Підручник Фізика 8 клас - М. I. Шут - Перун 2016 рік

Частина I ТЕПЛОВІ ЯВИЩА.

РОЗДІЛ 3. ТЕПЛОВА ЕНЕРГІЯ. ТЕПЛОКОРИСТУВАННЯ

· Чому зусилля енергетиків у всіх країнах світу спрямовані на удосконалення теплової електростанцій, підвищення їх надійності, ефективності та екологічної безпеки?

· Чим зумовлена величезна роль палива у розвитку сучасної цивілізації?

· Які види палива сьогодні є основними в Україні і в світі?

· Чому для економіки України важливе значення мають шахти Донбасу?

· Для чого людству альтернативні джерела енергії?

· Як одержують і де використовують мазут та дизельне пальне?

· Чому полум’я свічки жовтогаряче, а газової горілки - синє?

· Що таке чадний газ і чому він небезпечний для людини?

· Який вплив здійснюють теплові двигуни на навколишнє середовище?

· Чому проблеми теплової енергетики та теплокористування є нині такими глобальними ?

§ 15. ГОРІННЯ ПАЛИВА. ТЕПЛОТА ЗГОРЯННЯ ПАЛИВА

1. Яке значення палива для сучасної цивілізації? Паливо - джерело енергії, яке використовується практично у всіх галузях діяльності людини. Сьогодні ми вже не уявляємо свого життя без електричного освітлення, електропоїздів, побутових і промислових холодильників, телевізорів і комп’ютерів, систем опалення і вентиляції, а також величезної кількості іншого обладнання. Все це працює за рахунок електричної енергії, яка одержується на електростанціях при перетворенні теплової енергії згоряння палива. А Електрична енергія, яка виділяється при згорянні палива використовується також у більшості технологічних процесів (плавлення, зварювання), у сільському господарстві (доїння корів, робота елеваторів, інкубаторів). Автомашини усіх марок працюють на двигунах внутрішнього згоряння, де спалюється паливо.

Сьогодні в Україні, як і у всьому світі, основними видами палива є нафта, природний газ і вугілля. Нафта забезпечує 40% виробництва енергії, вугілля - 26%, природний газ - 24%. Щоденно у світі споживається близько 75000000 барелей нафти. Але запаси палива на нашій планеті не безмежні і традиційні джерела енергії вичерпуються. Крім того, їх використання створює багато проблем, які, в першу, чергу зводяться до забруднення повітря та створення парникового ефекту. Тому людство шукає альтернативні джерела енергії. До штучних альтернативних джерел енергії можна віднести: горючі рідини, спирти та їх суміші, рідке біологічне паливо, газ, одержаний при переробці твердого палива (кам’яне і буре вугілля, горючі сланці, торф, природні бітуми).

Основні види палива:

а) природний газ,

б) нафта,

в) вугілля.

Рис. 68, а. Види природного та штучного палива

2. Як виділяється енергія під час горіння палива? Спосіб отримання енергії внаслідок згоряння палива є одним з найстаріших та найбільш вживаним у сучасному житті.

Розглянемо процес горіння природного газу - метану. У процес горіння молекули метану СН4 взаємодіють з молекулами Оксигену О2, внаслідок чого відбувається хімічна реакція окислення. Продуктами реакції є молекула вуглекислого газу СО2 та дві молекули води Н2О (рис. 68, б). У таких реакціях відбувається розрив зв’язків між атомами в одних молекулах і утворення нових молекул з атомів. На розрив молекул енергія витрачається, а при утворенні молекул - виділяється, при цьому ці енергія не є рівними. Зокрема, у процесі горіння метану енергія, яка виділяється є більшою, ніж та, що витрачається,

тому ця реакція йде з виділенням енергії.

У процесі хімічної реакції окислення атоми Карбону з’єднуються з атомами Оксисену і утворюються молекули оксиду Карбону і води, що супроводжується вивільненням хімічної енергії та перетворенням її на теплову.

Теплоту, яка виділяється у процесі згоряння палива, називають теплотою згоряння палива.

Головною умовою здійснення процесу горіння є наявність пальної речовини, окислювача та джерела запалювання.

Для початку процесу горіння необхідна початкова енергія, яка розпочне процес горіння. Найчастіше за все - це нагрівання пальної речовини або внесення у неї іншої речовини, яка є розжареною (або горить). Так, для запалювання газової горілки ви підносите до неї сірник або електричну запальничку.

