Підручник Фізика 8 клас - Т. М. Засєкіна - Оріон 2016 рік

РОЗДІЛ 1.ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

§ 15. ЗГОРАННЯ ПАЛИВА. РОЗРАХУНОК КІЛЬКОСТІ ТЕПЛОТИ ВНАСЛІДОК ЗГОРАННЯ ПАЛИВА

Ви дізнаєтесь

- Які фізичні й хімічні процеси відбуваються під час горіння

- Яке паливо є найкращим джерелом енергії

Пригадайте

- Чим фізичні явища відрізняються від хімічних

Горіння. Досить часто людина добуває теплову енергію, спалюючи різні речовини. Це пояснюється тим, що горіння супроводжується виділенням теплоти.

Горіння — це фізико-хімічний процес, під час якого відбувається окиснення речовини із виділенням теплоти і світла.

Горіння відбуватиметься, якщо є: горюча речовина, окисник і джерело займання. Перебіг горіння залежить від співвідношення кількості горючої речовини й окисника, а також енергетичної спроможності джерела займання.

Ми не будемо розглядати всі можливі фізико- хімічні процеси горіння й види горючих речовин, зупинимося лише на деяких із них. Зокрема, на процесах горіння, пов’язаних із окисненням вуглецю. Звичайне паливо1 (вугілля, нафта, бензин тощо) містить вуглець. Під час горіння атоми вуглецю сполучаються з атомами кисню, який є в повітрі. Кожний атом вуглецю сполучається з двома атомами кисню, утворюючи молекулу оксиду вуглецю (IV) (вуглекислого газу). Реакція супроводжується виділенням енергії (мал. 64). Розрізняють повне та неповне згорання палива. У процесі повного згорання вся хімічна енергія палива переходить у теплову.

Щоб розпочався процес горіння, потрібне джерело займання (мал. 65). Так, щоб запалити речовину в повітрі, спочатку потрібно нагріти її до певної температури — температури займання.

1В українській мові розрізняють такі поняття: паливо — горюча речовина (дрова, вугілля, нафта, газ і т. ін.), яка використовується для одержання теплової енергії, тепла; пальне — паливо для двигунів; речовина, що є джерелом енергії під час її спалювання у двигунах, котельних та інших енергетичних установках.

Мал. 64. Реакція горіння

Мал. 65. Умови початку горіння

Температура горіння сірника 1500 °С

Температура полум’я 750-850 °С

Температура займання дров 180-200 °С

Температура горіння дров 800-1000 °С

Для різних речовин вона різна. Так, наприклад, дерево займається за температури приблизно 200 °С, вугілля — 350 °С.

Теплота, що виділяється під час горіння, підтримує температуру речовини вищою за температуру займання, унаслідок чого горіння підтримується самостійно.

Важливо знати, що для припинення горіння речовину, що горить, потрібно охолодити до температури, нижчої від температури займання, або припинити доступ кисню. Ці обидва способи використовують під час гасіння пожежі водою. Коли вода потрапляє на джерело вогню, вона випаровується й відбирає від тіл, що горять, теплоту. Їхня температура різко зменшується. Водяна пара, що утворюється, утруднює доступ кисню, і горіння припиняється.

Обчислення кількості теплоти, що виділяється внаслідок згорання палива. Питома теплота згорання. Процес горіння супроводжується виникненням полум’я (теплом і світлом) та виділенням диму (продуктів згорання). З фізичної точки зору нас буде цікавити питання: від чого залежить кількість теплоти, що виділяється під час горіння?

Природно, що різні речовини під час горіння виділяють різну кількість теплоти, тобто горючі речовини можна порівнювати за певною фізичною величиною. Такою величиною є питома теплота згорання.

Питома теплота згорання палива — це фізична величина, що показує, яка кількість теплоти виділяється в результаті повного згорання палива масою 1 кг.

Питому теплоту згорання палива позначають літерою q (читається «кю»), її одиниця —·

Є різні види палива: тверде (дрова, вугілля, сланці, торф); рідке (бензин, гас, дизельне пальне, спирт та ін.); газоподібне (метан, пропан, бутан, ацетилен та ін.). У таблиці на форзаці наведено значення їх питомої теплоти згорання.

Щоб обчислити кількість теплоти, яка виділяється від згорання будь-якої маси палива, треба питому теплоту згорання помножити на масу палива, що згоріло:

Qзг = qm .

Коефіцієнт корисної дії нагрівника. Для теплообміну часто застосовують нагрівники, за допомогою яких можна використати теплоту згорання палива, — газові пальники, спиртівки, печі. Кількість теплоти, яка утворюється в нагрівнику під час згорання палива, частково йде на нагрівання тіл, а частина її витрачається (розсіюється в навколишнє середовище, поглинається самим нагрівником тощо). Тому кажуть про коефіцієнт корисної дії (ККД) нагрівника показує, яку частину становить кількість теплоти, що йде на нагрівання (Q), по відношенню до кількості теплоти, що виділяється від згорання палива (Qзг):

ККД = · 100%.

ККД нагрівника характеризує ефективність використання теплоти, отриманої внаслідок згорання палива. Для того щоб підвищити ККД нагрівника, необхідно збільшувати корисну енергію, тобто зменшувати втрати теплоти не за призначенням.

Підбиваємо підсумки

Горіння — це фізико-хімічний процес, який супроводжується виділенням теплоти і світла.

Питомою теплотою згорання палива (q) називають фізичну величину, що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згоранні 1 кг цього виду палива.

Загальна кількість теплоти Q, що виділяється внаслідок згорання деякої маси т палива, обчислюється за формулою: Q = qm.

Я знаю, вмію й розумію

1. Що таке горіння? Опишіть фізичне явище, що лежить в основі використання палива як джерела енергії.

2. Чому для одержання теплової енергії використовують паливо?

3. Що називають питомою теплотою згорання палива? Які види палива мають найбільшу питому теплоту згорання?

4. Що характеризує ККД нагрівника?

ПОЯСНІТЬ

1. Чому одним сірником можна запалити дерев’яну тріску, але неможливо запалити великий шматок деревини?

2. Чому, гасячи багаття, його розгортають по землі?

3. Як правильно прочитати вираз q= :

а) «питома теплота згорання прямо пропорційна кількості теплоти, що виділяється, й обернено пропорційна масі пального, що згоріло»; б) «питома теплота згорання палива чисельно дорівнює кількості теплоти, що виділяється внаслідок повного згорання 1 кг такого палива»?

ВЧИМОСЯ РОЗВ'ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ

Задача 1

Яка кількість теплоти виділиться під час згорання 40 кг кам’яного вугілля? Скільки води можна нагріти від 10 до 60 °С, витративши всю теплоту на її нагрівання?

Розв’язання:

Унаслідок згорання палива виділяється кількість теплоти: Qзг = qm,

Q = 25·106 · 40кг=1000·106 Дж = 109 Дж .

З формули кількості тепло ти Q = cm(t -t0) визначаємо масу води, враховуючи, що

Q = 109 Дж , m = =4800кг.

Відповідь: Q = 109 Дж , m = 4800кг

Задача 2

Скільки треба спалити спирту, щоб на

гріти 0,5 л води від 20 до 80 °С, якщо для нагрівання води витрачається 60 % теплоти, що виділяється під час згорання спирту?

СІ 0,5·10-3м3

Розв’язання:

Масу води визначаємо за її густиною та об’ємом:

m1 = pV = 103 · 0,5 ·10-3м3 =0,5 кг.

Враховуючи, що ККД нагрівника показує, яку частину становить кількість теплоти, що йде на нагрівання, по відношенню до кількості теплоти, що виділяється від згорання палива, можна записати:

η= = , або ηqm2 = сm1(t-t0).

Маса спирту, що згорає: m2 =.

m2 = 0,008 кг

Відповідь: m2 0,008 кг .

Вправа

1. Яку масу води, узятої за температури 10 °С, можна нагріти до 50 °С, спаливши 30 г спирту, якщо вважати, що вся теплота, що виділяється під час згорання спирту, піде на нагрівання води?

2. На скільки більше теплоти виділяється в результаті повного згорання бензину масою 7 кг порівняно із повним згоранням кам’яного вугілля тієї самої маси?

3. Чи однаково прогріється піч, якщо в ній спалювати сухі дрова масою 14,5 кг або кам’яне вугілля масою 8 кг? Час горіння вважайте однаковим.

4. Яка кількість теплоти виділяється внаслідок повного згорання пальної суміші, що складається з бензину об’ємом 2 л і спирту об’ємом 1,5 л? Яким має бути відношення маси бензину до маси спирту, щоб питома теплота згорання цієї суміші становила 42 МДж/кг?

Мал. 66. До завдання 6

Мал. 67 До завдання 7

5. Унаслідок згорання палива масою 5 кг виділилось 210 МДж теплоти. Що це за паливо?

