Фізика. Повторне видання. 8 клас. Сиротюк

§ 13. Згоряння палива

Основним джерелом енергії для забезпечення руху залізничних локомотивів, автомобілів і тракторів, літаків тощо є різні види палива. У промисловості, на транспорті та в побуті використовують такі види палива: вугілля, горючі сланці, нафту, бензин, дизельне паливо, природний газ тощо.

З’ясуємо, за яких умов відбувається повне згоряння палива і які його наслідки.

Дослід 1. Запалимо свічку. Вона буде горіти. Накриємо її скляною посудиною (мал. 86, а). Через певний час свічка згасне (мал. 86, б). Чому?

Мал. 86

Процес горіння відбувається за наявності повітря.

Дослід 2. Циліндр з поршнем з’єднуємо зі скляною кулею. На поршень ставимо гирю. Нагріваємо кулю, спалюючи сухе паливо. Повітря, яке нагрівається в кулі, розширюється і виштовхує поршень, піднімаючи гирю, тобто виконує роботу.

Під час спалювання палива виділяється енергія, за рахунок якої може виконуватися робота.

Вугілля, нафта, мазут, дерево містять вуглець (табл. 6). Під час горіння молекули Карбону сполучаються з молекулами Оксигену, який міститься в повітрі. Кожна молекула Карбону взаємодіє з двома молекулами Оксигену, утворюючи при цьому молекулу вуглекислого газу. Під час утворення цієї молекули виділяється енергія.

Під час повного згоряння 1 моля вуглецю утворюється вуглекислий газ і виділяється енергія:

С + О2 = СО2 + 402 кДж.

Горіння пов’язане з руйнуванням одних молекул і утворенням інших, наприклад, під час горіння метану утворюються вуглекислий газ і вода (мал. 87) з виділенням енергії:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О.

Мал. 87

Під час горіння зміна внутрішньої енергії речовини відбувається не шляхом теплообміну чи виконання роботи тілом або над тілом, а в результаті термохімічних реакцій за участю палива. При цьому енергія руху молекул продуктів згоряння, а отже і їхня температура, буде більшою, ніж у молекул палива.

Горіння палива — це процес сполучення молекул палива з молекулами Оксигену, який супроводжується виділенням певної кількості теплоти і утворенням нових речовин (табл. 6).

Таблиця 6

Основні характеристики певних видів палива

Назва палива

Дерево сухе

Кам’яне вугілля

Мазут

Склад палива

Органічні речовини (83 %), у тому числі:

Вуглець (50 %)

Кисень (43 %)

Водень (6 %)

Азот (1 %)

Мінеральні речовини (2 %)

Вода (15 %)

Вуглець (78 %)

Водень (5 %)

Кисень (6,4 %)

Азот (1,4 %)

Сірка (0,7 %)

Шлак (7,3 %)

Волога (1,2 %)

(Антрацит містить 95 % вуглецю)

Вуглець (82-86 %)

Водень (11-14 %)

Сірка (до 0,5 %)

Температура загоряння палива (за присутності повітря і під час контакту з полум’ям)

300 °С

600 °С

55 °С

Спалювання 1 кг палива потребує

3,5 м3 повітря

9 м3 повітря

11 м3 повітря

Після повного згоряння 1 кг палива виділяється

4 м3 суміші:

вуглекислого газу;

пари води;

азоту

9,5 м3 суміші:

вуглекислого газу;

пари води;

азоту;

двоокису сірки

11,5 м3 суміші:

вуглекислого газу;

пари води;

азоту;

двоокису сірки

Кількістю теплоти, яка виділяється під час повного згоряння 1 кг палива, можна нагріти до температури кипіння

40 л води

100 л води

125 л води

Дослід 3. Дві однакові склянки наповнимо водою однакової маси. Під однією склянкою запалимо одну таблетку сухого палива, а під другою - дві таблетки. Температуру води в склянках виміряємо за допомогою термометрів. Після повного згоряння сухого палива температура води у другій склянці виявиться вищою, ніж у першій.

Кількість теплоти, яка виділяється під час повного згоряння палива, залежить від маси палива.

