Фізика. 8 клас. Головко

§ 14. Розрахунок кількості теплоти, що виділяється внаслідок згоряння палива

• Згоряння палива. Питома теплота згоряння палива
• 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).

Таблиця 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:

Q = qm.

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 м³ 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.