Підручник Фізика 8 клас - В.Д. Сиротюк - Генеза 2016 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

§ 13. ЗГОРЯННЯ ПАЛИВА

Основним джерелом енергії для забезпечення руху залізничних локомотивів, автомобілів і тракторів, літаків тощо є різні види палива. У промисловості, на транспорті та в побуті використовують такі види палива: вугілля, горючі сланці, нафту, бензин, дизельне паливо, природний газ тощо.

З’ясуємо, за яких умов відбувається повне згоряння палива і які його наслідки.

Дослід 1. Запалимо свічку. Вона буде горіти. Накриємо її скляною посудиною (мал. 86, а). Через певний час свічка згасне (мал. 86, б). Чому?

Мал. 86

Процес горіння відбувається за наявності повітря.

Дослід 2. Циліндр з поршнем з’єднуємо зі скляною кулею. На поршень ставимо гирю. Нагріваємо кулю, спалюючи сухе паливо. Повітря, яке нагрівається в кулі, розширюється і виштовхує поршень, піднімаючи гирю, тобто виконує роботу.

Під час спалювання палива виділяється енергія, за рахунок якої може виконуватися робота.

Вугілля, нафта, мазут, дерево містять вуглець (табл. 6). Під час горіння молекули Карбону сполучаються з молекулами Оксигену, який міститься в повітрі. Кожна молекула Карбону взаємодіє з двома молекулами Оксигену, утворюючи при цьому молекулу вуглекислого газу. Під час утворення цієї молекули виділяється енергія.

Під час повного згоряння 1 моля вуглецю утворюється вуглекислий газ і виділяється енергія:

С + О2 = СО2 + 402 кДж.

Горіння пов’язане з руйнуванням одних молекул і утворенням інших, наприклад, під час горіння метану утворюються вуглекислий газ і вода (мал. 87) з виділенням енергії:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О.

Мал. 87

Під час горіння зміна внутрішньої енергії речовини відбувається не шляхом теплообміну чи виконання роботи тілом або над тілом, а в результаті термохімічних реакцій за участю палива. При цьому енергія руху молекул продуктів згоряння, а отже і їхня температура, буде більшою, ніж у молекул палива.

Горіння палива — це процес сполучення молекул палива з молекулами Оксигену, який супроводжується виділенням певної кількості теплоти і утворенням нових речовин (табл. 6).

Основні характеристики певних видів палива

Таблиця 6

Назва палива

Дерево сухе

Кам’яне вугілля

Мазут

Склад палива

Органічні речовини (83 %), у тому числі:

Вуглець (50 %)

Кисень (43 %)

Водень(6 %)

Азот (1 %)

Мінеральні речовини(2 %)

Вода (15 %)

Вуглець (78 %)

Водень (5 %)

Кисень (6,4 %)

Азот (1,4 %)

Сірка (0,7 %)

Шлак (7,3 %)

Волога (1,2 %)

(Антрацит містить 95 % вуглецю)

Вуглець (82-86 %)

Водень (11-14 %)

Сірка (до 0,5 %)

Температура загоряння палива (за присутності повітря і під час контакту з полум’ям)

300 °С

600 °С

55 °С

Спалювання 1 кг палива потребує

3,5 м3 повітря

9 м3 повітря

11 м3 повітря

Після повного згоряння 1 кг палива виділяється

4 м3 суміші:

вуглекислого газу;

пари води;

азоту

9,5 м3 суміші:

вуглекислого газу;

пари води;

азоту;

двоокису сірки

11,5 м3 суміші:

вуглекислого газу;

пари води;

азоту;

двоокису сірки

Кількістю теплоти, яка виділяється під час повного згоряння 1 кг палива, можна нагріти до температури кипіння

40 л води

100 л води

125 л води

Дослід 3. Дві однакові склянки наповнимо водою однакової маси. Під однією склянкою запалимо одну таблетку сухого палива, а під другою - дві таблетки. Температуру води в склянках виміряємо за допомогою термометрів. Після повного згоряння сухого палива температура води у другій склянці виявиться вищою, ніж у першій.