6. На малюнку 66 зображено графіки залежності кількості теплоти, що виділяється внаслідок згорання двох видів палива (І і ІІ), від їхньої маси. Визначте питому теплоту згорання кожного з видів палива. У скільки разів кількість теплоти, що виділяється внаслідок згорання 0,3 кг палива І, менша від кількості теплоти, що виділяється внаслідок згорання 0,3 кг палива II?

7. Використовуючи графіки (мал. 67) залежності питомої теплоти згорання палива для двох видів палива (І і ІІ) від їхньої маси, визначте сумарну кількість теплоти, що виділяється внаслідок повного згорання палива І масою 2 кг і палива II масою 3 кг. Що це за види палива?

8. На скільки градусів можна нагріти воду масою 20 кг, спаливши гас масою 100 г, якщо вважати, що теплота, яка виділяється в результаті згорання, повністю піде на нагрівання води?

9. Скільки енергії виділилось під час горіння спиртівки, якщо вода масою 100 г нагрілась від 30 до 80 °С, а теплота, затрачена на нагрівання води, становить 20 % тієї теплоти, що виділилась?

10. Сталева пилка масою 3 кг під час роботи протягом 5 хв нагрілася на 100 °С. Вважаючи, що на нагрівання пилки пішло 60 % усієї енергії, визначте виконану роботу та корисну потужність, що розвивається при цьому.

У всьому світі понад 80 % теплової та електричної енергії одержують, спалюючи природне органічне паливо та перетворюючи його хімічну енергію на електричну й теплову. Найпоширенішими видами пального є нафта, кам’яне вугілля та природний газ. На малюнку показано співвідношення запасів цих видів пального у світі та в Україні.

Унаслідок інтенсивного використання невідновлюваних паливно-енергетичних ресурсів планети у ХХ ст. їх запаси значно зменшилися. Адже корисні копалини утворюються природою впродовж віків, а витрачаються практично миттєво. Їх запаси не безмежні й вимагають раціонального використання. Для економік багатьох країн світу постає проблема енергетичної кризи, оскільки практично всі галузі промисловості залежать від енергії, що отримується внаслідок згорання палива.

Це безпосередньо стосується й енергетики України. Щоб пересвідчитись у цьому, достатньо проаналізувати загальні дані споживання основних видів органічного палива країнами світу й Україною.

Нафту, природний газ і вугілля спалюють у таких кількостях, що продукти їх згорання (шкідливі й токсичні газові викиди та аерозолі) змінюють склад повітря, забруднюють воду та ґрунти. В атмосферу щорічно викидаються десятки мільярдів тонн шкідливих речовин. Серед них: парникові гази (вуглекислий газ (СО2), метан), надмірна концентрація яких, на думку деяких учених, призводить до збільшення середньої температури на поверхні Землі; оксид вуглецю СО, що в побуті називають чадним газом і який є дуже токсичним; сажові частинки, що згубно діють на дихальні органи людини й спричинюють онкологічні захворювання.

Протягом мільйонів років існувала природна рівновага вмісту СО2 в атмосфері. Молекули СО2 добре пропускають сонячне випромінювання, що надходить із космосу, але поглинають теплове випромінювання, що йде від поверхні Землі. Це, на думку деяких учених, і є причиною поступового підвищення температури атмосфери. Зниження концентрації СО2 призводить до зниження середньорічної температури планети: якби в атмосфері зовсім не було СО2, уся поверхня Землі вкрилася б кригою, а середньорічна температура не перевищувала б рівня 6-10 °С. Відповідно збільшення вмісту СО2 зумовить підвищення температури.

У той же час інші продукти згорання — пил, зола, сажа, токсичні речовини (свинець, ртуть, кадмій) — розсіюють сонячне світло, тому значна його частина не досягає поверхні Землі, що призводить до зниження температури. У результаті відбуваються коливання температури земної атмосфери.

Іншими шкідливими продуктами згорання є: діоксид сірки, або сірчистий ангідрид SО2, — один із найтоксичніших газів, який впливає на окиснювання, руйнує матеріали, завдає шкоди здоров’ю людини; оксиди азоту (N2О, NО, N2О3, NО2 N2О4 і N2О5) й озон О3, які шкідливо впливають на здоров’я людини, зумовлюють утворення «парникового ефекту» й руйнацію озонового шару, спричинюють «вимирання» лісів і «кислотні дощі».

Величезного екологічного та економічного лиха завдають пожежі.



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