Как найти энергию выделяющуюся при сгорании топлива

Задачи на сгорание топлива с решениями

Формулы, используемые на уроках «Задачи на сгорание топлива».

1 кДж = 10³ Дж;    1 МДж = 10⁶ Дж;    1т= 1000 кг;    1г = 0,001 кг

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача № 1.
 Сколько энергии выделится при сгорании 30 кг каменного угля?

Задача № 2.
 Определите массу сгоревшего древесного угля, если при его сгорании выделилось 5,1 • 10⁸ Дж энергии.

Задача № 3.
 Какова удельная теплота сгорания торфа, если при сгорании 15 кг торфа выделяется 2,1 • 10⁸ Дж энергии?

Задача № 4.
 Сколько теплоты выделится при полном сгорании сухих березовых дров объемом 5 м³?

Задача № 5.
 Какое количество теплоты выделится при полном сгорании пороха массой 25 г; торфа массой 0,5 т; каменного угля массой 1,5 т?

Задача № 6.
 Сколько теплоты выделится при полном сгорании керосина объемом 0,25м³; спирта объемом 0,00005 м³; бензина объемом 25 л; нефти объемом 250 л?

Задача № 7.
 Смешали бензин объемом 1,5 л и спирт объемом 0,5 л. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании этого топлива?

Задача № 8.
 В топке котла парового двигателя сожгли торф массой 20 т. Какой массой каменного угля можно было бы заменить сгоревший торф? (Удельную теплоту сгорания торфа принять равной 1,5 • 10⁷ Дж/кг.)

Задача № 9.
 Сколько спирта надо сжечь, чтобы изменить температуру воды массой 2 кг от 14 до 50 °С, если вся теплота, выделенная при горении спирта, пойдет на нагревание воды? 

Задача № 10.
На сколько изменится температура воды, масса которой 22 кг, если ей передать всю энергию, выделившуюся при сгорании керосина, масса которого равна 10 г?

Задача № 11.
   ЕГЭ

На спиртовке нагрели воду массой m = 400 г. Температура её повысилась от t₁ = 16 °С до t₂ = 71 °С. При этом сожгли m_с = 10 г спирта. Найти коэффициент полезного действия (КПД) установки. Удельная теплота сгорания спирта q = 2,7 • 107 Дж/кг.

Краткая теория для решения Задачи на сгорание топлива.

Это конспект по теме «Задачи на сгорание топлива». Выберите дальнейшие действия:

• Перейти к теме: ЗАДАЧИ на плавление и отвердевание
• Посмотреть конспект по теме Тепловые машины. Удельная теплота сгорания топлива
• Вернуться к списку конспектов по Физике.
• Проверить свои знания по Физике.

Энергия, которую тело получает или отдает при теплопередаче, называется количеством теплоты. Мы проделали не один опыт, рассмотрели как при теплообмене одни тела отдают энергию, а другие получают. Во многих опытах мы использовали горелку, чтобы сообщить телу какое-то количество теплоты. А как рассчитать это количество теплоты?

С давних времен, чтобы получить энергию, люди используют топливо. Сейчас топливо является источником энергии в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и, конечно, в повседневном быту. Это нефть, природный газ, торф, уголь, дрова и др. 

В данном уроке мы рассмотрим, за счет чего выделяется энергия при сгорании топлива и как ее рассчитать. Также вы узнаете новое определение (удельная теплота сгорания) и научитесь им пользоваться.

Сгорание топлива и энергия

Для начала давайте вспомним строение молекулы воды (рисунок 1). Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода.

Между атомами действуют силы притяжения. Если мы захотим разделить атомы, составляющие молекулы, придется преодолеть эти силы. В таком случае будет совершена работа, и затрачена некоторая энергия. При соединение атомов, наоборот, энергия будет выделяться.

Выделение энергии при соединении атомов — явление, на котором основано использование топлива.

В любом топливе содержатся атомы углерода. В процессе горения они соединяются с двумя атомами кислорода (рисунок 2).

Удельная теплота сгорания 

При сгорании разных видов топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Для того чтобы характеризовать каждый вид топлива используют такую величину, как удельная теплота сгорания. При проектировании двигателей эта величина помогает рассчитать, какое количество теплоты может выделить сжигаемое топливо.

Удельная теплота сгорания топлива — это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой $1 space кг$.

• Обозначается буквой $q$
• Единица измерения — $1 frac{Дж}{кг}$

Величину удельной теплоты сгорания устанавливают на опыте. Мы будем использовать уже готовые результаты таких исследований, представленные в таблице 1.

Возьмем табличное значение удельной теплоты сгорания нефти — $4.4 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$. Эта величина говорит нам о том, что при полном сгорании нефти массой  $1 space кг$ выделяется $4.4 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$ энергии.

Формула для расчета количества теплоты, выделяемого при сгорании топлива

Для расчета полного количества теплоты, выделяемого при полном сгорании топлива некоторой массы, используют формулу:

$Q = qm$,

где $Q$ — выделяемое количество теплоты,

$q$ -удельная теплота сгорания топлива,

$m$ — масса сгораемого топлива.

Упражнения

$Q — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

$m — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Топливо широко используется в промышленности и в быту.
Энергию топлива мы используем на заводах, для транспорта, для топки и т.д.
Почти все слышали выражение «двигатель внутреннего сгорания». Действительно,
ведь топливо сгорает, вследствие чего выделяется энергия. Этому и будет
посвящен наш урок.

При горении топлива происходит выделение углекислого
газа, который состоит из двух атомов кислорода и одного атома углерода. Для
того чтобы эти три атома соединились в молекулу требуется совершить работу (как
и для любого другого действия). Поэтому, при сгорании топлива выделяется
энергия.

Подобно удельной теплоёмкости, экспериментальным путём
установлено количество выделяемой энергии 1 кг того или иного топлива при
сгорании. В таблице дана удельная теплота сгорания некоторых веществ.

Заметим, что единицей измерения является Дж/кг. Из
этого можно сделать вывод, что для расчета количества теплоты, выделяемого
при сгорании того или иного вида топлива, нужно удельную теплоту сгорания
умножить на массу сгоревшего топлива. Как брать данные из таблицы мы уже
научились, поэтому рассмотрим примеры расчетов.

Задача 1. Сколько
выделится энергии при сгорании 4 кг нефти?

Задача 2. Известно,
что при сгорании природного газа выделилось 88 МДж теплоты. Найдите объём
сгоревшего газа, если его плотность составляет 0,85 кг/м³.

Задача 3. Находясь
на пикнике, вы хотите нагреть два 2 л воды до 50 ℃.
Для этого вы используете железный котел массой 3 кг и 4,5 кг дров. Хватит ли этого
количества дров, если учесть 70% энергии от сгорания дров передалось окружающей
среде, а начальная температура воды и котла 20 ℃.

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно объединить
знания, полученные на прошлом уроке и на этом.

Приручив огонь, человек получил большое количество благ. Благодаря огню мы готовим пищу и обогреваем дома. Человеческая цивилизация начала развиваться — возникла металлургия и энергетика. Появились полезные инструменты, механизмы и изобретения.

Процесс горения топлива подарил нам возможность передвигаться на автомобилях и мотоциклах, летать на самолетах, запускать ракеты в космос и путешествовать по морю на кораблях.

До сих пор горение – это основной источник получения энергии во всем мире. В 2010 году сотрудники международного энергетического агентства IEA подсчитали, что 90 процентов всей энергии человечество получает, сжигая различное топливо.

Во время горения происходят химические превращения одних веществ в другие вещества. Такие превращения называют химическими реакциями.

Два вида химических реакций и энергия

Благодаря химическим реакциям в природе появилось множество различных веществ.

Примечание: Химики сложные вещества, состоящие из атомов различных хим. элементов, называют химическими соединениями.

Химические реакции – это процессы перегруппировки атомов:

• имеющиеся молекулы разъединяются на отдельные атомы;
• из этих атомов образуются новые молекулы.

При этом происходит поглощение, или выделение энергии.

Повышая температуру, мы ускоряем химические реакции

Скорость молекул зависит от температуры. Чем быстрее молекулы двигаются, тем чаще они будут сталкиваться. А когда количество столкновений увеличивается, то химические реакции протекают быстрее. Поэтому температура вещества влияет на химические реакции.

Во время протекания одних химических реакций тепловая энергия поглощается. Такие реакции называются эндотермическими (рис. 1).

Примерами эндотермических процессов могут служить процесс плавления или процесс парообразования.

А во время протекания других реакций, энергия, наоборот – выделяется. Такие химические реакции называют экзотермическими.

Среди экзотермических процессов можно отметить, например, конденсацию или кристаллизацию.

Примечание: Слова «эндотермический» и «экзотермический» пришли к нам из древнегреческого языка. По-гречески «Эндо» – внутри, «Экзо» – наружу, а «Термо» – тепло.

Что такое горение

В процессе горения температура резко повышается и выделяется большое количество тепловой энергии (теплоты). Поэтому, горение – это экзотермический процесс.

В топливе содержатся атомы химического элемента, который называется углеродом. При горении топлива каждый атом углерода объединяется в двумя атомами кислорода и выделяется энергия.

Когда горит какое-либо вещество, мы видим пламя (рис. 2).

Пламя – это поток раскаленных газов, часть пространства, в которой топливо и кислород превращаются в продукты сгорания.

Горение – процесс сложный, потому, что во время его протекания происходит цепочка химических превращений. В основном – это реакции окисления между сгорающим топливом и кислородом;

Примечание: В окружающем воздухе содержится кислород. Кислород – это сильный окислитель.

Что нужно, чтобы горение возникло

Только лишь наличия топлива и кислорода в окружающем воздухе недостаточно, чтобы это топливо загорелось. Мы должны сначала нагреть топливо до температуры, при которой произойдет его возгорание. Для предварительного нагрева мы используем источник зажигания. Например, спички, зажигалку и т. п.

Примечание: Чтобы горение возникло, нужно сначала нагреть топливо до температуры, при которой произойдет возгорание.

Например, самостоятельно может загореться бумага, наргетая до 233 градусов Цельсия или дерево, нагретое до 300 градусов Цельсия.

Поэтому, бездумно нагревать горючие вещества опасно. Так как нагретое горючее вещество способно самостоятельно загореться, иногда со взрывом.

Температура самовоспламенения некоторых веществ

• бумага: 233 (C);
• дерево: 300 (C);
• бензин: 250 — 300 (C);
• спирт этиловый: 400 (C);

Температура горения некоторых веществ

• сухие дрова: от 800 до 1000 (C);
• пламя спички: от 750 до 1400 (C);
• уголь в печи или котле: от 1000 до 2300 градусов Цельсия (зависит от подачи воздуха);
• бензин: 1300 — 1400 (C);

Температура частей пламени различается

Раскаленные до высокой температуры газы, выделяющиеся при сгорании топлива, светятся. Они образуют светлый ореол около горящего топлива. Этот ореол называют пламенем. Пламя можно условно разделить на слои. Температура таких слоев пламени различается. Чем ярче пламя, чем ближе его цвет к белому цвету, тем выше его температура.

Что такое удельная теплота сгорания

Мы уже знаем, что при горении выделяется теплота (тепловая энергия).

Количество теплоты, которое мы получим при сгорании, будет отличаться для разных видов топлива. Одно топливо будет выделять больше энергии, другое – меньше.

Чтобы сравнивать горючие вещества между собой, удобно сжигать 1 килограмм топлива и измерять выделяемое количество теплоты.

Примечание: Не путайте теплоту и температуру. Теплота – это тепловая энергия. Любую энергию измеряют в Джоулях. А температуру измеряют в градусах.

Тепловая энергия, которая выделяется при полном сгорании 1 кг топлива, называется удельной теплотой сгорания. Ее обозначают маленькой латинской буквой q.

(large q left( frac{text{Дж}}{text{кг}}right)) – удельная теплота сгорания.

Примечание: Удельная теплота сгорания —  это тепловая энергия, которая выделяется при полном сгорании 1 кг. топлива. Ранее мы уже сталкивались с удельными величинами (ссылка).

Удельную теплоту сгорания некоторых веществ можно найти в справочнике физики.

Как связаны количество теплоты и удельная теплота сгорания — формула

Мы можем посчитать количество теплоты, выделенной при сгорании, когда нам известны:

• удельная теплота сгорания топлива и
• количество килограммов вещества.

Для расчетов используем формулу:

[large boxed{ Q = q cdot m }]

(large Q left( text{Дж} right) ) – количество теплоты, т. е. общая тепловая энергия;

(large q left( frac{text{Дж}}{text{кг}} right) ) – удельная теплота сгорания;

(large m left( text{кг} right) ) – масса вещества;

Примечание: Если умножить удельную теплоту сгорания (large q ) на количество килограммов m сгоревшего вещества, то можно вычислить общее количество теплоты (large Q ), выделившейся при сгорании топлива.

Недостатки использования горения

На нашей планете из-за широкого использования горения возникают негативные последствия:

• истощаются полезные ископаемые – нефть, уголь, горючие сланцы, газ,
• загрязняется окружающая среда — большинство продуктов горения токсичны,
• ухудшается экология,
• проявляется глобальное потепление.

Из-за глобального потепления температура на планете поднялась на несколько градусов, начали таять многовековые льды на северном и южном полюсах, изменяется климат.

Выводы

1. Повышая температуру, мы ускоряем химические реакции.
2. Чтобы процесс горения начался, мы предварительно нагреваем топливо источником зажигания. Как только топливо достигнет критической температуры, оно загорится.
3. Горение – это экзотермический процесс, потому, что во время горения выделяется большое количество тепловой энергии.
4. Пламя – это поток раскаленных газов. Температура слоев пламени различается. Чем ярче пламя, чем ближе его цвет к белому цвету, тем выше его температура.
5. Одни виды топлива при горении выделяют больше теплоты, другие — меньше. Чтобы сравнить горючие вещества между собой, нужно сжечь по-отдельности 1 килограмм каждого топлива и измерить количества выделенной ими теплоты.
6. Удельная теплота сгорания —  это теплота, выделяемая при полном сгорании 1 кг топлива.
7. Зная удельную теплоту сгорания топлива и количество килограммов сгоревшего вещества, можно посчитать количество теплоты, выделенной при сгорании. Для этого нужно умножить удельную теплоту сгорания q на количество килограммов m сгоревшего вещества.
8. Что происходит во время горения:

• высокая температура действует на горючие вещества (топливо);
• эти вещества взаимодействуют с кислородом и превращаются в продукты горения;
• выделяется большое количество тепловой энергии,
• резко повышается температура,
• возникает пламя и излучается свет.

Wiki-учебник

Поиск по сайту

Реклама от партнёров: