Топливо это в физике кратко
Обновлено: 05.07.2024
Сгорание топлива – это химический окислительный процесс. При сгорании атомы углерода С объединяются с атомами кислорода О, формируя молекулы. Вследствие, указанного процесса идет выделение энергии, применяемой людьми для технических потребностей.
При описании свойств топлива применяют такой параметр, как теплотворность. Теплотворность характеризует количество теплоты, выделяемое при сгорании 1 кг топлива.
В физике теплотворности соразмерно понятие удельной теплоты сгорания вещества.
Удельная теплота сгорания – физическая величина, демонстрирующая количество теплоты, выделяемое при полном сгорании 1кг топлива.
Для обозначения удельной теплоты сгорания применяют латинский символ q. Единица измерения: дж/кг При сгорании выделяется огромное количество теплоты, поэтому достаточно часто применяются МДж (мегаджоули) и ГДж (гигаджоули)
В единицах измерения не представлены ° С, поскольку сгорание топлива идет практически при постоянных температурах.
Удельная теплота сгорания фиксируется экспериментальным методом с использованием сложных установок. При работе с задачами школьной программы удобнее применять специализированные таблицы.
Все процессы жизнедеятельности человека связаны с теплом: для обогрева жилья, для приготовления пищи, для плавки металлов, для получения других видов энергии. Тепловую энергию получают с использованием топливных ресурсов.
Топливо — это вещество, способное выделять энергию в ходе определённых процессов, эту энергию можно использовать для технических целей.
Топливо активно используется людьми для получения тепла и света, то есть энергии, с тех самых пор, как человек научился пользоваться огнём. Первоначально в качестве топлива использовались дрова, а также жир рыб и животных.
В процессе эволюции и развития требования к ассортименту топлива росли. Первая промышленная революция, произошедшая в \(XIX\) веке в результате перехода от древесного топлива к ископаемому угольному, полностью преобразовала аграрные страны Европы, а затем и Америку.
Потом пришла эра электричества, открытие которого оказало огромное влияние на жизнь человечества и обусловило зарождение и рост крупнейших городов мира.
Применение в качестве топлива нефти и природного газа в сочетании с развитием электроэнергетики, а затем и освоение энергии атома позволили промышленно развитым странам осуществить грандиозные преобразования, итогом которых стало формирование современного облика Земли.
То́пливо — вещество, из которого с помощью определённой реакции может быть получена тепловая энергия.
Содержание
Понятие топлива
Чаще всего, под топливом понимают вещество, способное гореть при наличии окислителя (например, дрова или дизельное топливо). В таком случае, смесь топлива с окислителем образует взрывчатое вещество. Тепловой двигатель может преобразовывать тепловую энергию топлива в кинетическую. Существует также ядерное топливо — вещество, выделяющее большое количество тепла в результате реакций распада или объединения ядер атомов.
Печное бытовое топливо предназначено для сжигания в отопительных установках небольшой мощности, расположенных непосредственно в жилых помещениях, а также в теплогенераторах средней мощности, используемых в сельском хозяйстве для приготовления кормов, сушки зерна, фруктов, консервирования и других целей.
Стандарт на котельное топливо — ГОСТ 10585-99 предусматривает выпуск четырёх его марок: флотских мазутов Ф-5 и Ф-12, которые по вязкости классифицируются как лёгкие топлива, топочных мазутов марки 40 — как среднее и марки 100 — тяжёлое топливо. Цифры указывают ориентировочную вязкость соответствующих марок мазутов при 50 °C.
Печное топливо тёмное вырабатывается из дизельных фракций прямой перегонки и вторичного происхождения — дистиллятов термического, каталитического крекинга и коксования.
По фракционному составу печное топливо может быть несколько тяжелее дизельного топлива по ГОСТ 305-82 (до 360 °C перегоняется до 90 процентов вместо 96 процентов, вязкость печного топлива до 8,0 мм 2 /с при 20 °C против 3,0-6,0 мм 2 /с дизельного).
При изготовлении печного топлива не нормируются цетановое и йодное числа, температура помутнения. При переработке сернистых нефтей массовая доля серы в топливе — до 1,1 процента.
Для улучшения низкотемпературных свойств печного топлива в промышленности применяют депрессорные присадки, синтезированные на основе сополимера этилена с винилацетатом.
Характеристики:
- 10 процентов перегоняется при температуре, С, не ниже 160;
- 90 процентов перегоняется при температуре, C, не выше 360; при 20 °C, мм 2 /с, не более 8,0;
- температура вспышки в закрытом тигле, С, не ниже 45;
- массовая доля серы, процентов, не более: в малосернистом топливе 0,5, в сернистом топливе 1,1;
- испытание на медной пластинке выдерживает; , мг КОН/100 см 3 топлива, не более 5,0; , процентов, не более 0,02;
- коксуемость 10 процентного остатка, не более 0,35 процентов;
- содержание воды: следы; : от светло-коричневого до чёрного; при 20 °C, кг/м 3 : не нормируется, определение обязательно.
Основные современные виды топлива
Твёрдые топлива
Жидкие топлива
Просты в транспортировке, но при этом велики потери при испарении, разливах и утечках.
- топливо печное бытовое , газолин
- Сланцевое масло
- Отработавшее машинное масло
- Растительные (рапсовое, арахисовое) или животные масла (жиры)
- Жидкое ракетное топливо
- (Изомеры) спиртов
-
(МТБЭ) (ДМЭ)
- Водотопливная эмульсия
- Этиловый спирт в бензинах
- Масла в бензинах
- Синтетические топлива, производимые на основе процесса Фишера-Тропша
- Из угля (CTL)
- Из биомассы (BTL)
- Из природного газа (GTL)
Газообразные топлива
Ещё более транспортабельны, при этом ещё большие потери, а также при нормальных условиях ниже энергетическая плотность.
- Угля — (синтез-, генераторный, коксовый) газы, возможна подземная газификация углей
- Древесины
-
(LPG)
- Смесь водорода и природного газа (HCNG)
- Угольная пыль
- Алюминиевая, магниевая пыль
- Газодизель (смесь природного газа с дизельным топливом)
- Смесь водорода с бензином
- В Европейском союзе (EU-15) — 1396 млн тонн нефтяного эквивалента (2,1 млрд т. у.т.)
- 45 % — нефть, 25 % — газ (природный), 16 % — уголь, 14 % — ядерное топливо
- 40 % — нефть, 27 % — газ (природный), 26 % — уголь, 8 % — ядерное топливо
По приблизительным оценкам энергопотребление России составляет 1,3 млрд т. у.т. в год.
- 6 % — ядерное топливо
- 4 % — возобновимые источники
Динамика
За последние 20 лет мировое энергоротребление возросло на 30 % (и этот рост, по-видимому, продолжится в связи ростом потребности бурно развивающихся стран азиатского региона). В развитых странах за тот же период сильно изменилась структура потребления — произошло замещение части угля более экологичным газом (Европа и прежде всего Россия, где доля газа в потреблении составила до 40 %), а также возросла с 4 % до 10 % доля атомной энергии.
После приведения цифр стоит указать пример Австралии, в балансе которой солнечная энергетика занимает около 30 %. Эту долю потребляет солевая промышленность, вырабатывающая продукцию естественным испарением на солнце.
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).
- Образуется молекула углекислого газа (оксида углерода)
- Выделяется энергия
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 $1 \space кг$.
Величину удельной теплоты сгорания устанавливают на опыте. Мы будем использовать уже готовые результаты таких исследований, представленные в таблице 1.
Таблица 1. Удельная теплота сгорания некоторых видов топливаВещество $q, \space \frac$ Вещество $q, \space \frac$ Порох $0.38 \cdot 10^7$ Древесный уголь $3.4 \cdot 10^7$ Дрова сухие $1.0 \cdot 10^7$ Природный газ $4.4 \cdot 10^7$ Торф $1.4 \cdot 10^7$ Нефть $4.4 \cdot 10^7$ Каменный уголь $2.7 \cdot 10^7$ Бензин $4.6 \cdot 10^7$ Спирт $2.7 \cdot 10^7$ Керосин $4.6 \cdot 10^7$ Антрацит $3.0 \cdot 10^7$ Водород $12 \cdot 10^7$ Возьмем табличное значение удельной теплоты сгорания нефти — $4.4 \cdot 10^7 \frac$. Эта величина говорит нам о том, что при полном сгорании нефти массой $1 \space кг$ выделяется $4.4 \cdot 10^7 \frac$ энергии.
Формула для расчета количества теплоты, выделяемого при сгорании топлива
Для расчета полного количества теплоты, выделяемого при полном сгорании топлива некоторой массы, используют формулу:
где $Q$ — выделяемое количество теплоты,
$q$ -удельная теплота сгорания топлива,
$m$ — масса сгораемого топлива.
Примеры задач
- Какое количество теплоты выделится при полном сгорании керосина объемом $2 \space л$ и плотностью $800 \frac$?
Дано:
$V = 2 \space л$
$\rho = 800 \frac$
$q = 4.6 \cdot 10^7 \frac$СИ:
$2 \cdot 10^ \space м^3$Посмотреть решение и ответ
Решение:
Формула для расчета количества теплоты:
$Q = qm$.Массу выразим через объем и плотность: $m = \rho V$.
Рассчитаем количество теплоты:
$Q = q\rho V = 4.6 \cdot 10^7 \frac \cdot 800 \frac \cdot 2 \cdot 10^ \space м^3 = 7360 \cdot 10^4 \space Дж = 73.6 \cdot 10^6 \space Дж = 73.6 \space МДж$.Ответ: $Q = 73.6 \space МДж$.
- Вычислите массу сухих дров, если при их полном сгорании выделилось $70 000 \space кДж$ энергии.
Дано:
$Q = 70 000 \space кДж$
$q = 1.0 \cdot 10^7 \frac$![]()
Погреться у батареи зимой и заварить чаёк не получилось бы, если бы человечество не научилось использовать энергию. А рождается эта энергия благодаря сгоранию топлива.
О чем эта статья:
Виды топлива
Человеку очень нужно тепло для всех процессов жизнедеятельности: например, для обогрева жилища, готовки, плавления металлов и получения других видов энергии. Чтобы получать тепло и свет, человек использует топливо. Когда люди впервые добыли огонь, без топлива тоже не обошлось — им послужила древесина.
Топливо — это любое вещество, выделяющее энергию в ходе сгорания.
Существует четыре группы видов топлива:
- твердое топливо,
- жидкое топливо,
- газообразное топливо.
На самом деле есть еще четвертая группа — ядерное топливо, но в этом случае механизм получения энергии другой. О нем мы рассказали в статье про ядерный реактор.
К твердому топливу относятся:
- древесина,
- горючие сланцы,
- уголь,
- торф.
Ископаемые твердые виды топлива, кроме сланцев, являются продуктом разложения органической массы растений. Торф — самый молодой из них, он представляет собой плотную массу, которая образовалась из перегнивших болотных растений. Уже не такие молодые (скажем, средних лет 🤣) бурые угли — это темная однородная масса, которая окисляется и рассыпается на свежем воздухе. Горючие сланцы — полезные ископаемые, дающие смолу. Каменные угли — ребята с повышенной прочностью и небольшой пористостью.
Жидкое топливо — это, например, бензин или нефть. Газообразное — это смесь, содержащая в себе водород и окись углерода.
В горючей части топлива всегда есть углерод, кислород, водород, сера и азот. Кислород в соединении с углеродом или водородом уменьшает тепло, которое выделяется в процессе горения. Азот переходит в продукты сгорания, не окисляясь. Сера — вредная примесь, при сгорании которой выделяется в 4 раза меньше теплоты, чем при сгорании углерода.
Удельная теплота сгорания топлива
Удельная теплота сгорания определяет энергетическую ценность топлива. Эта величина фигурирует в формуле количества теплоты, выделяемого при сгорании топлива.
Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива
Q — количество теплоты [Дж]
q — удельная теплота сгорания [Дж/м 3 ]
m — масса [кг]
Удельная теплота сгорания — это табличная величина, которая показывает, какое количество энергии выделится при сгорании 1 кг топлива.
Ниже представлены таблицы с некоторыми значениями удельной теплоты сгорания.
Читайте также:
-
(газойль, соляровое масло)
-
растительные масла (биодизель)
Дисперсные системы, растворы
Нетипичные топлива
Уровень и структура потребления топлива
Несмотря на огромное разнообразие видов топлива, основными источниками энергии остаются нефть, природный газ и уголь. Положение дел 100 лет назад было освещено Менделеевым. Первые два ископаемых топлива исчерпаемы в ближайшем будущем. Нефтяные топлива обладают особой ценностью для транспортных средств (основных потребителей энергии), в силу удобства перевозки, поэтому в настоящий момент ведутся исследования по использованию угля для выработки жидких топлив, в том числе и моторных. Также огромны запасы ядерного топлива, однако его использование накладывает высокие требования к безопасности, высокие затраты на подготовку, эксплуатацию и утилизацию топлива и попутных материалов.
Мировое потребление ископаемых топлив составляет около 12 млрд т. у.т. в год. По данным BP Statistical review of World Energy 2003, за 2002 год потребление ископаемого топлива составило:
