Реферат на тему энергия топлива
Обновлено: 02.07.2024
Стадии производства энергии. Виды газообразного топлива. Нефть как природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых других органических соединений. Ископаемое, растительное и искусственное твердое топливо.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.09.2012 |
| Размер файла | 26,6 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Курсовая работа
студент группы 621191
Содержание
1. Газообразное топливо
2. Жидкое топливо
3. Твёрдое топливо
Список использованной литературы
Энергетика -- область хозяйственно-экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Её целью является обеспечение производства энергии путём преобразования первичной, природной, энергии во вторичную, например в электрическую или тепловую энергию. При этом производство энергии чаще всего происходит в несколько стадий:
· получение и концентрация энергетических ресурсов, примером может послужить добыча, переработка и обогащение ядерного топлива;
· передача ресурсов к энергетическим установкам, например доставка мазута на тепловую электростанцию;
· преобразование с помощью электростанцию первичной энергии во вторичную, например химической энергии угля в электрическую и тепловую энергию;
· передача вторичной энергии потребителям, например по линиям электропередачи
Так как большинство из традиционных электростанций и источников теплоснабжения выделяют энергию из невозобновляемых ресурсов, вопросы добычи, переработки и доставки топлива чрезвычайно важны в энергетике. В традиционной энергетике используются два принципиально отличных друг от друга видов топлива.
В зависимости от агрегатного состояния органическое топливо делится на газообразное, жидкое и твёрдое, каждое из них в свою очередь делится на естественное и искусственное. Доля такового топлива в балансе мировой энергетики составляет около 65 %, из которых 39 % приходится на уголь, 16 % на природный газ, 9 % на жидкое топливо. В данной курсовой работе рассмотрены именно эти виды топлива.
1. Газообразное топливо
Естественным топливом является природный газ. Природный газ -- смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ. Природный газ относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии -- в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. При стандартных условиях (101,325 кПа и 20 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.
Искусственным топливом является:
· Генераторный газ - газовая смесь, содержащая окись углерода СО и молекулярный водород Н2. Получают генераторный газ путём пропускания воздуха над раскалённым каменным углём или коксом в специальных печах -- газогенераторах (КПД процесса 65-70 %). Выход из кокса 4,65 м?/кг. Далее окись углерода смешивается с водяным паром и получается водородная составляющая генераторного газа -- СО + Н2О = Н2 + CO2. Теплотворная способность генераторного газа составляет 800--1000 ккал/м?, причём замена воздуха на кислород при его получении ведёт к значительному увеличению доли монооксида углерода и, соответственно, к увеличению теплотворной способности. Генераторный газ применяется как топливо в металлургической, стекольной, керамической промышленности, для двигателей внутреннего сгорания, а также для синтеза аммиака;
· Коксовый газ - горючий газ, образующийся в процессе коксования каменного угля, то есть при нагревании его без доступа воздуха до 900--1100 ° С. Коксовый газ содержит много ценных веществ. Кроме водорода, метана, оксидов углерода в его состав входят пары каменно-угольной смолы, бензол, аммиак, сероводород и др. Парогазовая смесь выделяющихся летучих продуктов (до 25 % от общей массы массы перерабатываемого угля) отводится через газосборник для улавливания и переработки. Для разделения летучие продукты охлаждают впрыскиванием воды (от 70 °C до 80 °C) -- при этом из паровой фазы выделяется большая часть смол, дальнейшее охлаждение парогазовой смеси проводят в кожухотрубчатых холодильниках (до 25-35 °C). Конденсаты объединяют и отстаиванием выделяют надсмольную воду (аммиачная вода) и каменноугольную смолу. Затем сырой коксовый газ последовательно очищают от аммиака и сероводорода, промывают поглотительным маслом (для улавливания сырого бензола и фенола), серной кислотой (для улавливания пиридиновых оснований). Очищенный коксовый газ (14-15 % от общей массы перерабатываемого угля) используют в качестве топлива для обогрева батареи коксовых печей и для других целей;
· Доменный газ - образуется при сгорании топлива в доменной печи;
· Продукты перегонки нефти;
· Газ подземной газификации;
· Синтез-газ - смесь монооксида углерода и водорода. В промышленности получают паровой конверсией метана, парциальным окислением метана, газификацией угля. В зависимости от способа получения соотношение CO:Н2 варьируется от 1:1 до 1:3..
2. Жидкое топливо
Естественным топливом является нефть. Нефть - это природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых других органических соединений. По цвету нефть бывает красно-коричневого, иногда почти чёрного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет и даже бесцветная нефть; имеет специфический запах, распространена в осадочных породах Земли. Сегодня нефть является одним из важнейших для человечества полезных ископаемых. энергия топливо нефть газообразный
Искусственным топливом является:
· Бензин - горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от 30 до 200 °C. Плотность около 0,75 г/см?. Теплотворная способность примерно 10500 ккал/кг (46 МДж/кг, 34,5 МДж/литр). Температура замерзания ниже ?60 °C в случае использования специальных присадок. В конце XIX века бензин не находил лучшего применения, чем антисептическое средство (продавался в аптеках) и топлива для примусов. Зачастую из нефти отгоняли только керосин, а все остальное, включая бензин, либо сжигали, либо просто выбрасывали. Однако с появлением двигател внутреннего сгорания, работающего по циклу Отто, бензин стал одним из главных продуктов нефтепереработки, хотя по мере распространения дизельных двигателей благодаря их более высокому КПД на первый план выходит дизельное топливо. Бензин применяется как топливо для карбюраторных и инжекторных двигателей, высокоимпульсное ракетное топливо (Синтин), при производстве парафина, как растворитель, как горючий материал, сырье для нефтехимии прямогонный бензин или бензин газовый стабильный (БГС).;
· Керосин - смеси углеводородов (от C12 до C15), выкипающие в интервале температур 150--250 °C, прозрачная, слегка маслянистая на ощупь, горючая жидкость, получаемая путём прямой перегонки или ректификации нефти. Керосин применяют как реактивное топливо, горючий компонент жидкого ракетного топлива, горючее при обжиге стеклянных и фарфоровых изделий, для бытовых нагревательных и осветительных приборов, в аппаратах для резки металлов, как растворитель (например для нанесения пестицидов), сырьё для нефтеперерабатывающей промышленности. Керосин может использоваться как заменитель зимнего и арктического дизтоплива для дизельных, однако необходимо добавить противоизносные и цетаноповышающие присадки; цетановое число керосина около 40, ГОСТ требует не менее 45. Для многотопливных двигателей (на основе дизеля) возможно применение чистого керосина и даже бензина АИ-80. Допускается добавление до 20 % керосина в летнее дизельное топливо для снижения температуры застывания, при этом не ухудшаются эксплуатационные характеристики. Также керосин -- основное топливо для проведения фаершоу (огненных представлений), из-за хорошей впитываемости и относительно низкой температуры горения. Применяется так же для промывки механизмов, для удаления ржавчины.;
· Соляровое масло - жидкий продукт, использующийся как топливо в дизельном двигателе внутреннего сгорания. Обычно под этим термином понимают топливо, получающееся из керосиново-газойлевых фракций прямой перегонки нефти. Основные потребители дизельного топлива -- железнодорожный транспорт, грузовой автотранспорт, водный транспорт, военная техника, сельскохозяйственная техника, а также в последнее время и легковой дизельный автотранспорт. Кроме дизельных двигателей, остаточное дизельное топливо (соляровое масло) зачастую используется в качестве котельного топлива, для пропитывания кож, в смазочно-охлаждающих средствах и закалочных жидкостях, при механической и термической обработке металлов.;
3. Твердое топливо
Естественным топливом являются ископаемое и растительное топливо.
· Торф - горючее полезное ископаемое; образовано скоплением остатков растений, подвергшихся неполному разложению в условиях болот. Для болота характерно отложение на поверхности почвы неполно разложившегося органического вещества, превращающегося в дальнейшем в торф. Слой торфа в болотах не менее 30 см, (если меньше, то это заболоченные земли). Торф улучшает плодородие земли. Для употребления в качестве компонента почвенных смесей для комнатных и оранжерейных растений дернины торфа выветривают в низких и широких кучах три года, поскольку в свежевыкопанных торфяных дернинах имеются вредные для большинства растений вещества (кислоты). Для ускорения выветривания и вымывания кислот производят регулярное перелопачивание. Почвенные смеси на основе торфа характеризуются значительной влагоемкостью. В смеси с песком торфяная земля применяется для посевов мелких семян и в качестве основного компонента при приготовлении земляных смесей для многих растений защищенного грунта.;
· Бурый уголь - горючее полезное ископаемое, ископаемый уголь 2-ой стадии метаморфизма (переходное звено между лигнитом и каменным углем), получается из лигнита или напрямую из торфа. Классификация ископаемых углей довольно запутана, так в Евросоюзе и Англии пользуются термином лигнит (которой считается синонимом бурого угля), а в Америке лигнит и бурый уголь выделяются отдельно, причем очень четко. В России понятие лигнит чаще всего является синонимом бурого угля (последний термин более распространен) либо понятием недействующим, реже понятие бурый уголь охватывает лигнит высокой степени углефикации (ВСУ) и не захватывает суббитуминозный уголь ВСУ, последний относят к каменному.
· Антрацит - самый древний из ископаемых углей, уголь наиболее высокой степени углефикации. Характеризуется большой плотностью и блеском. Содержит 95 % углерода. Применяется как твердое высококалорийное топливо (теплотворность 6800--8350 ккал/кг). Антрацит -- это самый древний ископаемый уголь. По своим характеристикам и свойствам антрацит более всего похож на каменный уголь. Их разница заключается в том, что в составе антрацита больше углерода (более 90 %). По цвету он бывает как бархатным, так и железно-черным и обязательно со стальным блеском. Антрацит горит только при сильной тяге воздуха почти без пламени или вовсе без него, без запаха и без дыма. При этом он не спекается. Антрацит тверже каменного и бурого угля. Так же, как и они, он является продуктом медленного гниения растений. Можно встретить залежи антрацита рядом с залежами каменного угля или горных пород.Уголь представляет собой окаменевшие растительные останки, а у антрацита эти останки максимально преобразованы, поэтому их практически невозможно идентифицировать. Образовывался он от девона до триаса. Среди ископаемых углей его доля составляет около 3 % от общего объема.
· Горючий сланец - полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Сланцы в основном образовались 450 миллионов лет тому назад на дне моря из растительных и животных остатков. Горючий сланец состоит из преобладающих минеральных (кальциты, доломит, гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, полевые шпаты, кварц, пирит и др.) и органических частей (кероген), последняя составляет 10--30 % от массы породы и только в сланцах самого высокого качества достигает 50--70 %. Органическая часть является био- и геохимически преобразованным веществом простейших водорослей, сохранившим клеточное строение (талломоальгинит) или потерявшим его (коллоальгинит); в виде примеси в органической части присутствуют измененные остатки высших растений (витринит, фюзенит, липоидинит).
· Дрова - куски дерева, предназначенные для сжигания в печи, камине, топке или костре для получения тепла и света. В соответствии с требованиями ГОСТ 3243-88 качество дров в России нормируется по породе древесины, номинальной длине и учетной градации, по площади ядровой гнили (в процентах от площади торца), по количеству дров в партии с гнилью от 30 до 65 % площади торца, и по высоте остатков сучьев.
· Биомасса - совокупная масса растительных и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе в момент наблюдения. Среди наземных животных организмов наибольшую по массе часть составляют насекомые, членистоногие и подобные им, обеспечивающие существование растительных организмов. (Более 80-ти процентов сухопутной биомассы). Человечество, как часть млекопитающих, представляет собой менее 1-го кубического километра, что составляет одну пренебрежимо малую, несоизмеримую со всей биомассой, часть всей биомассы Земли. Из масличных культур при помощи этерификации выделенного растительного масла производится различное дизельное топливо (Биодизель). Проводятся исследования по выращиванию высокопродуктивных плантаций масляных водорослей.Путём ферментации сахаро и крахмалсодержащих продуктов (злаки, картофель, сахарная свёкла), и с предварительным гидролизом в случае использования целлюлозосодежащего растительного сырья (древесина, солома, растительные отходы) получают этанол (биоэтанол). Этанол применяется в качестве моторного топлива в чистом виде и в смеси с бензинами, используется для производства этил-трет-бутилового эфира -- качественного топлива для бензиновых двигателей, являющегося частично биотопливом в отличие от метил-трет-бутилового эфира.
Искусственным твёрдым топливом являются:
· Кокс и полукокс - твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путем коксования каменного угля при температурах 950--1100°С без доступа воздуха. Кокс каменноугольный применяют для выплавки чугуна (доменный кокс) как высококачественное бездымное топливо, восстановитель железной руды, разрыхлитель шихтовых материалов. Кокс каменноугольный используют также, как ваграночное топливо в литейном производстве (литейный кокс), для бытовых целей (бытовой кокс), в химической и ферросплавной отраслях промышленности (специальные виды кокса). Доменный кокс должен иметь размеры кусков не менее 25--40 мм при ограниченном содержании кусков менее 25 мм (не более 3 %) и более 80 мм. Литейный кокс по размерам кусков крупнее доменного; наиболее пригоден продукт, в котором присутствуют куски менее 60--80 мм. Главное отличие литейного кокса от доменного -- малое содержание S, которое не должно превышать 1 % (в доменном коксе до 2 %). В промышленности ферросплавов используют мелкий кокс (например, фракцию 10--25 мм), при этом в отличие от доменного и литейного производств предпочитают применять продукт с большой реакционной способностью. Требования по прочности к бытовому коксу менее жесткие, чем к доменному и литейному. Во всех производствах лучшее сырье -- наиболее прочный малозольный и малосернистый кокс, содержащий небольшое количество мелких фракций. Строение и свойства кокса каменноугольного зависят от состава угольной шихты, конечной температуры и скорости нагрева коксуемой массы. С увеличением содержания в шихте газовых и др. углей, характеризующихся малой степенью метаморфизма, понижением конечной температуры коксования и уменьшением выдержки при этой температуре, реакционная способность и горючесть получаемого кокса возрастает. При увеличении содержания газовых углей в шихте прочность и средняя крупность кусков кокса уменьшаются, а пористость его возрастает. Повышение конечной температуры коксования способствует увеличению прочности кокса каменноугольного, особенно к истиранию. При удлинении периода коксования и снижении скорости нагрева коксуемой массы средняя крупность кусков кокса увеличивается.