У процесі горіння (тобто хімічних реакцій окислення) виділяється значна кількість теплоти. Ця теплота поглинається молекулами навколишнього середовища, внаслідок чого енергія теплового руху молекул прогресуюче зростає. Тому під час горіння температура середовища швидко підвищується до декількох тисяч градусів і часто супроводжується утворенням полум’я.

3. Питома теплота згоряння палива. Різні види палива мають неоднакову внутрішню будову (зокрема, різним є вміст вуглецю у різних видах палива). Тому під час згоряння однакової маси палива різних видів виділяється різна кількість теплоти.

Рис. 68, б.

Горіння — це фізико-хімічний процес з’єднання молекул кисню з речовиною, який є швидкоплинним, само- підтримуваним і супроводжується виділенням теплоти і світла.

У повітрі міститься близько 21% кисню. Якщо вміст кисню знижується до 14-18%о, то горіння для більшості речовин стає неможливим. Лише водень, етилен, ацетилен горять при вмісті кисню у повітрі близько 10%).

Горіння супроводжується утворенням шкідливих для людини речовин - вуглекислого газу СО2 та чадного газу СО.

Фізичну величину, що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згорянні палива масою 1 кг, називають питомою теплотою згоряння палива. Питому теплоту згоряння палива позначають літерою q.

Таким чином, щоб обчислити кількість теплоти, яка виділяється при повному згорянні пальної речовини масою m, треба питому теплоту згоряння палива помножити на масу речовини:

Q = r ∙ m.

Одиницею питомої теплоти згоряння палива

1 ∙ [q] = .

Значення питомої теплоти згоряння різних видів палива визначається дослідним шляхом і наводиться у таблицях (див. табл. 6).

Питома теплота згоряння деяких видів палива

Таблиця 6.

Назва палива

q,

Назва палива

q,

Дрова сухі

1,23 -107

Природний газ

4,56 - 107

Торф

1,4 - 107

Пропан

8,4 - 107

Кам’яне вугілля

3,03 -107

Нафта

4,4 - 107

Спирт

2,7 - 107

Бензин

4,6 - 107

Антрацит

3,0 -107

Гас

4,6 - 107

Деревне вугілля

3,4 -107

Мазут

4,2 - 107

Дизельне паливо

4,2 - 107

Гідроген

12 - 107

Визначимо за допомогою таблиці значення питомої теплоти згоряння кам'яного вугілля:

q = 2,7 ∙ 107 .

Це означає, що внаслідок повного згоряння 1 кг кам’яного вугілля виділяється 2,7 ∙ 107Дж енергії. Найбільшу (з наведених у табл. 6) питому теплоту згоряння має водень:

q = 2,7 ∙ 107 .

Отже, водень є майже в чотири рази енергетично ефективнішим наливом, ніж кам’яне вугілля, і втричі — ніж нафта і нафтопродукти (бензин, гас, мазут тощо).

Сьогодні інженери-конструктори багатьох країн світу працюють над проектами теплових двигунів, у яких би окислювався Гідроген (двигуни на водневому паливі). Використання цього виду палива вигідне не лише економічно, а й з точки зору екології. Внаслідок згоряння водню утворюється чиста вода, а не шкідливі для організму людини вуглекислий і, особливо, чадний гази.

4. Тяга. Для підтримання горіння необхідний приплив повітря, багатого на кисень, без якого горіння припиняється. Для цього створюють додатковий приплив повітря - тягу. Цей метод заснований на використанні явища конвекції і полягає у застосуванні системи «топка - труба» (рис. 69, а). Під час горіння палива у топці повітря в ній і в трубі нагрівається, його густина зменшується і воно піднімається вгору. Тиск повітря в топці й трубі стає меншим від тиску зовнішнього повітря, а тому на місце теплого повітря через піддувало надходить холодне повітря - так створюється тяга. Чим вищою є витяжна труба, тим більша тяга. На рис. 69, б показано схему створення тяги у каміні.

Рис. 69, а, б. Для збільшення припливу повітря та забезпечення умов горіння створюють тягу: в) над топками котельних установок фабрик, заводів, електростанцій встановлюють труби (на фото витяжна труба Київського завода по спаленню сміття); г) схема створення тяги у каміні;

5. Застосування формули питомої теплоти згоряння палива для розв’язування задач. Знаючи питому теплоту згоряння палива, можна обчислити кількість теплоти Q, яка виділилась від згоряння будь-якої маси m палива:

Q = q ∙ m.

Застосовуючи одержану формулу, можна розрахувати потребу в паливі даного виду:

Задача. В опалювальному котлі спалили 5 т торфу. Якою масою кам’яного вугілля можна було б замінити торф, що згорів?

Розв’язання

Масу кам’яного вугілля визначаємо за формулою:

MК.В = QК.В.

За умовою задачі внаслідок згоряння кам’яного вугілля має виділитись така сама кількість теплоти, як і при згорянні торфу:

QК.В. = QТ = QТ ∙ mт , a QК.В. = QК.К. ∙ MК.В.

Тоді qт mт = qк.в. ∙ mк.в., звідки mк.в. =

З таблиці 6 знаходимо значення питомої теплоти згоряння торфу qт і кам’яного вугілля qк.в. :

Перевіримо правильність одиниці шуканої величини за розрахун

ковою формулою:

Обчислення:

Відповідь: mк.в. ~ 2,6 ∙ 103(кг).

ПОГЛИБТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

Що таке чадний газ і чому він є небезпечним для людини? У процесі горіння відбувається також реакція об’єднання одного атома Карбону з одним атомом Оксигену, внаслідок чого утворюється молекула так званого чадного газу СО: С + 0 = СО. Чадний газ - це небезпечна отрута, яка не має запаху. Його попадання в організм людини блокує процеси транспортування кисню та унеможливлює клітинне дихання. Основним джерелом чадного газу в атмосфері є лісові пожежі та викиди промислових підприємств, вихлопні газі автотранспорту. Утворюється чадний газ внаслідок неповного згоряння різних видів палива.

Від теорії до практики

Що таке мазут та дизельне пальне і де вони використовуються?

Мазут та дизельне пальне є продуктами переробки нафти. Мазут застосовується у якості палива для котельних установок та промислових печей. Дизельне пальне (або солярка) використовується для залізничного, вантажного та водного транспорту, у сільськогосподарській техніці. Але для автомобільних двигунів треба використовувати високоякісне дизельне пальне, яке значно відрізняється від солярки.

Розширте науковий кругозір

Чому полум’я свічки жовтогаряче, а газової горілки - голубе?

Відповідь на це запитання ви знайдете на рис. 70.

Рис. 70. Колір полум’я залежить від того, які речовини у ньому згоряють: а) газова горілка світиться голубим кольором, тому що у полум’ї газової горілки присутній чадний газ СО; б) жовтогарячий колір верхівки полум’я свічки обумовлений світінням частинок сажі, які піднімаються вгору потоком гарячого повітря (сажа - це мікрочастинки, які містять Карбон, що не встиг згоріти).

Подумайте і дайте відповідь

1. Чому паливо має величезне значення для сучасної цивілізації? Назвіть основні види палива.

2. На прикладі горіння метану поясніть, яку цьому процесі виділяється енергія.

3. Дайте означення процесу горіння. Які умови та основні характеристики процесу горіння?

4. Що називають теплотою згоряння палива? питомою теплотою згоряння палива? Яка одиниця питомої теплоти згоряння палива?

5. Для чого у процесі горіння необхідно створювати і підтримувати тягу?

6. Запишіть формулу, за якою визначають кількість теплоти, що виділяється під час згоряння палива.

7. Чому водень є найбільш економічно вигідним видом палива?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 15.

1. Яка кількість теплоти виділяється при згорянні 1 кг сухих дров? природного газу?

2. Яка енергія виділяється при повному згорянні паливної суміші, що складається з бензину об’ємом 1,5 л і спирту об’ємом 0,5 л? Густина бензину 0,7 ∙ 105, густина спирту — 0,8 ∙ 103 .

3. Яку масу природного газу слід спалити, щоб нагріти 20 кг води від 14 °С до 50 °С, якщо вся теплота, що виділиться внаслідок згоряння газу, витратиться на нагрівання води?

4. Якщо паливо згоряє в повітрі, то значна частина енергії, що виділяється, йде на нагрівання газів (переважно азоту), які не беруть участі в горінні. Коли буде досягнуто вищої температури полум’я - коли один і той самий газовий пальник горить у повітрі чи у кисні? Відповідь обґрунтуйте.





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