Під час конструювання і виготовлення теплових двигунів завжди треба знати, яка кількість теплоти потрібна для роботи певного двигуна, а отже, враховувати вид палива. Для визначення потрібної кількості палива треба знати, яка кількість теплоти виділяється під час повного його згоряння. Щоб порівнювати, який вид палива під час його повного згоряння виділяє більше теплоти, ввели фізичну величину - питому теплоту згоряння палива.

Кількість теплоти, яка виділяється під час повного згоряння 1 кг палива, називають питомою теплотою згоряння палива.

Питому теплоту згоряння палива позначають малою латинською літерою q. Одиницею питомої теплоти згоряння палива в СІ є один джоуль на кілограм (1 Дж/кг). На практиці здебільшого застосовують кратну величину - один мегаджоуль на кілограм (1 МДж/кг).

1 МДж/кг = 1000 000 Дж/кг.

Питома теплота згоряння палива - це фізична величина, що є енергетичною характеристикою різних видів палива.

Її значення для поширених видів палива наведено в таблиці 7.

Таблиця 7

Питома теплота згоряння палива

Назва палива

Питома теплота згоряння палива q, МДж/кг

Назва палива

Питома теплота згоряння палива q, МДж/кг

Назва палива

Питома теплота згоряння палива q, МДж/кг

Деревне вугілля

34

Бензин

46

Водень

120

Гас

46

Метан

50

Антрацит

30

Нафта

44

Ацетилен

48,1

Кам’яне вугілля

27

Дизельне паливо

42,7

Природний газ

44

Буре вугілля

17

Мазут

41

Пропан

42,4

Ефір

34

Аміак

18,4

Торф

14

Спирт етиловий

27

Окис вуглецю

10,1

Тротил

15

Дрова сухі

11

Спирт

25

Дрова сирі

8

Спирт метиловий

19,5

Порох

3,8

Умовне паливо 30

Умовне паливо - узагальнена одиниця обліку органічного палива - нафти і її похідних, сланців і кам’яного вугілля, газу, торфу, що використовується для обчислення коефіцієнта корисної дії різних видів палива.

Зауважимо, що наведені у таблиці 7 дані відповідають кількості теплоти, що виділяється під час повного згоряння палива.

Щоб підрахувати, яка кількість теплоти виділиться під час повного згоряння 5 кг гасу, треба міркувати так. Під час згоряння 1 кг гасу виділяється 46 МДж теплоти. Коли згорить 5 кг гасу, кількість виділеної теплоти буде в 5 разів більша, а саме: 46 МДж • 5 = 230 МДж.

Щоб визначити кількість теплоти Q, яка виділяється внаслідок повного згоряння даної маси певного виду палива, треба питому теплоту згоряння цього виду палива q помножити на масу палива m: Q = qm.

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

Під час неповного згоряння вуглецю, що міститься в паливі, у печах або котлах, у двигунах внутрішнього згоряння виділяється оксид вуглецю (чадний газ): 2С + О2 = 2СО. Ця сполука - сильна отрута! Вона не має кольору, запаху (у чистому вигляді), трохи легша за повітря, погано розчиняється у воді, має дуже низьку температуру кипіння (-191,5 °С). Чадний газ краще, ніж кисень, сполучається з гемоглобіном крові. Виникає кисневе голодування, що супроводжується головним болем, непритомністю. Якщо в повітрі приміщення міститься 0,4 % чадного газу, то внаслідок сильного отруєння настає смерть. Щоб надати першу допомогу потерпілому, потрібно його винести на свіже повітря і зробити штучне дихання.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Що називають питомою теплотою згоряння палива?
  • 2. Які види палива мають найбільшу питому теплоту згоряння? Найменшу?
  • 3. Якими способами досягають повного згоряння палива?

РОЗВ’ЯЗУЄМО РАЗОМ

1. Кожне паливо за присутності повітря і в контакті з вогнем загоряється за певної температури: наприклад, мазут - за температури 55 °С; суха деревина - за температури 300 °С; кам’яне вугілля - за температури 600 °С. Чи можна розпалити котел, засипавши у нього кам’яне вугілля першим?

Відповідь: не можна, кам’яне вугілля не загориться, тому що в котлі не досягнуто відповідної температури.

2. Яку кількість води можна нагріти від 0 до 100 °С, спаливши 1 кг водню?

Відповідь: 285,7 кг.