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. 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.
Таким образом, энергетическое топливо прочно вошло в нашу жизнь и нашло широкое применение в промышленности. Не смотря на то, что в наше время активно разрабатываются концепции альтернативного топлива, современный человек не может представить себе жизнь без традиционных видов энергии
Список использованной литературы
1. В.А.Веников, Е.В.Путятин /Введение в специальность: Электроэнергетика/ -- М; Высшая школа, 1988 - 326с;
В природе существует много горючих веществ, которые при сгорании выделяют тепло.
Однако, топливом можно считать лишь те горючие вещества, у которые обладают большой удельной теплотой сгорания, низкой температурой воспламенения. отсутствием вредных продуктов сгорания, широко распространены в природе, просты в добыче и транспортировке.
Чем больше выделяется тепла при сгорании топлива, тем лучше.
Разные виды топлива одинаковой массы при полном сгорании выделяют разное количество теплоты. Сравнить количества теплоты , выделившиеся при сгорании разных видов топлива можно,используя физическую величину - удельную теплоту сгорания.
Удельная тплота сгорания показывает, какое количество теплоты выделится при полном сгорании 1 кг данного топлива.
Единица измерения удельной теплоты сгорания в системе СИ:
[ q ] = 1 Дж/кг
Расчетная формула для количества теплоты, выделившейся при полном сгорании топлива:
где Q - количество выделившейся теплоты ( Дж ),
q - удельная теплота сгорания ( Дж/кг ),
m - масса сгоревшего топлива ( кг )
Растения ежегодно производят 300 000 000 000 т кислорода. А при старте одной лишь ракеты сжигается в качестве топлива от 100 т до 1000 т жидкого кислорода.
Можно ли получить холод при сжигании угля ?
Самое горячее пламя получается при сгорании субнитрида углерода (C4N2), дающего при 1 атм. температуру 5261 K.
ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ
В пламени любого источника света имеется очень накаленная полоса, а в других частях теплота почти незаметна. Зажгите свечу и наблюдайте за фитилем. В пламени свечи легко различить отдельные полосы. Внизу вы увидите коричневую точку l, где свет почти не воспринимаем для глаза, а несколько выше синеватую часть m.
В синюю часть пламени кислород не проникает, и газы здесь не горят, оставаясь невоспламеняемыми. Это резервуар, питающий часть n, в которой газы подвергаются полному сгоранию. Вид этой полосы ярко красный. Часть n окружает полоса r, плохо видимая, но самая горячая из всех. Здесь происходит процесс полного сжигания углерода.
Любознательным
Глянцевая черная ткань
Почему одни ткани блестят, а другие — нет? Почему черный фетр с одной стороны выглядит глянцевым, а с другой — матовым, тусклым? Черные краски для стен бывают как глянцевые, так и матовые. Как черная поверхность может блестеть, если предмет черного цвета поглощает свет в видимом спектре?
Оказывается.
Ткань блестит, если нити в ней расположены в правильном порядке параллельно друг другу и как бы образуют на поверхности ткани бороздки. Под определенными углами такая ткань довольно сильно отражает падающий на нее свет. Под другими углами это отражение слабее. Поэтому, когда ткань поворачивают в лучах света, она отражает то лучше, то хуже, иначе говоря, блестит. Наилучшее отражение наблюдается тогда, когда линия, перпендикулярная бороздкам ткани, делит пополам угол (является его биссектрисой) между падающим лучом света и лучом, отраженным от поверхности в направлении глаза наблюдателя.
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.
| Вещество | $q, \space \frac$ | 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:
$Q = 70 000 \space кДж$
$q = 1.0 \cdot 10^7 \frac$
В мире повсеместно используется энергия топлива. Очевидно, что при сгорании выделяется тепловая энергия. Об особенностях процесса горения и о том, как рассчитать количество теплоты, мы поговорим на этом уроке.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Энергия топлива. Удельная теплота сгорания"
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/м 3 .
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.
Тепловые машины в термодинамике — это периодически действующие тепловые двигатели и холодильные машины (термокомпрессоры). Разновидностью холодильных машин являются тепловые насосы.
Устройства, совершающие механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми машинами (тепловыми двигателями). Для функционирования тепловой машины необходимы следующие составляющие: 1) источник тепла с более высоким температурным уровнем t1, 2) источник тепла с более низким температурным уровнем t2, 3) рабочее тело. Иначе сказать: любые тепловые машины (тепловые двигатели) состоят из нагревателя, холодильника и рабочего тела.
В качестве рабочего тела используются газ или пар, поскольку они хорошо сжимаются, и в зависимости от типа двигателя может быть топливо (бензин, керосин), водяной пар и пр. Нагреватель передаёт рабочему телу некоторое количество теплоты (Q1), и его внутренняя энергия увеличивается, за счёт этой внутренней энергии совершается механическая работа (А), затем рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты холодильнику (Q2) и охлаждается при этом до начальной температуры. Описанная схема представляет цикл работы двигателя и является общей, в реальных двигателях роль нагревателя и холодильника могут выполнять различные устройства. Холодильником может служить окружающая среда.
Поскольку в двигателе часть энергии рабочего тела передается холодильнику, то понятно, что не вся полученная им от нагревателя энергия идет на совершение работы. Соответственно, коэффициент полезного действия двигателя (КПД) равен отношению совершенной работы (А) к количеству теплоты, полученному им от нагревателя (Q1):
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
Существует два типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): карбюраторный и дизельный. В карбюраторном двигателе рабочая смесь (смесь топлива с воздухом) готовится вне двигателя в специальном устройстве и из него поступает в двигатель. В дизельном двигателе горючая смесь готовится в самом двигателе.
ДВС состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень; в цилиндре имеются два клапана, через один из которых горючая смесь впускается в цилиндр, а через другой отработавшие газы выпускаются из цилиндра. Поршень с помощью кривошипно-шатунного механизма соединяется с коленчатым валом, который приходит во вращение при поступательном движении поршня. Цилиндр закрыт крышкой.
Цикл работы ДВС включает четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Во время впуска поршень движется вниз, давление в цилиндре уменьшается, и в него через клапан поступает горючая смесь (в карбюраторном двигателе) или воздух (в дизельном двигателе). Клапан в это время закрыт. В конце впуска горючей смеси закрывается клапан.
Во время второго такта поршень движется вверх, клапаны закрыты, и рабочая смесь или воздух сжимаются. При этом температура газа повышается: горючая смесь в карбюраторном двигателе нагревается до 300— 350 °С, а воздух в дизельном двигателе — до 500—600 °С. В конце такта сжатия в карбюраторном двигателе проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется. В дизельном двигателе в цилиндр впрыскивается топливо, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется.
При сгорании горючей смеси газ расширяется и толкает поршень и соединенный с ним коленчатый вал, совершая механическую работу. Это приводит к тому, что газ охлаждается.
Когда поршень придёт в нижнюю точку, давление в нём уменьшится. При движении поршня вверх открывается клапан, и происходит выпуск отработавшего газа. В конце этого такта клапан закрывается.
Паровая турбина
Паровая турбина представляет собой насаженный на вал диск, на котором укреплены лопасти. На лопасти поступает пар. Пар, нагретый до 600 °С, направляется в сопло и в нём расширяется. При расширении пара происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Струя пара поступает из сопла на лопасти турбины и передаёт им часть своей кинетической энергии, приводя турбину во вращение. Обычно турбины имеют несколько дисков, каждому из которых передаётся часть энергии пара. Вращение диска передаётся валу, с которым соединён генератор электрического тока.
Удельная теплота сгорания топлива
При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива .
Удельная теплота сгорания топлива — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг.
Удельная теплота сгорания обозначается буквой q, её единицей является 1 Дж/кг.
Значение удельной теплоты определяют экспериментально. Наибольшую удельную теплоту сгорания имеет водород, наименьшую — порох.
Удельная теплота сгорания нефти — 4,4*10 7 Дж/кг. Это означает, что при полном сгорании 1 кг нефти выделяется количество теплоты 4,4*10 7 Дж. В общем случае, если масса топлива равна m, то количество теплоты Q, выделяющееся при его полном сгорании, равно произведению удельной теплоты сгорания топлива q на его массу:
Q = qm.
Читайте также: