Фізика. Повторне видання. 8 клас. Барʼяхтар (2025)
§ 23. Питома теплота згоряння палива. Коефіцієнт корисної дії нагрівника
ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ. Розгляньте зображення, які подано на заставці до параграфа. Чому, на вашу думку, для сучасної цивілізації паливо є необхідною умовою існування? На які види енергії перетворюється в поданих прикладах енергія, що «схована» в паливі? А чи знаєте ви, як називають цю енергію? Наведіть власні приклади застосування палива.
1. Які існують види палива?
Для збільшення температури люди здавна використовували енергію, що виділяється під час хімічної реакції горіння палива (див., наприклад, рис. 23.1).
Рис. 23.1. Реакція взаємодії метану (основного складника природного газу) та кисню супроводжується виділенням теплоти:
СН4 + 2О2 → 2Н2О + СО2 + Q
Паливом можуть бути як природні речовини (кам’яне вугілля, нафта, торф, дрова, природний газ) (рис. 23.2), так і штучні (гас, бензин, порох, деревне вугілля, етиловий спирт тощо) (рис. 23.3). Як бачимо, паливо буває твердим (кам’яне вугілля, торф, дрова, сухе пальне), рідким (нафта, гас, бензин, дизельне паливо) і газоподібним (природний газ, пропан, бутан).
Рис. 23.2. Дрова — поширене тверде природне паливо
Рис. 23.3. Гас, бензин, дизельне паливо — рідке паливо, одержане людиною
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
Незважаючи на різноманітні галузі використання палива, насамперед енергія палива витрачається на генерацію електричної енергії. Понад 66 % усієї електроенергії у світі виробляється на теплових електростанціях, де паливо виділяє енергію в ході хімічної реакції горіння.
Але існує ще ядерне паливо, під час «згоряння» якого енергія виділяється в ході поділу атомних ядер (зазвичай урану та плутонію). Завдяки використанню ядерної енергії генерується понад 10 % електрики.
2. Як дізнатися про теплотворну здатність 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, попередньо вимірявши температуру води. Після того як зрівноважимо терези, покладемо на ліву шальку важок масою 1 г. Рівновага терезів порушиться (рис. 23.4, 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. 23.4, б). У цей момент погасимо спиртівку і знову виміряємо температуру води.
Рис. 23.4. Дослід, за допомогою якого демонструють якісну відмінність різних видів палива
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 — питому теплоту згоряння палива.
Питома теплота згоряння палива — це фізична величина, яка характеризує теплотворну здатність палива і чисельно дорівнює кількості теплоти, що виділяється під час повного згоряння 1 кг цього палива.
Питому теплоту згоряння палива позначають символом q, визначають у лабораторних умовах і заносять до таблиць (див. табл. 6 Додатка 1).
Одиниця питомої теплоти згоряння палива в СІ — джоуль на кілограм:
Q = qm
Питома теплота згоряння палива
q — питома теплота згоряння палива, Дж/кг
Q — кількість теплоти, що виділяється під час повного згоряння палива, Дж
m — маса палива, кг
• У табл. 6 Додатка 1 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?
3. Як визначити коефіцієнт корисної дії (ККД) нагрівника?
Для спалювання палива використовують різні нагрівники: печі, каміни, газові котли, пальники, спиртівки та інше (рис. 23.5).
Рис. 23.5. Різноманітні нагрівальні пристрої: примус (а); газова плита (б); паяльна лампа (в); газовий котел (г)
Конструкція нагрівника залежить від виду палива та 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 треба обрати спиртівку. Проте навіть за допомогою найсучасніших нагрівників неможливо повністю використати всю енергію, що «накопичена» в паливі. По-перше, жодне паливо не може згоріти повністю. По-друге, якась частина енергії витрачається марно (наприклад, відлітає з продуктами згоряння, іде на нагрівання навколишнього середовища).
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.
Зазвичай ККД подають у відсотках:
ККД нагрівника
η — коефіцієнт корисної дії нагрівника, Дж/кг
Qкop — корисно спожита теплота
Qповна — теплота, яка може бути виділена в процесі повного згоряння палива
4. Учимося розв’язувати задачі
Задача. Туристи й туристки, перепочиваючи біля струмка, вирішили приготувати чай. Яку мінімальну кількість сухих дров треба заготовити, щоб закип’ятити 10 кг води? Вода одержує 15 % енергії, що виділяється під час повного згоряння дров. Температура води в струмку 15 °С.
А ЯК НАСПРАВДІ?
Багато людей вважають, що в приватному будинку обов'язково має бути камін. Ось які аргументи вони наводять:
• Камін у будинку створює особливу атмосферу.
• Камін швидко нагріває приміщення й довго тримає тепло.
• Камін є безпечнішим, ніж піч.
• Біля каміна можна швидко висушити мокрі речі, якщо ви потрапили під дощ.
• На жаль, не можна розпалювати дрова в каміні гасом або бензином, але біля каміна можна складати дрова, які будуть сухими й легко розпалюватимуться.
Чи згодні ви із цими аргументами? Якщо ні, то чому?
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
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. Дайте означення питомої теплоти згоряння палива. У яких одиницях її вимірюють? 4. Як обчислити кількість теплоти, що виділяється в процесі повного згоряння палива? 5. Як визначити ККД нагрівника?
ВПРАВА № 23
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 газу?
6. Чому під час спалювання сирих дров виділяється менша кількість теплоти, ніж під час спалювання тієї самої маси сухих дров?
7. Уявіть, що вам потрібно визначити ККД нагрівника із сухим пальним. Яке обладнання вам для цього знадобиться? Запишіть план проведення експерименту. За можливості проведіть цей експеримент.
Ключові терміни
Паливо • Хімічна реакція горіння палива • Питома теплота згоряння палива • Коефіцієнт корисної дії нагрівника (ККД)
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 10 факультетів, де навчаються тисячі студентів. 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.
