Природознавство. 11 клас. Ільченко

§ 11. Основні види палива та їх значення в енергетиці

Вивчивши параграф, ви дізнаєтеся про найважливіші види палива та їх використання у виробництва побуті, актуалізуєте знання про необхідність раціонального використання природних джерел енергії.

Паливо та його види. Паливо поряд із атомною та електроенергією є основою сучасної енергетики. Паливом називають горючі речовини, які використовуються для добування тепла, що виділяється при спалюванні. Горючих речовин відомо дуже багато — деревина, нафта, вугілля, сірка, папір тощо. Проте не всяка речовина, що здатна горіти, може бути паливом і використовуватись для промислових і побутових потреб. Сірка, наприклад, горюча речовина, але як паливо вона не придатна, тому що в природі сірки мало, при згоранні вона дає мало тепла, а продукт згорання — сульфур (IV) оксид SO₂ — отруює повітря.

Як паливо використовуються тільки такі горючі речовини, які є у великій кількості в природі в готовому вигляді або виробляються з дешевої природної сировини і дають при згоранні багато тепла, не утворюючи при цьому великої кількості отруйних газів.

Паливо може бути твердим, рідким і газоподібним. До твердого палива належать кам’яне вугілля (мал. 3.13), горючі сланці, торф, деревина. Щоправда, сьогодні деревину як паливо у промисловості практично не застосовують; її широко використовують як будівельний матеріал і як сировину для хімічної переробки. До рідких видів палива належать бензин, гас, мазут, а також горючі рідини, що добувають із кам’яного вугілля. Рідке паливо необхідне для двигунів внутрішнього згорання та реактивних двигунів.

Мал. 3.13. Антрацит — різновид кам'яного вугілля

Найважливіший представник газоподібного палива — природний газ. Це найвигідніше та найекономніше паливо. Газ легко транспортувати (мал. 3.14), при його згоранні не залишається ніякого твердого залишку, бо в ньому немає домішок негорючих мінеральних речовин.

Мал. 3.14. Газопровід

Теплотворна здатність палива. За енергоємністю різні види палива нерівноцінні: однакові кількості палива при згоранні виділяють різні кількості теплоти. Тому для оцінки якості палива визначають його теплотворну здатність — кількість теплоти, яка виділяється при повному згоранні 1 кг палива (табл. 5).

Таблиця 5

Теплотворна здатність основних видів палива (кДж/кг)

Деревина	19000	Кам’яне вугілля	35000
Торф	23000	Нафта	45000
Буре вугілля	28000	Природний газ	50000

Основні енергоносії нашого часу — нафта, природний газ та кам’яне вугілля. Їхня частка становить понад 90 % загальної кількості виробленої енергії (мал. 3.15).

Мал. 3.15. Діаграма використання найважливіших джерел енергії

Найвищу теплотворну здатність із основних видів палива має природний газ, основною складовою якого є метан:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О; ΔН = -882 кДж.

Це зумовлене тим, що при його згоранні не витрачається енергія на розривання зв’язків між атомами Карбону, як це відбувається при згоранні твердого палива чи важких вуглеводнів нафти. Крім того, газ повністю змішується з киснем повітря, тому при його спалюванні потрібен незначний надлишок кисню. Це знижує втрати теплоти на нагрівання надлишку повітря.

Раціональне використання палива. Людська цивілізація обрала технологічний шлях розвитку, тому потребує величезної кількості енергії, зокрема палива. З кожним роком ці потреби зростають; забезпеченість енергією є неодмінною умовою соціально-економічного розвитку будь-якої країни.

Останнім часом енергетична проблема загострилися у більшості країн світу. Насамперед, це пов’язано з тим, що традиційні природні джерела енергії — вугілля, нафта, природний газ, сланці — належать до непоновлюваних, і їх запаси в надрах Землі стрімко зменшуються. За підрахунками вчених, запаси нафти і газу вичерпаються уже за 30-50 років, вугілля вистачить не більше, ніж на 100-200 років. Тому перед суспільством постає завдання, з одного боку, пошуку нових, як правило, поновлюваних джерел енергії, а з іншого — раціонального використання наявних джерел енергії.

Чим більше тепла, що виділяється при згоранні, можна використати для техніки і побуту, чим менші його втрати, тим економічніша витрата горючих матеріалів. При спалюванні палива намагаються, насамперед, досягти повного його згорання. Основна умова цього — добре перемішування частинок палива з повітрям. Тому перед спалюванням твердого палива його подрібнюють.

Добре перемішування з повітрям потрібне і для рідкого палива. На виробництві рідке паливо розпилюють за допомогою форсунок. Такими форсунками користуються, наприклад, для одержання високої температури в сталеплавильних печах. Достатньо повне використання рідкого палива досягається у двигунах внутрішнього згорання. Бензин або інше рідке пальне розпилюється там за допомогою карбюратора або інжектора, в циліндри двигуна надходить уже готова суміш розпиленого палива з повітрям. Найкраще перемішується з повітрям газоподібне паливо, і при його спалюванні досягається найбільша повнота згорання.

Серед можливих шляхів розв’язання паливної проблеми заслуговує на увагу газифікація вугілля, тобто добування з вугілля газоподібного палива, яке може використовуватись і як сировина для хімічних синтезів. Перспективним видається також використання водню як палива. Суттєвою перевагою водню є те, що він належить до екологічно чистих видів палива — при його спалюванні утворюється лише пара води.

При використанні того чи іншого виду палива завжди слід враховувати вплив продуктів його згорання на навколишнє середовище. На жаль, серед продуктів згорання міститься багато шкідливих для довкілля речовин — чадний газ, аміак, сірководень, різні оксиди Нітрогену і Сульфуру тощо. Тепер на підприємствах хімічної промисловості, паливної галузі використовують фільтри, пилогазовловлювачі, які значно зменшують попадання шкідливих речовин в атмосферу.

Лабораторний дослід 3. Ознайомлення зі зразками продуктів коксування вугілля та різних видів палива

Розгляньте видану вам колекцію зразків продуктів коксування кам’яного вугілля, видів палива. Дослідіть фізичні властивості, встановивши їх зв’язок із хімічним складом та галузями застосування. Дані внесіть у таблицю 6.

Таблиця 6

Загальна характеристика різних видів палива

№ п/п	Види палива	Фізичні властивості			агрегатний стан	Використання	Висновки
		інтервал температур кипіння	колір	запах

У висновках зазначте зв’язки між складом, фізичними характеристиками і галузями застосування продуктів коксування та доцільність використання того чи іншого продукту як палива.

Для добування тепла як джерела енергії спалюють величезні кількості палива. Основними видами палива на сьогодні є нафта, природний газ та кам’яне вугілля. При використанні цих та пошуку нових джерел енергії слід враховувати їх вплив на довкілля.

Запиши до словника

Паливо — горючі речовини, які доцільно використовувати для добування тепла, що виділяється при спалюванні.

Теплотворна здатність — кількість теплоти, яка виділяється при згоранні палива масою 1 кг.

Перевір себе

• 1. Назви основні види твердого, рідкого і газоподібного палива і дай їх коротку характеристику. Чому не кожна горюча речовина може бути паливом?
• 2. Вкажи основні умови раціонального спалювання палива.
• 3. Чому при спалюванні газоподібного палива краще забезпечується повнота згорання, ніж при спалюванні твердого?

Поміркуй

1. Порівняй різні види палива за їх теплотворною здатністю. Використання яких видів палива є найраціональнішим?

2. Назви основні продукти, що утворюються при згоранні твердого, рідкого та газоподібного палива. Напиши рівняння відповідних реакцій.

3.* Розрахуй, який об’єм кисню потрібний для спалювання метану об’ємом 1 м³. Яка маса вуглекислого газу утворилась при цьому?

4.* Користуючись таблицею теплотворної здатності палива, визнач, скільки деревини, бурого і кам’яного вугілля потрібно було б для заміни 1 т нафти.

5.* Визнач кількість теплоти, що виділиться при спалюванні 1 кг: а) вуглецю (коксу); б) метану; в) ацетилену, якщо термохімічні рівняння реакцій такі:

С + О₂ = СО₂; ΔН = -393 кДж

С₂Н₂ + 5/2О₂ = 2СО₂ + Н₂О; ΔН = -1305 кДж

(термохімічне рівняння горіння метану знайди в тексті параграфа).

Порівняй теплотворну здатність речовин. Використання якої з них для опалення буде найекономнішим?

6.* У кам’яному вугіллі міститься 0,01% домішки сірки. Яка маса сульфур (IV) оксиду утвориться при спалюванні вугілля масою 5 т?

Подискутуйте

1. Часто кажуть, що нафта і кам’яне вугілля — це речовини, у хімічних зв’язках яких «законсервована» енергія Сонця. При спалюванні цих речовин зв’язки між атомами Карбону розриваються і енергія вивільняється у вигляді тепла. Але ж це неможливо, кажуть інші, адже при розриванні зв’язків енергія поглинається, а не виділяється. Хто, на ваш погляд, має рацію в цій суперечці? За рахунок чого при згоранні палива виділяється тепло?

2. Які види палива ви вважаєте найперспективнішими? Чому?