Удельная теплота сгорания — формула, физический смысл и решение задач

Что такое удельная теплота сгорания?

Удельная теплота сгорания q — это физическая величина равная количеству тепла, выделяющегося при полном сгорания 1 кг топлива.

Формула удельной теплоты сгорания выглядит так:

$$q={Q over m}$$

где:

Q — количество тепла, выделившееся в процессе горения топлива, Дж;

m — масса топлива, кг.

Единицей измерения q в интернациональной системе единиц СИ является Дж/кг.

$$[q]={Дж over кг}$$

Для обозначения больших величин q часто используются внесистемные единицы энергии: килоджоули (кДж), мегаджоули (МДж) и гигаджоули (ГДж).

Значения q для разных веществ определяют экспериментально.

Зная q, можно вычислить количество тепла Q, которое получится в результате сжигания топлива массой m:

$$Q={q * m}$$

Низшая, высшая и удельная теплота сгорания

01 декабря 2010

5 мин

0

Низшая, высшая и удельная теплота сгорания

Теплота сгорания это количеством выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Различают высшую (QBp) и низшую (QHp) теплоту сгорания. Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания. Низшая теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании, без учёта теплоты конденсации водяного пара. Теплоту конденсации водяных паров также называют скрытой теплотой сгорания. Таким образом, низшая теплота сгорания — это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема (для газа) горючего вещества и охлаждении продуктов сгорания до температуры точки росы. В теплотехнических расчетах низшая теплота сгорания принимается как 100%. Скрытая теплота сгорания газа — это теплота, которая выделяется при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Теоретически она может достигать 11%. На практике, не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (QHp), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в топливе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Для твердого и жидкого топлива низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):

QHP = QBP — 2514•(9HP + WP/100) или QHP = QBP — 600•(9HP + WP/100) где: — 2514 — теплота парообразования при температуре 0°С и атмосферном давлении, кДж/кг; — HP и WP — содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %; 9 — коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды. Теплота сгорания является наиболее важной характеристикой топлива, так как определяет количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг). 1 ккал = 4,1868 или 4,19 кДж. Низшая теплота сгорания определяется экспериментально для каждого вещества и является справочной величиной. Также её можно определить для твердых и жидких материалов, при известном элементарном составе, расчетным способом в соответствии с формулой Д.И. Менделеева, кДж/кг или ккал/кг: QHP = 339 CP + 1256 HP — 109 (OP — SLP) — 25,14 (9HP + WP) или

QHP = 81 CP + 246 HP — 26 (OP — SLP) — 6 WP Удельная теплота сгорания — изменение энтальпии, которое сопровождает изотермически и изобарно протекающую реакцию сгорания единицы массы технологической среды с эквивалентным количеством кислорода. Ниже, в таблице, приведена для примера низшая теплота сгорания некоторых веществ.

Где можно найти значения q

Информацию о величинах удельной теплоты сгорания для конкретных видов топлива можно найти в технических справочниках или в их электронных версиях на интернет-ресурсах. Обычно они приводятся в виде такой таблицы:

Удельная теплота сгорания, q

Ресурсы разведанных, современных видов топлива ограничены. Поэтому в будущем на смену им придут другие источники энергии:

• атомные, использующие энергию ядерных реакций;
• солнечные, преобразовывающие энергию солнечных лучей в тепло и электричество;
• ветряные;
• геотермальные, использующие тепло природных горячих источников.

Табличные данные

На сегодняшний день измерены q всех известных веществ. В таблице приведены значения q для наиболее распространенных горючих материалов:

Реальное количество тепла, выделяемого в результате горения, может отличаться от табличных данных в зависимости от следующих факторов:

• влажность — наличие влаги в топливе понижает теплоту его сгорания, так как повышаются затраты энергии на испарение излишней воды;
• зольность — содержание в топливе минеральных примесей уменьшает процентное содержание горючих веществ в навеске;
• сернистость — при сжигании горючего материала, содержащего примеси соединений серы, образуется сернистый газ, который уменьшает концентрацию кислорода, необходимого для поддержания процесса сжигания.

Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива

Наибольшей энергоёмкостью из твёрдых видов топлива обладает каменный уголь — 27 МДж/кг (антрацит — 28 МДж/кг). Подобные показатели имеет древесный уголь (27 МДж/кг). Намного менее теплотворен бурый уголь — 13 Мдж/кг. Он к тому же содержит обычно много влаги (до 60 %), которая, испаряясь, снижает величину общей теплоты сгорания.

Торф сгорает с теплотой 14-17 Мдж/кг (зависит от его состояния — крошка, прессованый, брикет). Дрова, подсушенные до 20 % влажности, выделяют от 8 до 15 Мдж/кг. При этом количество энергии, получаемой от осины и от берёзы, может разниться практически вдвое. Примерно такие же показатели дают пеллеты из разных материалов — от 14 до 18 Мдж/кг.

Намного меньше, чем твёрдые, различаются величинами удельной теплоты сгорания жидкие виды топлива. Так, удельная теплота сгорания дизельного топлива — 43 МДж/л, бензина — 44 МДж/л, керосина — 43,5 МДж/л, мазута — 40,6 МДж/л.

Удельная теплота сгорания природного газа составляет 33,5 МДж/м³, пропана — 45 МДж/м³. Наиболее энергоёмким топливом из газообразных является газ водород (120 Мдж/м³). Он весьма перспективен для использования в качестве топлива, но на сегодняшний день пока не найдены оптимальные варианты его хранения и транспортировки.

Рекомендуем: Вспененный полиэтилен (пенополиэтилен)

Теплота сгорания

Теплоту сгорания, определяемая без учета потерь на испарение воды, которая содержится в топливе и продуктах сгорания, называют высшей теплотой Wв. Теплота сгорания с учётом потерь на испарение воды — называется низшей теплотой Wн.

При расчёте производительности современных котлов на газообразном топливе используется высшая удельная теплота сгорания топлива. Жидкотопливные и твердотопливные котлы рассчитываются по низшей удельной теплоте сгорания топлива.

Дело в том, что в связи с высокой температурой процесса горения топлива и сложностью регулировки тепловой реакции жидкотопливных и твердотопливных котлов используются процессы с естественной дымовой тягой. Для горения газового топлива применяются процессы с искусственной тягой.

При работе атмосферных котлов (то есть котлов с естественной тягой) принято выбрасывать в атмосферу дымовые газы вместе с парами воды при температуре выше 100°С. В таких случаях теплоту парообразования считают паразитной, так как она не используется в теплообменных процессах.

Именно поэтому для тепловых расчетов котлов, в которых не используется теплота конденсации пара, содержащегося в продуктах сгорания, учитывается только низшая теплота сгорания топлива.

Сравнение энергоемкости различных видов топлива

При сравнении энергетической ценности основных видов твёрдого, жидкого и газообразного топлива можно установить, что одному литру бензина или дизтоплива соответствует 1,3 м³ природного газа, одному килограмму каменного угля — 0,8 м³ газа, одному кг дров — 0,4 м³ газа.

Теплота сгорания топлива — это важнейший показатель эффективности, однако широта распространения его в сферах человеческой деятельности зависит от технических возможностей и экономических показателей использования.

Измерение количества теплоты горения

Чем выше удельная теплоемкость горючего материала, тем экономичнее его расход. Количество теплоты, которая образуется при горении топлива, можно вычислить следующими способами.

• Теоретический способ. Зная, что такое удельная теплота сгорания топлива и ее формулу, можно вывести формулу нахождения количества тепла. Итак, если q = Q/m, то Q = q * m.
• Практический способ. На практике количество теплоты, образующейся вследствие реакции горения, измеряется при помощи специальных сосудов — калориметров. Калориметр показывает количество энергии, которая выделяется в результате полного сжигания определенной навески вещества в контейнере, помещенном в воду. По разнице показания температур воды определяют количество выделившейся энергии.

Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)

В таблице представлены значения удельной теплоты сгорания сухого твердого топлива в размерности МДж/кг. Топливо в таблице расположено по названию в алфавитном порядке.

Наибольшей теплотворной способностью из рассмотренных твердых видов топлива обладает коксующийся уголь — его удельная теплота сгорания равна 36,3 МДж/кг (или в единицах СИ 36,3·106 Дж/кг). Кроме того высокая теплота сгорания свойственна каменному углю, антрациту, древесному углю и углю бурому.

К топливам с низкой энергоэффективностью можно отнести древесину, дрова, порох, фрезторф, горючие сланцы. Например, удельная теплота сгорания дров составляет 8,4…12,5, а пороха — всего 3,8 МДж/кг.

Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)ТопливоУдельная теплота сгорания, МДж/кг

06-й. Теплота сгорания топлива и КПД машин

• Главная
• Справочник
• Физика
• Введение в термодинамику
• Книги, лекции и конспекты по физике
• Физика 7 класс
• 06-й. Теплота сгорания топлива и КПД машин

§ 06-й. Теплота сгорания топлива и КПД машин

Как мы отметили в предыдущем параграфе, в XIX веке было построено огромное количество паровых машин: от небольших до огромных. Они потребляли невероятно большое количество топлива, как правило, угля. Его необходимо было добывать и транспортировать к месту потребления, что приводило к большим финансовым затратам. Возникал вопрос: каков КПД паровой машины и как его можно повысить?

Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании вещества,

зависит от его массы и
удельной теплоты сгорания
:

Формула для подсчета количества теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Удельная теплота сгорания

– физическая величина, показывающая количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг вещества.
Коэффициенты q
для различных горючих веществ (топлив) измерены экспериментально и занесены в таблицы.

Удельная теплота сгорания топлива показывает количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива.

Измерить, сколько механической работы совершила машина, несложно. Тогда КПД машины

можно вычислить по формуле:

Формула для подсчета коэффициента полезного действия тепловой машины.

Вычисления показывали, что КПД паровых машин в XIX веке был очень мал: около 1%. При этом ни у кого из физиков не было представления о том, каким может быть максимальный КПД и что могут сделать инженеры, чтобы его повысить.

В 1824 г. была опубликована работа французского инженера С.Карно «Размышления о движущей силе огня». Он рассмотрел идеальную тепловую машину (тепловой двигатель). Не углубляясь в подробности, назовём основные идеи Карно.

Во-первых, любой тепловой двигатель должен обязательно содержать нагреватель и охладитель.

Это необходимо, чтобы рабочее тело (газ или пар) могло попеременно увеличивать и уменьшать объём, двигая при этом поршень и совершая работу.

Во-вторых, чем выше температура нагревателя и ниже температура охладителя, тем выше будет КПД.

Для идеальной тепловой машины (теплового двигателя) Карно вывел формулу:

Формула для подсчета максимального коэффициента полезного действия идеальной тепловой машины.

В этой формуле T

нагр и
T
охл – так называемые
абсолютные температуры
по шкале Кельвина (см. § 6-а).

Поскольку для тепловых машин (двигателей) охладителем является атмосферный воздух или вода из открытых водоёмов, уменьшить их температуру невозможно. Следовательно, для увеличения КПД необходимо увеличивать температуру нагревателя,

точнее, температуру, до которой нагревается рабочее тело.

Экологические проблемы использования тепловых машин

. Мы живём в XXI веке, который невозможно представить без электростанций и автомобилей. Большая доля электростанций в мире – тепловые, то есть сжигающие топливо (уголь или газ). Автомобили, работающие на электричестве, – редкость, все остальные сжигают топливо (бензин). При этом есть два губительных для окружающей среды обстоятельства.

Во-первых, выхлопные газы загрязняют атмосферу, делают её непригодной для нормальной жизнедеятельности человека. Во-вторых, выделяющееся тепло изменяет климат Земли и наносит непоправимый вред природе. Поэтому задача человечества – переходить на более безопасные для окружающей среды двигатели.

Введение в термодинамикуФормулы Физика Теория 7 класс

Источник

Источник информации

Интересуетесь топовыми гаджетами и популярными технологическими новинками?