konci tohto cyklu sa ventil zatvorí.

Parná turbína

Parná turbína predstavuje disk namontovaný na hriadeli, na ktorom sú pripevnené lopatky. Para vstupuje do lopatiek. Para zahriata na 600 °C sa posiela do trysky a expanduje v nej. Pri expanzii pary sa jej vnútorná energia premieňa na kinetickú energiu usmerneného pohybu prúdu pary. Prúd pary vstupuje z dýzy na lopatky turbíny a odovzdáva im časť svojej kinetickej energie, čím sa turbína otáča. Turbíny majú zvyčajne niekoľko kotúčov, z ktorých každý prijíma časť energie pary. Otáčanie kotúča sa prenáša na hriadeľ, ku ktorému je pripojený generátor elektrického prúdu.

Pri spaľovaní rôznych palív rovnakej hmotnosti sa uvoľňuje rôzne množstvo tepla. Napríklad je dobre známe, že zemný plyn je energeticky efektívne palivo ako palivové drevo. To znamená, že na získanie rovnakého množstva tepla musí byť hmotnosť palivového dreva, ktoré sa má spáliť, výrazne väčšia ako hmotnosť zemný plyn. v dôsledku toho rôzne druhy palivo z energetického hľadiska charakterizuje množstvo tzv špecifické spalné teplo paliva .

Špecifická výhrevnosť paliva- fyzikálna veličina udávajúca, koľko tepla sa uvoľní pri úplnom spálení paliva o hmotnosti 1 kg.

Rôzne druhy palív (pevné, kvapalné a plynné) sa vyznačujú všeobecnými a špecifickými vlastnosťami. Medzi všeobecné vlastnosti paliva patrí špecifické spalné teplo a vlhkosť, medzi špecifické vlastnosti patrí obsah popola, obsah síry (obsah síry), hustota, viskozita a ďalšie vlastnosti.

Merné spalné teplo paliva je množstvo tepla, ktoré sa uvoľní pri úplnom spálení \(1\) kg tuhého alebo kvapalného paliva alebo \(1\) m³ plynného paliva.

Energetickú hodnotu paliva určuje predovšetkým jeho špecifické spalné teplo.

Špecifické spalné teplo sa označuje písmenom \(q\). Jednotkou merného spaľovacieho tepla je \(1\) J/kg pre tuhé a kvapalné palivá a \(1\) J/m³ pre plynné palivá.

Špecifické spalné teplo sa experimentálne určuje pomerne zložitými metódami.

Tabuľka 2. Merné spalné teplo niektorých druhov palív.

tuhé palivo

Kvapalné palivo

plynné palivo

(za normálnych podmienok)

Z tejto tabuľky je vidieť, že najvyššie je špecifické spalné teplo vodíka, je to \(120\) MJ / m³. To znamená, že úplným spálením vodíka o objeme \(1\) m³ sa uvoľní \(120\) MJ \(=\)\(120\) ⋅ 10 6 J energie.

Vodík patrí medzi vysokoenergetické palivá. Produktom spaľovania vodíka je navyše obyčajná voda, na rozdiel od iných palív, kde sú produktmi spaľovania oxid uhličitý a oxid uhoľnatý, popol a pecná troska. To robí z vodíka najekologickejšie palivo.

Plynný vodík je však výbušný. Navyše má v porovnaní s inými plynmi pri rovnakej teplote a tlaku najnižšiu hustotu, čo sťažuje skvapalňovanie vodíka a jeho transport.

Celkové množstvo tepla \(Q\) uvoľneného počas úplného spaľovania \(m\) kg tuhého alebo kvapalného paliva sa vypočíta podľa vzorca:

Celkové množstvo tepla \(Q\) uvoľneného počas úplného spaľovania \(V\) m³ plynného paliva sa vypočíta podľa vzorca:

Vlhkosť (obsah vlhkosti) paliva znižuje jeho výhrevnosť, pretože sa zvyšuje spotreba tepla na odparovanie vlhkosti a zvyšuje sa objem splodín horenia (v dôsledku prítomnosti vodnej pary).
Obsah popola je množstvo popola, ktoré vzniká pri spaľovaní minerálnych látok obsiahnutých v palive. Minerálne látky obsiahnuté v palive znižujú jeho výhrevnosť, nakoľko sa znižuje obsah horľavých zložiek (hlavný dôvod) a zvyšuje sa spotreba tepla na ohrev a tavenie minerálnej hmoty.
Obsah síry (obsah síry) sa vzťahuje na negatívny palivový faktor, pretože pri spaľovaní vznikajú plyny oxidu siričitého, ktoré znečisťujú atmosféru a ničia kov. Okrem toho síra obsiahnutá v palive čiastočne prechádza do roztaveného kovu, zváranej sklenenej hmoty, čím sa znižuje ich kvalita. Napríklad na tavenie krištáľových, optických a iných skiel nemožno použiť palivo obsahujúce síru, pretože síra výrazne znižuje optické vlastnosti a farbu skla.