Кількість теплоти, яка виділяється під час повного згоряння палива, залежить від маси палива.

Під час конструювання і виготовлення теплових двигунів завжди треба знати, яка кількість теплоти потрібна для роботи певного двигуна, а отже, враховувати вид палива. Для визначення потрібної кількості палива треба знати, яка кількість теплоти виділяється під час повного його згоряння. Щоб порівнювати, який вид палива під час його повного згоряння виділяє більше теплоти, ввели фізичну величину - питому теплоту згоряння палива.

Кількість теплоти, яка виділяється під час повного згоряння 1 кг палива, називають питомою теплотою згоряння палива.

Питому теплоту згоряння палива позначають малою латинською літерою q. Одиницею питомої теплоти згоряння палива в СІ є один джоуль на кілограм (1 Дж/кг). На практиці здебільшого застосовують кратну величину - один мегаджоуль на кілограм (1 МДж/кг).

1 МДж/кг = 1000 000 Дж/кг.

Питома теплота згоряння палива - це фізична величина, що є енергетичною характеристикою різних видів палива.

Її значення для поширених видів палива наведено в таблиці 7.

Питома теплота згоряння палива

Таблиця 7

Назва палива

Теплота згоряння палива

Назва палива

Теплота згоряння палива

Назва палива

Теплота згоряння

палива

q, МДж/кг

q, МДж/кг

q, МДж/кг

Деревне

34

Бензин

46

Водень

120

вугілля

Гас

46

Метан

50

Антрацит

30

Нафта

44

Ацетилен

48,1

Кам’яне

27

Дизельне

42,7

Природний

44

вугілля

паливо

газ

Буре вугілля

17

Мазут

41

Пропан

42,4

Торф

14

Ефір

34

Аміак

18,4

Тротил

15

Спирт

27

Окис

10,1

Дрова сухі

11

етиловий

вуглецю

Дрова сирі

8

Спирт

25

Порох

3,8

Спирт

метиловий

19,5

Умовне паливо 30

Умовне паливо - узагальнена одиниця обліку органічного палива - нафти і її похідних, сланців і кам’яного вугілля, газу, торфу, що використовується для обчислення коефіцієнта корисної дії різних видів палива.

Зауважимо, що наведені у таблиці 7 дані відповідають кількості теплоти, що виділяється під час повного згоряння палива.

Щоб підрахувати, яка кількість теплоти виділиться під час повного згоряння 5 кг гасу, треба міркувати так. Під час згоряння 1 кг гасу виділяється 46 МДж теплоти. Коли згорить 5 кг гасу, кількість виділеної теплоти буде в 5 разів більша, а саме: 46 МДж ∙ 5 = 230 МДж.

Щоб визначити кількість теплоти Q, яка виділяється внаслідок повного згоряння даної маси певного виду палива, треба питому теплоту згоряння цього виду палива q помножити на масу палива m: Q = qm.

ЦЕ ЦІКАВО ЗНАТИ

Під час неповного згоряння вуглецю, що міститься в паливі, у печах або котлах, у двигунах внутрішнього згоряння виділяється оксид вуглецю (чадний газ): 2С + О2 = 2СО. Ця сполука - сильна отрута! Вона не має кольору, запаху (у чистому вигляді), трохи легша за повітря, погано розчиняється у воді, має дуже низьку температуру кипіння (-191,5 °С). Чадний газ краще, ніж кисень, сполучається з гемоглобіном крові. Виникає кисневе голодування, що супроводжується головним болем, непритомністю. Якщо в повітрі приміщення міститься 0,4 % чадного газу, то внаслідок сильного отруєння настає смерть. Щоб надати першу допомогу потерпілому, потрібно його винести на свіже повітря і зробити штучне дихання.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Що називають питомою теплотою згоряння палива?

2. Які види палива мають найбільшу питому теплоту згоряння? Найменшу?

3. Якими способами досягають повного згоряння палива?

ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ

Розв’язуємо разом

1. Кожне паливо за присутності повітря і в контакті з вогнем загоряється за певної температури: наприклад, мазут - за температури 55 °С; суха деревина - за температури 300 °С; кам’яне вугілля - за температури 600 °С. Чи можна розпалити котел, засипавши у нього кам’яне вугілля першим?

Відповідь: не можна, кам’яне вугілля не загориться, тому що в котлі не досягнуто відповідної температури.

2. Яку кількість води можна нагріти від 0 до 100 °С, спаливши 1 кг водню?

Розв’язання

Кількість теплоти, яка виділяється за повного згоряння палива, визначаємо за формулою: Q = qm.

Кількість теплоти, яку потрібно затратити для нагрівання води, визначаємо за формулою: Q = сmв(t2 - t1).

Вважаємо, що вся енергія, яка виділилася під час спалювання водню, піде на нагрівання води. Тоді: qm = сmв(t2 - t1).

Звідси

Підставивши значення величин, отримаємо:

Відповідь: 285,7 кг.

Рівень А

95. Назвіть усі види палива, які ви знаєте.

96. Які види палива використовують для опалювання в Україні?

97. Що означає запис: «теплота згоряння антрациту 3,0 ∙ 107 Дж/кг, сухих дров 1,1 ∙ 107 Дж/кг»?

98. Чи однакову кількість дров, кам’яного вугілля, торфу треба спалити в грубці, щоб нагріти повітря кімнати до однакової температури?

99. Чому під час спалювання сирих дров виділяється менша кількість теплоти, ніж від спалювання сухих?

100. У котлі спалили 12 кг кам’яного вугілля. Яка кількість теплоти при цьому виділилась?

Рівень Б

101. Спалюють 2 кг кам’яного вугілля, яке містить 90 % чистого вуглецю. Визначте масу вуглекислого газу, який під час цього виділяється, якщо під час спалювання 12 г чистого вуглецю виділяється 44 г вуглекислого газу.

102. Вуглекислий газ складається з двох хімічних елементів: Карбону (27,2 %) і Оксигену (72,8 %). Визначте, яка маса кисню міститься в 50 г вуглекислого газу, яка маса вуглецю міститься в 25 г вуглекислого газу? Які маси вуглецю і кисню треба поєднати, щоб отримати 200 г вуглекислого газу?

103. Розміри кімнати: довжина - 4 м, ширина - 2,8 м, висота - 2,5 м. Яка маса сухої деревини може повністю згоріти, використавши весь кисень, що міститься в повітрі кімнати? Повне спалювання 10 кг сухої деревини потребує 7 м3 кисню. За нормального атмосферного тиску об’єм кисню становить 0,2 від об’єму повітря в кімнаті.

104. Яка кількість теплоти виділиться під час повного згоряння 15 кг деревного вугілля? 7 кг спирту? Порівняйте ці кількості теплоти. Зробіть висновки.

105. На скільки градусів можна було б нагріти 2 кг води під час повного спалювання 10 г спирту, якби вся виділена енергія пішла на нагрівання води?

106. За графіком залежності (мал. 88) кількості теплоти, яка виділяється під час повного згоряння метану (1), бензину (2), антрациту (3), бурого вугілля (4), сухого торфу (5), горючих сланців (6), свіжої деревини (7) і твердого ракетного палива (3), від маси палива визначте:

а) кількість теплоти, яка виділяється під час повного згоряння 2 кг сухого торфу;

б) питому теплоту згоряння бензину;

в) яке паливо має найбільшу питому теплоту згоряння; найменшу;

г) скільки деревини треба спалити, щоб виділилося 20 МДж енергії;

Мал. 88

д) яку масу горючих сланців треба спалити, щоб одержати таку саму кількість теплоти, як і в результаті повного згоряння 0,5 кг бензину;

е) скільки антрациту треба спалити, щоб нагріти цинкове відро з водою від 0 до 100 °С. Маса відра - 1 кг, об’єм - 10 л.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити