Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар
§ 15. Теплота згоряння палива. Коефіцієнт корисної дії нагрівника
Візьміть коробку із сірниками, витягніть один сірник. Перед вами — два холодних твердих тіла. Але якщо потерти головку сірника об коробку, сірник спалахне. Звідки береться ця енергія? Завдяки виконаній роботі? Але ж якщо навіть довго і з зусиллями терти сірник другим кінцем, стільки тепла не виділиться. Відповіді на зазначені питання ви знайдете в цьому параграфі.
1. Знайомимося з різними видами палива
Ми часто маємо потребу збільшити температуру якогось тіла. Так, щоб у кімнаті було тепліше, слід збільшити температуру води в батареях опалення, щоб приготувати їжу — температуру повітря в духовці. Для збільшення температури люди здавна використовували енергію, що виділяється під час хімічної реакції горіння палива* (див. наприклад, рис. 15.1).
Паливом можуть слугувати як природні речовини (кам’яне вугілля, нафта, торф, дрова, природний газ) (рис. 15.2), так і спеціально одержані людиною (гас, бензин, порох, деревне вугілля, етиловий спирт тощо) (рис. 15.3). Як бачимо, паливо буває твердим (кам’яне вугілля, торф, дрова, сухе пальне), рідким (нафта, гас, бензин, дизельне паливо) і газоподібним (природний газ, пропан, бутан).
Для сучасної цивілізації паливо — необхідна умова існування (рис. 15.4). Під час роботи транспорту, різних механізмів у промисловості й сільському господарстві, обігрівання житла та готування їжі хімічна енергія, «запасена» в паливі, перетворюється на інші види енергії.
Рис. 15.1. Реакція взаємодії метану (основного складника природного газу) та кисню супроводжується виділенням теплоти:
СН4 + 2О2 → 2Н2О + СО2 + Q
Рис. 15.2. Дрова — поширене тверде природне паливо
Рис. 15.3. Гас, бензин, дизельне паливо — рідке паливо, одержане людиною
2. Вводимо поняття питомої теплоти згоряння палива
Види палива різняться теплотворною здатністю. Переконаємось у цьому за допомогою простого досліду.
Поставимо на ліву шальку терезів спиртівку, наповнену спиртом. Над спиртівкою підвісимо металеву банку з водою, перед тим вимірявши температуру води. Після того як зрівноважимо терези, покладемо на ліву шальку важок масою 1 г. Рівновага терезів порушиться (рис. 15.5, а). Запалимо спиртівку. У міру згоряння спирту маса спиртівки зі спиртом зменшуватиметься, і через якийсь час рівновага терезів відновиться (це буде означати, що згорів 1 г спирту) (рис. 15.5, б). У цей момент погасимо спиртівку і знову виміряємо температуру води.
* Зазначимо, що під час використання ядерного палива енергія виділяється в ході ядерних реакцій (докладніше про це йтиметься в старших класах).
Рис. 15.4. Для сучасної цивілізації паливо є необхідною умовою існування
Повторимо дослід, узявши спиртівку, наповнену гасом, і переконаємося, що в цьому випадку вода нагріється більше. Це означає, що під час згоряння 1 г гасу виділилося більше енергії, ніж під час згоряння 1 г спирту.
Для кількісної характеристики теплотворної здатності палива застосовують фізичну величину, яку називають питома теплота згоряння палива.
Питома теплота згоряння палива — це фізична величина, яка характеризує певне паливо і чисельно дорівнює кількості теплоти, що виділяється під час повного згоряння 1 кг цього палива.
Рис. 15.5. Дослід, за допомогою якого демонструють якісну відмінність різних видів палива
Питому теплоту згоряння палива позначають символом q та обчислюють за формулою:
де Q — кількість теплоти, що виділяється в ході повного згоряння палива масою m.
Із формули для означення питомої теплоти згоряння палива дістанемо одиницю цієї величини в СІ — джоуль на кілограм:
Питому теплоту згоряння різних видів палива визначають у лабораторних умовах і заносять до таблиць (див. табл. 6 Додатка).
У табл. 6 Додатка бачимо, що, наприклад, питома теплота згоряння торфу становить 15 МДж/кг. Що це означає? Яка кількість теплоти виділиться під час повного згоряння 2 кг торфу?
Знаючи питому теплоту згоряння q й масу m палива, обчислимо кількість теплоти Q, яка виділиться в ході повного згоряння цього палива: оскільки
3. Обчислюємо коефіцієнт корисної дії (ККД) нагрівника
Для спалювання палива використовують різні нагрівники: печі та каміни, газові котли, пальники й спиртівки, примуси, паяльні лампи та інше (рис. 15.6).
Конструкція нагрівника залежить від виду палива, яке в ньому згоряє, і від того, для чого використовують теплоту. Наприклад, якщо потрібно опалювати помешкання, а паливом є газ, то доцільно придбати газовий котел; для фізичних дослідів, під час яких паливом буде спирт, як нагрівник слід обрати спиртівку. Проте навіть за допомогою найсучасніших нагрівників неможливо повністю використати всю енергію, що «накопичена» в паливі. По-перше, жодне паливо не може в реальних умовах згоріти повністю. По-друге, якась частина енергії витрачається марно (наприклад, відлітає з продуктами згоряння, іде на нагрівання навколишнього середовища).
Рис. 15.6. Різноманітні нагрівальні пристрої: примус (а); газова плита (б); паяльна лампа (в); газовий котел (г)
Коефіцієнт корисної дії нагрівника — це фізична величина, яка характеризує ефективність нагрівника й дорівнює відношенню корисно спожитої теплоти до всієї теплоти, яка може бути виділена під час повного згоряння палива.
ККД нагрівника обчислюють за формулою:
де η — коефіцієнт корисної дії нагрівника; Qкop — корисно спожита теплота; Qповна — теплота, яка може бути виділена в процесі повного згоряння даного палива.
Зазвичай ККД подають у відсотках:
4. Учимося розв’язувати задачі
Задача. Туристи зупинилися на перепочинок біля струмка й вирішили приготувати чай. Яку мінімальну кількість сухих дров слід заготовити туристам, щоб закип’ятити 10 кг води? Вода одержує 15 % енергії, що виділяється під час повного згоряння дров. Температура води в струмку 15 °С.
Підбиваємо підсумки
Хімічна реакція горіння палива відбувається з виділенням теплоти.
Кількість теплоти, яка виділяється під час повного згоряння палива, обчислюють за формулою Q = qm, де q — питома теплота згоряння палива; m — маса палива.
Контрольні запитання
1. Які види палива ви знаєте? 2. Опишіть дослід на підтвердження того, що під час горіння різних видів палива виділяється різна кількість теплоти. 3. Яким є фізичний зміст питомої теплоти згоряння палива? У яких одиницях її вимірюють? 4. Як обчислити кількість теплоти, що виділяється в процесі повного згоряння палива? 5. Дайте означення ККД нагрівника.
Вправа № 15
1. Питома теплота згоряння пороху набагато менша від питомої теплоти згоряння дров. Чому ж тоді сірник, який горить у вашій руці, є досить безпечним, а коли спалахує та сама маса пороху, то можна серйозно постраждати?
2. Яка кількість теплоти виділиться під час повного згоряння кам’яного вугілля масою 10 кг?
3. У процесі повного згоряння гасу виділилося 92 кДж теплоти. Якою була маса гасу?
4. На спиртівці нагріли 300 г води від 15 до 75 °С. Визначте ККД нагрівника, якщо на нагрівання витрачено 8 г спирту.
5. Чайник, що стоїть на газовому пальнику, містить 2 л води за температури 20 °С. Для нагрівання води витратили 42 г природного газу. До якої температури нагрілася вода, якщо вона одержала 40 % тепла, яке може виділитися під час повного згоряння цього газу.
6. Спробуйте пояснити, чому під час спалювання сирих дров виділяється менша кількість теплоти, ніж під час спалювання тієї самої маси сухих дров.
7. Установіть відповідність між фізичною величиною та виразом для її визначення.
- 1 Механічна робота
- 2 Шлях
- 3 Потужність
- 4 Потенціальна енергія піднятого тіла
- А pV
- Б Fl
- В vt
- Г A/t
- Д mgh
Експериментальне завдання
Запишіть план проведення експерименту з визначення ККД нагрівника із сухим пальним. Які прилади та матеріали для цього потрібні? Якщо можливо, проведіть експеримент.
Фізика і техніка в Україні
Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича був заснований у 1875 р. указом імператора Австро-Угорщини Франца Йосифа. Тоді в університеті були лише теологічний, філософський та юридичний факультети. Сьогодні в університеті функціонують 2 інститути, 11 факультетів, 82 кафедри, де навчається майже 15 тисяч студентів. Навчально-наукову роботу забезпечують понад 160 докторів наук (із них 108 професорів), близько 700 кандидатів наук. Серед основних напрямів досліджень, пов’язаних із фізикою, можна назвати теоретичні та прикладні дослідження напівпровідникового матеріалознавства; розроблення нових технологій, матеріалів, приладів для опто-, радіо- та мікроелектроніки, напівпровідникового приладобудування; кореляційну оптику та голографію; IT-технології, зокрема кібербезпеку.