K látkam organického pôvodu sa vzťahuje na palivo, ktoré pri spaľovaní uvoľňuje určité množstvo tepelnej energie. Výroba tepla by sa mala vyznačovať vysokou účinnosťou a absenciou vedľajšie účinky najmä látky škodlivé pre ľudské zdravie a životné prostredie.

Pre ľahké nakladanie do pece je drevný materiál narezaný na jednotlivé prvky s dĺžkou až 30 cm, na zvýšenie účinnosti ich použitia by palivové drevo malo byť čo najsuchšie a proces spaľovania by mal byť relatívne pomalý. V mnohých ohľadoch je palivové drevo z takých tvrdých drevín, ako je dub a breza, lieska a jaseň, hloh, vhodné na vykurovanie. kvôli vysoký obsahživice, zvýšenej rýchlosti horenia a nízkej výhrevnosti sú v tomto smere ihličnaté stromy výrazne podradné.

Malo by byť zrejmé, že hustota dreva ovplyvňuje hodnotu výhrevnosti.

Je to prírodný materiál rastlinného pôvodu, extrahovaný zo sedimentárnych hornín.

Tento typ tuhého paliva obsahuje uhlík a iné chemické prvky. Existuje rozdelenie materiálu na typy v závislosti od jeho veku. Hnedé uhlie je považované za najmladšie, nasleduje čierne uhlie a antracit je najstarší zo všetkých ostatných druhov. Vek horľavej látky určuje aj jej vlhkosť, ktorá je viac prítomná v mladom materiáli.

Pri spaľovaní uhlia sa znečisťuje životné prostredie, na rošte kotla vzniká troska, ktorá do určitej miery bráni normálnemu spaľovaniu. Nepriaznivým faktorom pre atmosféru je aj prítomnosť síry v materiáli, pretože tento prvok sa vo vzdušnom priestore premieňa na kyselinu sírovú.

Spotrebitelia by sa však nemali báť o svoje zdravie. Výrobcovia tohto materiálu, ktorí sa starajú o súkromných zákazníkov, sa snažia znížiť obsah síry v ňom. Výhrevnosť uhlia sa môže líšiť aj v rámci toho istého druhu. Rozdiel závisí od charakteristík poddruhu a obsahu minerálov v ňom, ako aj od geografie výroby. Ako tuhé palivo sa nachádza nielen čisté uhlie, ale aj nízko obohatená uhoľná troska lisovaná do brikiet.

Pelety (palivové pelety) sú tuhé palivo vyrábané priemyselne z drevného a rastlinného odpadu: hoblín, kôry, lepenky, slamy.

Surovina rozdrvená na prach sa vysuší a nasype do granulátora, odkiaľ už vychádza vo forme granúl určitého tvaru. Na pridanie viskozity do hmoty sa používa rastlinný polymér, lignín. Zložitosť výrobného procesu a vysoký dopyt tvoria náklady na pelety. Materiál sa používa v špeciálne vybavených kotloch.

Druhy paliva sa určujú v závislosti od materiálu, z ktorého sú spracované:

• guľatina zo stromov akéhokoľvek druhu;
• Slamka;
• rašelina;
• slnečnicová šupka.

Medzi výhody, ktoré majú palivové pelety, stojí za zmienku tieto vlastnosti:

• šetrnosť k životnému prostrediu;
• neschopnosť deformácie a odolnosť voči hubám;
• jednoduché skladovanie aj vonku;
• rovnomernosť a trvanie horenia;
• relatívne nízke náklady;
• možnosť použitia pre rôzne vykurovacie zariadenia;
• vhodná veľkosť peliet pre automatické nakladanie do špeciálne vybaveného kotla.

Brikety

Brikety sa nazývajú tuhé palivo, v mnohých ohľadoch podobné peletám. Na ich výrobu sa používajú rovnaké materiály: drevná štiepka, hobliny, rašelina, plevy a slama. Počas výrobného procesu sa surovina drví a lisovaním formuje do brikiet. Tento materiál patrí aj medzi ekologické palivo. Je vhodné ho skladovať aj vonku. Hladké, rovnomerné a pomalé horenie tohto paliva je možné pozorovať ako v krboch a kachliach, tak aj vo vykurovacích kotloch.

Vyššie uvedené druhy ekologických tuhých palív sú dobrou alternatívou k výrobe tepla. V porovnaní s fosílnymi zdrojmi tepelnej energie, ktoré nepriaznivo ovplyvňujú spaľovanie tzv životné prostredie a okrem toho, že alternatívne palivá sú neobnoviteľné, majú jasné výhody a relatívne nízke náklady, čo je dôležité pre určité kategórie spotrebiteľov.

Zároveň je nebezpečenstvo požiaru takýchto palív oveľa vyššie. Preto je potrebné prijať určité opatrenia týkajúce sa ich skladovania a použitia materiálov na steny odolných voči ohňu.

Kvapalné a plynné palivá

Pokiaľ ide o kvapalné a plynné horľavé látky, situácia je nasledovná.