Удельная теплота сгорания некоторых веществ. Определение удельной теплоты сгорания керосина, сравнение с нефтью

5.ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ГОРЕНИЯ

Рассмотрим методы расчета теплового баланса процесса горения газообразных, жидких и твердых топлив. Расчет сводится к решению следующих задач.

· Определение теплоты горения (теплотворной способности) топлива.

· Определение теоретической температуры горения.

5.1. ТЕПЛОТА ГОРЕНИЯ

Химические реакции сопровождаются выделением или поглощением теплоты. При выделении теплоты реакция называется экзотермической, а при поглощении – эндотермической. Все реакции горения являются экзотермическими, а продукты горения относятся к экзотермическим соединениям.

Выделяемая (или поглощаемая) при протекании химической реакции теплота называется теплотой реакции. В экзотермических реакциях она положительна, в эндотермических – отрицательна. Реакция горения всегда сопровождается выделением теплоты. Теплотой горения Q г (Дж/моль) называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании одного моля вещества и превращении горючего вещества в продукты полного горения. Моль является основной единицей количества вещества в системе СИ. Один моль – это такое количество вещества, в котором находится столько же частиц (атомов, молекул и т.д.), сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода–12. Масса количества вещества, равного 1 молю (молекулярная или молярная масса) численно совпадает с относительной молекулярной массой данного вещества.

Например, относительная молекулярная масса кислорода (O 2) равна 32, углекислого газа (CO 2) равна 44, а соответствующие молекулярные массы будут равны M =32 г/моль и M =44 г/моль. Таким образом, в одном моле кислорода содержится 32 грамма этого вещества, а в одном моле CO 2 содержится 44 грамма углекислого газа.

В технических расчетах чаще используется не теплота горения Q г , а теплотворная способность топлива Q (Дж/кг или Дж/м 3). Теплотворной способностью вещества называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 м 3 вещества. Для жидких и твердых веществ расчет проводится на 1 кг, а для газообразных – на 1 м 3 .

Знание теплоты горения и теплотворной способности топлива необходимо для расчета температуры горения или взрыва, давления при взрыве, скорости распространения пламени и других характеристик. Теплотворная способность топлива определяется либо экспериментальным, либо расчетным способами. При экспериментальном определении теплотворной способности заданная масса твердого или жидкого топлива сжигается в калориметрической бомбе, а в случае газообразного топлива – в газовом калориметре. С помощью этих приборов измеряется суммарная теплота Q 0 , выделяющаяся при сгорании навески топлива массой m . Величина теплотворной способности Q г находится по формуле

Связь между теплотой горения и
теплотворной способностью топлива

Для установления связи между теплотой горения и теплотворной способностью вещества необходимо записать уравнение химической реакции горения.

Продуктом полного горения углерода является диоксид углерода:

С+О 2 →СО 2 .

Продуктом полного горения водорода является вода:

2Н 2 +О 2 →2Н 2 О.

Продуктом полного горения серы является диоксид серы:

S +О 2 →SO 2 .

При этом выделяются в свободном виде азот, галоиды и другие негорючие элементы.

Горючее вещество – газ

В качестве примера проведем расчет теплотворной способности метана CH 4 , для которого теплота горения равна Q г =882.6 .

· Определим молекулярную массу метана в соответствии с его химической формулой (СН 4):

М=1∙12+4∙1=16 г/моль.

· Определим теплотворную способность 1 кг метана:

· Найдем объем 1 кг метана, зная его плотность ρ=0.717 кг/м 3 при нормальных условиях:

.

· Определим теплотворную способность 1 м 3 метана:

Аналогично определяется теплотворная способность любых горючих газов. Для многих распространенных веществ значения теплоты горения и теплотворной способности были измерены с высокой точностью и приведены в соответствующей справочной литературе. Приведем таблицу значений теплотворной способности некоторых газообразных веществ (табл. 5.1). Величина Q в этой таблице приведена в МДж/м 3 и в ккал/м 3 , поскольку часто в качестве единицы теплоты используется 1 ккал = 4.1868 кДж.

Таблица 5.1

Теплотворная способность газообразных топлив

Горючее вещество – жидкость или твердое тело

В качестве примера проведем расчет теплотворной способности этилового спирта С 2 Н 5 ОН, для которого теплота горения Q г = 1373.3 кДж/моль.

· Определим молекулярную массу этилового спирта в соответствии с его химической формулой (С 2 Н 5 ОН):

М = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 г/моль.

· Определим теплотворную способность 1 кг этилового спирта:

Аналогично определяется теплотворная способность любых жидких и твердых горючих. В табл. 5.2 и 5.3 приведены значения теплотворной способности Q (МДж/кг и ккал/кг) для некоторых жидких и твердых веществ.

Таблица 5.2

Теплотворная способность жидких топлив

Таблица 5.3

Теплотворная способность твердых топлив

Формула Менделеева

Если теплотворная способность топлива неизвестна, то ее можно рассчитать с помощью эмпирической формулы, предложенной Д.И. Менделеевым. Для этого необходимо знать элементарный состав топлива (эквивалентную формулу топлива), то есть процентное содержание в нем следующих элементов:

Кислорода (О);

Водорода (Н);

Углерода (С);

Серы (S );

Золы (А);

Воды (W ).

В продуктах сгорания топлив всегда содержатся пары воды, образующиеся как из-за наличия влаги в топливе, так и при сгорании водорода. Отработанные продукты сгорания покидают промышленную установку при температуре выше температуры точки росы. Поэтому тепло, которое выделяется при конденсации водяных паров, не может быть полезно использовано и не должно учитываться при тепловых расчетах.

Для расчета обычно применяется низшая теплотворная способность Q н топлива, которая учитывает тепловые потери с парами воды. Для твердых и жидких топлив величина Q н (МДж/кг) приближенно определяется по формуле Менделеева:

Q н =0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)

где в скобках указано процентное (масс. %) содержание соответствующих элементов в составе топлива.

В этой формуле учитывается теплота экзотермических реакций горения углерода, водорода и серы (со знаком «плюс»). Кислород, входящий в состав топлива, частично замещает кислород воздуха, поэтому соответствующий член в формуле (5.1) берется со знаком «минус». При испарении влаги теплота расходуется, поэтому соответствующий член, содержащий W , берется также со знаком «минус».

Сравнение расчетных и опытных данных по теплотворной способности разных топлив (дерево, торф, уголь, нефть) показало, что расчет по формуле Менделеева (5.1) дает погрешность, не превышающую 10%.

Низшая теплотворная способность Q н (МДж/м 3) сухих горючих газов с достаточной точностью может быть рассчитана как сумма произведений теплотворной способности отдельных компонентов и их процентного содержания в 1 м 3 газообразного топлива.

Q н = 0.108[Н 2 ] + 0.126[СО] + 0.358[СН 4 ] + 0.5[С 2 Н 2 ] + 0.234[Н 2 S ]…, (5.2)

где в скобках указано процентное (объем. %) содержание соответствующих газов в составе смеси.

В среднем теплотворная способность природного газа составляет примерно 53.6 МДж/м 3 . В искусственно получаемых горючих газах содержание метана СН 4 незначительно. Основными горючими составляющими являются водород Н 2 и оксид углерода СО. В коксовальном газе, например, содержание Н 2 доходит до (55 ÷ 60)%, а низшая теплотворная способность такого газа достигает 17.6 МДж/м 3 . В генераторном газе содержание СО ~ 30% и Н 2 ~15%, при этом низшая теплотворная способность генераторного газа Q н = (5.2÷6.5) МДж/м 3 . В доменном газе содержание СО и Н 2 меньше; величина Q н = (4.0÷4.2) МДж/м 3 .

Рассмотрим примеры расчета теплотворной способности веществ по формуле Менделеева.

Определим теплотворную способность угля, элементный состав которого приведен в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Элементный состав угля

· Подставим приведенные в табл. 5.4 данные в формулу Менделеева (5.1) (азот N и зола A в эту формулу не входят, поскольку являются инертными веществами и не участвуют в реакции горения):

Q н =0.339∙37.2+1.025∙2.6+0.1085∙0.6–0.1085∙12–0.025∙40=13.04 МДж/кг.

Определим количество дров, необходимое для нагрева 50 литров воды от 10° С до 100° С, если на нагревание расходуется 5% теплоты, выделяемой при горении, а теплоемкость воды с =1 ккал/(кг∙град) или 4.1868 кДж/(кг∙град). Элементный состав дров приведен в табл. 5.5:

Таблица 5.5

Элементный состав дров

В данном уроке мы научимся рассчитывать количество теплоты, которое выделяет топливо при сгорании. Кроме того, рассмотрим характеристику топлива - удельную теплоту сгорания.

Поскольку вся наша жизнь основана на движении, а движение в большинстве своем основано на сгорании топлива, то изучение данной темы весьма важно для понимания темы «Тепловые явления».

После изучения вопросов, связанных с количеством теплоты и удельной теплоемкостью, перейдем к рассмотрению количества теплоты, выделяемого при сжигании топлива .

Определение

Топливо - вещество, которое в некоторых процессах (горение, ядерные реакции) выделяет тепло. Является источником энергии.

Топливо бывает твердым, жидким и газообразным (рис. 1).

Рис. 1. Виды топлива

• К твердым видам топлива относят уголь и торф .
• К жидким видам топлива относят нефть, бензин и другие нефтепродукты .
• К газообразным видам топлива относят природный газ .
• Отдельно можно выделить очень распространенное в последнее время ядерное топливо .

Сгорание топлива - это химический процесс, который является окислительным. При сгорании атомы углерода соединяются с атомами кислорода , образуя молекулы. В результате этого выделяется энергия, которую и использует человек в своих целях (рис. 2).

Рис. 2. Образование углекислого газа

Для характеристики топлива используется такая характеристика, как теплотворность . Теплотворность показывает, какое количество теплоты выделяется при сгорании топлива (рис. 3). В физике теплотворности соответствует понятие удельной теплоты сгорания вещества .

Рис. 3. Удельная теплота сгорания

Определение

Удельная теплота сгорания - физическая величина, характеризующая топливо, численно равна количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива.

Удельную теплоту сгорания принято обозначать буквой . Единицы измерения:

В единицах измерения отсутствует , так как сгорание топлива происходит практически при неизменной температуре.

Удельная теплота сгорания определяется опытным путем с помощью сложных приборов. Однако для решения задач существуют специальные таблицы. Ниже приведем значения удельной теплоты сгорания для некоторых видов топлива.

Таблица 4. Удельная теплота сгорания некоторых веществ

Из приведенных величин видно, что при сгорании выделяется огромное количество теплоты, поэтому используются единицы измерения (мегаджоули) и (гигаджоули).

Для вычисления количества теплоты, которое выделяется при сгорании топлива, используется следующая формула:

Здесь: - масса топлива (кг), - удельная теплота сгорания топлива ().

В заключении заметим, что большая часть топлива, которое используется человечеством, запасена с помощью солнечной энергии. Уголь, нефть, газ - все это образовалось на Земле благодаря воздействию Солнца (рис. 4).

Рис. 4. Образование топлива

На следующем уроке мы поговорим о законе сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Интернет-портал «festival.1september.ru» ()
2. Интернет-портал «school.xvatit.com» ()
3. Интернет-портал «stringer46.narod.ru» ()

Домашнее задание

Важная теплотехническая характеристика топлива – его удельная теплота сгорания.

Удельной теплотой сгорания топлива

Различают удельную высшую и низшую теплоту сгорания. Удельная теплота сгорания рабочего топлива с учетом дополнительной теплоты, которая выделяется при конденсации водяных паров, находящихся а продуктах сгорания, называется высшей удельной теплотой сгорания рабочего топлива . Это дополнительное количество теплоты можно определить путем умножения массы водяных паров, образующихся от испарения влаги топлива /100 и от горения водорода9 /100 , на скрытую теплоту конденсации водяного пара, равную примерно 2500 кДж/кг.

Удельная низшая теплота сгорания топлива – то количество теплоты, которая выделяется в обычных практических условиях, т.е. когда водяные пары не конденсируются, а выбрасываются в атмосферу.

Таким образом связь между высшей и низшей удельной теплотой сгорания может быть выражена уравнением - = =25(9 ).

64. Условное топливо.

Топливом называется любое вещество, которое при сгорании (окислении) выделяется значительное количество теплоты на единицу массы или объёма и доступно для массового использования.

В качестве топлива применяют природные и производные органические соединения в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Любое органическое топливо состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, летучей серы, а твердые и жидкие топлива - из золы (минеральные остатки) и влаги.

Важная теплотехническая характеристика топлива – его удельная теплота сгорания.

Удельной теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы количества вещества топлива.

Чем меньше удельная теплота сгорания топлива, тем больше его расходуется в котельном агрегате. Для сравнения различных видов топлива по их тепловому эффекту введено понятие об условном топливе, удельная теплота сгорания которого принята =29,3 МДж/кг.

Отношение Q Н Р данного топлива к Q уд условного топлива называется эквивалентом Э. Тогда пересчет расхода натурального топлива В Н в условное топливо В УТ осуществляется по формуле:

Условное топливо - принятая при расчетах единица учёта органического топлива, то есть нефти и ее производных, природного и специально получаемого при перегонке сланцев и каменного угля, газа, торфа – которая используется для счисления полезного действия различных видов топлива в их суммарном учёте.

В СССР и России за единицу условного топлива (у.т.) принималась теплотворная способность 1 кг каменного угля = 29,3 МДж или 7000 ккал.Международное энергетическое агентство (IEA ) приняло за единицу нефтяной эквивалент, обычно обозначаемый аббревиатурой TOE (англ. Tonne of oil equivalent ). Одна тонна нефтяного эквивалента равняется 41,868 ГДж или 11,63 МВт·ч. Применяется также единица - баррель нефтяного эквивалента (BOE ).

65. Коэффициент избытка воздуха.

Число, показывающее, во сколько раз действительный рас­ход воздуха больше теоретически необходимого количества воз­духа, называется коэффициентом избытка воздуха, т. е. дейст­вительный расход воздуха L (в кг/кг) или V (м 3 /м 3) равен тео­ретически необходимому его количеству L o или V o > умноженно­му на коэффициент избытка воздуха а

V = aV 0 .

Что такое топливо?

Это один компонент либо смесь веществ, которые способны к химическим превращениям, связанным с выделением тепла. Разные виды топлива отличаются количественным содержанием в них окислителя, который применяется для выделения тепловой энергии.

В широком смысле топливо является энергоносителем, то есть, потенциальным видов потенциальной энергии.

Классификация

В настоящее время виды топлива подразделяют по агрегатному состоянию на жидкое, твердое, газообразное.

К твердому природному виду причисляют каменный и дрова, антрацит. Брикеты, кокс, термоантрацит это разновидности искусственного твердого топлива.

К жидкостям причисляются вещества, имеющие в составе вещества органического происхождения. Основными их компонентами являются: кислород, углерод, азот, водород, сера. Искусственным жидким топливом будут разнообразные смолы, мазут.

Является смесью разнообразных газов: этилена, метана, пропана, бутана. Помимо них в составе газообразного топлива есть углекислый и угарный газы, сероводород, азот, водяной пар, кислород.

Показатели топлива

Основной показатель сгорания. Формула для определения теплотворной способности рассматривается в термохимии. выделяют «условного топлива», которое подразумевает теплоту сгорания 1 килограмма антрацита.

Бытовое печное топливо предназначается для сжигания в отопительных устройствах незначительной мощности, которые находятся в жилых помещениях, теплогенераторах, применяемых в сельском хозяйстве для сушки кормов, консервирования.

Удельная теплота сгорания топлива - это такая величина, что демонстрирует количество теплоты, которое образуется при полном сгорании топлива объемом 1 м 3 либо массой один килограмм.

Для измерения этой величины используют Дж/кг, Дж/м 3 , калория/м 3 . Чтобы определить теплоту сгорания, используют метода калориметрии.

При увеличении удельной теплоты сгорания топлива, снижается удельный расход топлива, а коэффициент полезного действия остается неизменной величиной.

Теплота сгорания веществ является количеством энергии, выделяющейся при окислении твердого, жидкого, газообразного вещества.

Она определяется химическим составом, а также агрегатным состоянием сгораемого вещества.

Особенности продуктов сгорания

Высшая и низшая теплота сгорания связана с агрегатным состоянием воды в получаемых после сгорания топлива веществах.

Высшая теплота сгорания это количество теплоты, выделяемое при полном сгорании вещества. В эту величину включают и теплоту конденсации водяного пара.

Низшая рабочая теплота сгорания является той величиной, что соответствует выделению тепла при сгорании без учета теплоты конденсации водяных паров.

Скрытой теплотой конденсации считают величину энергии конденсации водяного пара.

Математическая взаимосвязь

Высшая и низшая теплота сгорания связаны следующим соотношением:

Q B = Q H + k(W + 9H)

где W - количество по массе (в %) воды в горючем веществе;

H-количество водорода (% по массе) в горючем веществе;

k - коэффициент, составляющий величину 6 ккал/кг

Способы проведения вычислений

Высшая и низшая теплота сгорания определяется двумя основными методами: расчетным и экспериментальным.

Для проведения экспериментальных вычислений применяют калориметры. Сначала сжигают в нем навеску топлива. Теплота, которая будет при этом выделяться, полностью поглощается водой. Имея представление о массе воды, можно определить по изменению ее температуры, величину ее теплоты сгорания.

Данная методика считается простой и эффективной, она предполагает только владение информацией о данных технического анализа.

В расчетной методике высшая и низшая теплота сгорания вычисляется по формуле Менделеева.

Q p H = 339C p +1030H p -109(O p -S p) - 25 W p (кДж/ кг)

Оно учитывает содержание углерода, кислорода, водорода, водяного пара, серы в рабочем составе (в процентах). Количество теплоты при сгорании определяется с учетом условного топлива.

Теплота сгорания газа позволяет проводить предварительные расчеты, выявлять эффективность применения определенного вида топлива.

Особенности происхождения

Для того чтобы понять, сколько теплоты выделяется при сгорании определенного топлива, необходимо иметь представление об его происхождении.

В природе есть разные варианты твердого топлива, которые отличаются между собой составом и свойствами.

Его образование осуществляется через несколько стадий. Сначала образуется торф, затем получается бурый и каменный уголь, потом формируется антрацит. В качестве основных источников образования твердого топлива выступают листья, древесина, хвоя. Отмирая, части растений при воздействии воздуха, разрушаются грибками, образуют торф. Его скопление превращается в бурую массу, потом получается бурый газ.

При высоком давлении и температуре, бурый газ переходит в каменный уголь, потом топливо накапливается в виде антрацита.

Помимо органической массы, в топливе есть дополнительный балласт. Органической считают ту часть, что образовалась из органических веществ: водорода, углерода, азота, кислорода. Помимо этих химических элементов, в его составе есть балласта: влага, зола.

Топочная техника предполагает выделение рабочей, сухой, а также горючей массы сжигаемого топлива. Рабочей массой называют топливо в исходном виде, поступающем к потребителю. Сухая масса - это состав, в котором отсутствует вода.

Состав

Самыми ценными компонентами считаются углерод и водород.

Эти элементы содержатся в любом виде топлива. В торфе и древесине процентное содержание углерода достигает 58 процентов, в каменном и буром угле - 80%, а в антраците оно достигает 95 процентов по массе. В зависимости от этого показателя меняется количество теплоты, выделяемой при сгорании топлива. Водород это второй по важности элемент любого топлива. Связываясь с кислородом, он образует влагу, которая существенно снижает тепловую ценность любого топлива.

Его процентное содержание колеблется от 3,8 в горючих сланцах до 11 в мазуте. В качестве балласта выступает кислород, входящий в состав топлива.

Он не является теплообразующим химическим элементом, поэтому негативно отражается на величине теплоты его сгорания. Сгорание азота, содержащегося в свободном либо связанном виде в продуктах сгорания, считается вредными примесями, поэтому его количество четко лимитируется.

Сера входит в состав топлива в виде сульфатов, сульфидов, а также в качестве сернистых газов. При гидратации оксиды серы образуют серную кислоту, которая разрушает котельное оборудование, негативно воздействует на растительность и живые организмы.

Именно поэтому сера является тем химическим элементом, присутствие которого в природном топливе является крайне нежелательным. При попадании внутрь рабочего помещения, сернистые соединения вызывают существенные отравления обслуживающего персонала.

Выделяют три вида золы в зависимости от ее происхождения:

• первичную;
• вторичную;
• третичную.

Первичный вид формируется из минеральных веществ, которые содержатся в растениях. Вторичная зола образуется как результат попадания во время пластообразования растительных остатков песком и землей.

Третичная зола оказывается в составе топлива в процессе добычи, хранения, а также его транспортировки. При существенном отложении золы происходит уменьшение теплопередачи на поверхности нагрева котельного агрегата, снижает величину теплопередачи к воде от газов. Огромное количество золы негативно отражается на процессе эксплуатации котла.

В заключение

Существенное влияние на процесс горения любого вида топлива оказывают летучие вещества. Чем больше их выход, тем объемнее будет объем фронта пламени. Например, каменный уголь, торф, легко загораются, процесс сопровождается незначительными потерями тепла. Кокс, который остается после удаления летучих примесей, в своем составе имеет только минеральные и углеродные соединения. В зависимости от особенностей топлива, величина количества теплоты существенно изменяется.

В зависимости от химического состава выделяют три стадии формирования твердого топлива: торфяную, буроугольную, каменноугольную.

Натуральную древесину применяют в небольших котельных установках. В основном используют щепу, опилки, горбыли, кору, сами дрова применяют в незначительных количествах. В зависимости от породы древесины величина выделяемой теплоты существенно изменяется.

По мере снижения теплоты сгорания, дрова приобретают определенные преимущества: быструю воспламеняемость, минимальную зольность, отсутствие следов серы.

Достоверная информация о составе природного либо синтетического топлива, его теплотворной способности, является отличным способом проведения термохимических вычислений.

В настоящее время появляется реальная возможность выявления тех основных вариантов твердого, газообразного, жидкого топлива, которые станут самыми эффективными и недорогими в использовании в определенной ситуации.