Что означает удельная теплота сгорания торфа равна
Удельная теплота сгорания
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).
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 определенных процессов.
Существует четыре группы видов топлива:
К твердому топливу относятся:
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.
Под ядерным топливом обычно имеют в виду изотопы урана — подробнее об этом мы рассказали в статье «Ядерный реактор».
Удельная теплота сгорания топлива
Теплота сгорания топлива определяет количество полностью сгоревшего горючего и полученную при этом процессе энергию. Эта величина определяет энергетическую ценность топлива.
Удельная теплота 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 определяется экспериментально достаточно непростыми методами.
Ниже представлены таблицы с некоторыми значениями удельной теплоты сгорания.
Твердое топливо
Вещество
Удельная теплота сгорания,
Удельная теплота сгорания топлива и горючих материалов
В таблицах представлена массовая удельная теплота сгорания топлива (жидкого, твердого и газообразного) и некоторых других горючих материалов. Рассмотрено такое топливо, как: уголь, дрова, кокс, торф, керосин, нефть, спирт, бензин, природный газ и т. д.
При экзотермической реакции окисления топлива его химическая энергия переходит в тепловую с выделением определенного количества теплоты. Образующуюся тепловую энергию принято называть теплотой сгорания топлива. Она зависит от его химического состава, влажности и является основным показателем топлива. Теплота сгорания топлива, отнесенная на 1 кг массы или 1 м 3 объема образует массовую или объемную удельную теплоты сгорания.
Различают высшую и низшую удельные теплоты сгорания. Высшая теплота сгорания равна максимальному количеству теплоты, выделяемому при полном сгорании топлива, с учетом тепла затраченного на испарение влаги, содержащейся в топливе. Низшая теплота сгорания меньше значения высшей на величину теплоты конденсации водяного пара, который образуется из влаги топлива и водорода органической массы, превращающегося при горении в воду.
Для определения показателей качества топлива, а также в теплотехнических расчетах обычно используют низшую удельную теплоту сгорания, которая является важнейшей тепловой и эксплуатационной характеристикой топлива и приведена в таблицах ниже.
Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)
В таблице представлены значения удельной теплоты сгорания сухого твердого топлива в размерности МДж/кг. Топливо в таблице расположено по названию в алфавитном порядке.
Наибольшей теплотворной способностью из рассмотренных твердых видов топлива обладает коксующийся уголь — его удельная теплота сгорания равна 36,3 МДж/кг (или в единицах СИ 36,3·10 6 Дж/кг). Кроме того высокая теплота сгорания свойственна каменному углю, антрациту, древесному углю и углю бурому.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Антрацит | 26,8…34,8 |
| Древесные гранулы (пиллеты) | 18,5 |
| Дрова сухие | 8,4…11 |
| Дрова березовые сухие | 12,5 |
| Кокс газовый | 26,9 |
| Кокс доменный | 30,4 |
| Полукокс | 27,3 |
| Порох | 3,8 |
| Сланец | 4,6…9 |
| Сланцы горючие | 5,9…15 |
| Твердое ракетное топливо | 4,2…10,5 |
| Торф | 16,3 |
| Торф волокнистый | 21,8 |
| Торф фрезерный | 8,1…10,5 |
| Торфяная крошка | 10,8 |
| Уголь бурый | 13…25 |
| Уголь бурый (брикеты) | 20,2 |
| Уголь бурый (пыль) | 25 |
| Уголь донецкий | 19,7…24 |
| Уголь древесный | 31,5…34,4 |
| Уголь каменный | 27 |
| Уголь коксующийся | 36,3 |
| Уголь кузнецкий | 22,8…25,1 |
| Уголь челябинский | 12,8 |
| Уголь экибастузский | 16,7 |
| Фрезторф | 8,1 |
| Шлак | 27,5 |
Удельная теплота сгорания жидкого топлива (спирта, бензина, керосина, нефти)
Приведена таблица удельной теплоты сгорания жидкого топлива и некоторых других органических жидкостей. Следует отметить, что высоким тепловыделением при сгорании отличаются такие топлива, как: бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и нефть.
Удельная теплота сгорания спирта и ацетона существенно ниже традиционных моторных топлив. Кроме того, относительно низким значением теплоты сгорания обладает жидкое ракетное топливо и этиленгликоль — при полном сгорании 1 кг этих углеводородов выделится количество теплоты, равное 9,2 и 13,3 МДж, соответственно.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Ацетон | 31,4 |
| Бензин А-72 (ГОСТ 2084-67) | 44,2 |
| Бензин авиационный Б-70 (ГОСТ 1012-72) | 44,1 |
| Бензин АИ-93 (ГОСТ 2084-67) | 43,6 |
| Бензол | 40,6 |
| Дизельное топливо зимнее (ГОСТ 305-73) | 43,6 |
| Дизельное топливо летнее (ГОСТ 305-73) | 43,4 |
| Жидкое ракетное топливо (керосин + жидкий кислород) | 9,2 |
| Керосин авиационный | 42,9 |
| Керосин осветительный (ГОСТ 4753-68) | 43,7 |
| Ксилол | 43,2 |
| Мазут высокосернистый | 39 |
| Мазут малосернистый | 40,5 |
| Мазут низкосернистый | 41,7 |
| Мазут сернистый | 39,6 |
| Метиловый спирт (метанол) | 21,1 |
| н-Бутиловый спирт | 36,8 |
| Нефть | 43,5…46 |
| Нефть метановая | 21,5 |
| Толуол | 40,9 |
| Уайт-спирит (ГОСТ 313452) | 44 |
| Этиленгликоль | 13,3 |
| Этиловый спирт (этанол) | 30,6 |
Удельная теплота сгорания газообразного топлива и горючих газов
Представлена таблица удельной теплоты сгорания газообразного топлива и некоторых других горючих газов в размерности МДж/кг. Из рассмотренных газов наибольшей массовой удельной теплотой сгорания отличается водород. При полном сгорании одного килограмма этого газа выделится 119,83 МДж тепла. Также высокой теплотворной способностью обладает такое топливо, как природный газ — удельная теплота сгорания природного газа равна 41…49 МДж/кг (у чистого метана 50 МДж/кг).
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| 1-Бутен | 45,3 |
| Аммиак | 18,6 |
| Ацетилен | 48,3 |
| Водород | 119,83 |
| Водород, смесь с метаном (50% H2 и 50% CH4 по массе) | 85 |
| Водород, смесь с метаном и оксидом углерода (33-33-33% по массе) | 60 |
| Водород, смесь с оксидом углерода (50% H2 50% CO2 по массе) | 65 |
| Газ доменных печей | 3 |
| Газ коксовых печей | 38,5 |
| Газ сжиженный углеводородный СУГ (пропан-бутан) | 43,8 |
| Изобутан | 45,6 |
| Метан | 50 |
| н-Бутан | 45,7 |
| н-Гексан | 45,1 |
| н-Пентан | 45,4 |
| Попутный газ | 40,6…43 |
| Природный газ | 41…49 |
| Пропадиен | 46,3 |
| Пропан | 46,3 |
| Пропилен | 45,8 |
| Пропилен, смесь с водородом и окисью углерода (90%-9%-1% по массе) | 52 |
| Этан | 47,5 |
| Этилен | 47,2 |
Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов
Приведена таблица удельной теплоты сгорания некоторых горючих материалов (стройматериалы, древесина, бумага, пластик, солома, резина и т. д.). Следует отметить материалы с высоким тепловыделением при сгорании. К таким материалам можно отнести: каучук различных типов, пенополистирол (пенопласт), полипропилен и полиэтилен.
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
| Бумага | 17,6 |
| Дерматин | 21,5 |
| Древесина (бруски влажностью 14 %) | 13,8 |
| Древесина в штабелях | 16,6 |
| Древесина дубовая | 19,9 |
| Древесина еловая | 20,3 |
| Древесина зеленая | 6,3 |
| Древесина сосновая | 20,9 |
| Капрон | 31,1 |
| Карболитовые изделия | 26,9 |
| Картон | 16,5 |
| Каучук бутадиенстирольный СКС-30АР | 43,9 |
| Каучук натуральный | 44,8 |
| Каучук синтетический | 40,2 |
| Каучук СКС | 43,9 |
| Каучук хлоропреновый | 28 |
| Линолеум поливинилхлоридный | 14,3 |
| Линолеум поливинилхлоридный двухслойный | 17,9 |
| Линолеум поливинилхлоридный на войлочной основе | 16,6 |
| Линолеум поливинилхлоридный на теплой основе | 17,6 |
| Линолеум поливинилхлоридный на тканевой основе | 20,3 |
| Линолеум резиновый (релин) | 27,2 |
| Парафин твердый | 11,2 |
| Пенопласт ПХВ-1 | 19,5 |
| Пенопласт ФС-7 | 24,4 |
| Пенопласт ФФ | 31,4 |
| Пенополистирол ПСБ-С | 41,6 |
| Пенополиуретан | 24,3 |
| Плита древесноволокнистая | 20,9 |
| Поливинилхлорид (ПВХ) | 20,7 |
| Поликарбонат | 31 |
| Полипропилен | 45,7 |
| Полистирол | 39 |
| Полиэтилен высокого давления | 47 |
| Полиэтилен низкого давления | 46,7 |
| Резина | 33,5 |
| Рубероид | 29,5 |
| Сажа канальная | 28,3 |
| Сено | 16,7 |
| Солома | 17 |
| Стекло органическое (оргстекло) | 27,7 |
| Текстолит | 20,9 |
| Толь | 16 |
| Тротил | 15 |
| Хлопок | 17,5 |
| Целлюлоза | 16,4 |
| Шерсть и шерстяные волокна | 23,1 |
Определение теплоты сгорания торфа
Определение теплоты сгорания торфа можно производить или непосредственно путем сжигания навесок торфа в калориметрической установке, или косвенным путем по данным элементного состава. Экспериментальное определение теплоты сгорания состоит в сжигании навески торфа (1-1,5 г) и измерении при этом всего выделившегося тепла.
Рис. 1. Схема калориметрической установки: 1 – калориметрическая бомба;
2 – калориметрический сосуд; 3 – теплоизоляционный кожух; 4 – крышка;
5 – мешалка с электроприводом; 6 – термометр; 7 – отсчетное устройство
где В – водное число калориметра; Qз – теплота сгорания запальной проволоки; mпр – масса сгоревшей части проволоки, mа – масса аналитической навески торфа.
Величину В, если она неизвестна, можно ориентировочно определить по уравнению В = mв • Cв, где mв – масса воды в калориметре; Cв – удельная теплоемкость воды. Величина В установки равна 8925 Дж/град).
Определенную из уравнения (1) величину называют теплотой сгорания по бомбе. Ее можно рассчитать на сухое вещество или горючую навеску по формулам
где w а – влага аналитической пробы, %; A а – зольность аналитической пробы (пробы с некоторым содержанием воды), %.
Количество тепла, образующееся в бомбе при сгорании навески, всегда больше по сравнению с тем, что выделяется в топке. Это связано с тем, что в бомбе имеют место дополнительные выделения тепла за счет кислотообразования и конденсации паров воды.
В расчете на 1 кг серы тепловыделение составит 300·10 3 /32=9400 кДж, или на 1% содержания серы в аналитической навеске тепловыделение равно 94 S а кДж (здесь S а в %). В бомбе происходит частичное окисление азота с образованием азотной кислоты. При этом принято допущение, что чем выше температура сгорания топлива, тем больше образуется НNO3. Поэтому дополнительное тепловыделение считают пропорциональным Qб. Коэффициент пропорциональности равен 0,001 для каменных углей и антрацита; 0,0015 для бурых углей, сланцев и торфа. Для сланцев с теплотой сгорания по бомбе ниже 5500 кДж/кг необходимо учесть тепловыделение от разложения карбонатов. На каждый процент оставшейся в зольном остатке двуокиси углерода от неразложившихся карбонатов [CO2 а ]к (зола топлива в бомбе) дополнительный эффект тепловыделения составляет 40 кДж. Таким образом, высшая теплота сгорания торфа
Для сланцев с теплотой сгорания >5500 кДж/кг
В расчете на рабочее топливо высшая теплота
где w р – влага рабочего топлива. Величины Qв с и Qв г находятся по формулам
Низшая теплота сгорания – теплота сгорания, которая реализуется в топке, она меньше высшей теплоты на величину тепловыделения при конденсации паров воды (Qно). Общее количество паров воды, образующееся при сгорании 1 кг топлива, равно количеству воды, находящейся в топливе w/100, и того количества воды, которое образуется от сжигания водорода топлива. Последнее будет равно 9Н/100, так как из 1 кг водорода образуется 9 кг воды. Удельную теплоту конденсации водяного пара принимают равной 2500 кДж/кг или в расчете на 1% образовавшейся воды – 25 кДж. Отсюда низшая теплота сгорания находится по формуле
где Н а – содержание водорода в аналитической навеске. Она рассчитывается по известному содержанию водорода в горючей навеске Н г по формуле
Содержание Н г в торфе принимается равным 6%. Низшие теплоты сгорания рабочего топлива, сухой навески и горючего вещества рассчитываются по формулам
Определение теплоты сгорания по элементному составу топлива
Кроме прямого определения теплоты сгорания существуют косвенные методы, основанные на определении теплоты по элементному составу: по уравнениям регрессии между характеристиками топлива и теплотой сгорания.
Из многочисленных уравнений, позволяющих определить теплоту сгорания по элементному составу, наибольшее применение получила формула Д.И. Менделеева. Для высшей теплоты сгорания она имеет вид
Формула (5) может быть отнесена к любой из расчетных масс топлива (рабочая, сухая или горючая). Содержание элементов – в процентах. Коэффициенты, входящие в формулу (5), были получены Д.И. Менделеевым путем обработки данных, относящихся к различным органическим веществам: углероду, клетчатке, углям, нефтепродуктам. Расчет по формуле Д. И. Менделеева только за счет ошибки в определении элементного состава (допускается для водорода расхождение до 0,3 % и углерода – 1%) составляет от 2 до 8 %.
Для удобства расчетов топливно-энергетических балансов, представленных различными топливами, используют понятия об условном топливе. Условным топливом называется универсальный энергозаменитель с низшей рабочей теплотой сгорания 29330 кДж/кг. Реально такой теплоте сгорания близко соответствует каменный уголь и антрацит. Для пересчета натурального топлива в условное вводят понятие теплового эквивалента Эт, представляющего собой отношение низшей рабочей теплоты сгорания данного топлива к теплоте сгорания условного:
Перевод массы натурального топлива в условное осуществляется по формуле
Таблица 1. Теплоценность твердых топлив
| Вид топлива | Теплота сгорания, кДж/кг | Топливный эквивалент |
| Древесина | 12400 | 0,42 |
| Торф фрезерный | 11440 | 0,39 |
| Торф кусковой | 12610 | 0,43 |
| Торфяные брикеты | 17010 | 0,58 |
| Бурый уголь | 13000 | 0,44 |
| Каменный уголь | 27000 | 0,92 |
| Антрацит | 28000 | 0,96 |
| Сланец | 9600 | 0,33 |
Последовательность выполнения работы
1. Знакомятся с устройством калориметрической установки.
2. Записывают характеристику торфа. Торф, измельченный и просеянный через сито с размером отверстий 0,25 мм является экспериментальной пробой.
3. Кусок запальной проволоки длиной около 8 см вместе с навеской торфа (1-1,5 г) помещают во вкладыш матрицы ручного пресса и брикетируют.
4. Брикетик закрепляют в бомбе и собирают установку.
5. По термометру Бекмана следят за изменением температуры, снимая отсчеты в начальном и конечном периодах через 1 минуту, а в главном – через 30 секунд, записывая в табл.2.
6. Строят график изменения температуры во времени t=ƒ(t).Из него определяют разность температур DT, в которой учтен теплообмен системы с окружающей средой в условиях начального и конечного периодов опыта.
Степень разложения R = %;
Аналитическая влажность w а = %;
Зольность на сухое вещество А с = %;
Рабочая влажность w р = %;
Содержание водорода Н р = %;
Масса проволоки m = г;
Масса брикетика с проволокой m = г;
Масса остатка проволоки m = г;
Масса сосуда с водой m = 2690 г;
Теплота сгорания медной проволоки q = 2514 Дж/г).
Таблица 2. Результаты определения теплоты сгорания торфа Q
Отсчет температуры производят:
1. Что такое удельная теплота сгорания топлива? Единицы ее измерения.
2. Калориметрический метод определения теплоты сгорания.
3. Высшая и низшая теплота сгорания топлива.
5. Какие процессы сопровождают сгорание торфа в калориметрической установке?
6. Условное топливо. Тепловой эквивалент.
7. Зависимость теплоты сгорания от элементного состава. Формула Д.И. Менделеева.
Энергия топлива. Удельная теплота сгорания
Решебник к сборнику задач по физике для 7- 9 классов, Перышкин А.В.
783. Удельная теплота сгорания каменного угля равна 27 МДж/кг. Что это означает?
Это означает, что при полном сгорании каменного угля массой 1 кг выделяется 27 МДж.
784. Сколько тепла при сгорании дают 10 кг древесного угля?
785. Сколько выделится тепла при полном сгорании 10 кг сухих березовых дров?
786. Сколько тепла дают 20 кг торфа при полном сгорании?
787. Какое количество теплоты выделится при сгорании керосина массой 300 г?
788. Заряд пороха в патроне пулемета имеет массу 3,2 г. Теплота сгорания пороха 3,8 МДж/кг. Сколько выделяется тепла при каждом выстреле?
789. Сколько теплоты выделится при полном сгорании 4 л керосина?
790. Сколько теплоты выделится при полном сгорании нефти массой 3,5 т?
791. Какую массу угля надо сжечь, чтобы выделилось 40800 кДж тепла?
792. При полном сгорании нефти выделилось 132 кДж тепла. Какая масса нефти сгорела?
793. Какая масса древесного угля может заменить 60 т нефти?
794. Какая масса древесного угля при сгорании дает столько же энергии, сколько выделяется при сгорании четырех литров бензина?
795. Во сколько раз меньше тепла дают при полном сгорании сухие березовые дрова, чем бензин такой же массы?
796. Начальная температура двух литров воды 20 °С. До какой температуры можно было бы нагреть эту воду при сжигании 10 г спирта? (Считать, что теплота сгорания спирта целиком пошла на нагревание воды.)
797. Воду массой 0,3 кг нагрели на спиртовке от 20 °С до 80 °С и сожгли при этом 7 г спирта. Определите КПД спиртовки.
798. При нагревании 4 л воды на 55 °С в примусе сгорело 50 г керосина. Каков КПД примуса?
799. Сталь массой 2 кг нагревается на 1000 °С кузнечным горном. Каков КПД кузнечного горна, если для этого расходуется 0,6 кг кокса?
800. Сколько нужно сжечь керосина в керосинке, чтобы довести от 15 °С до кипения 3 кг воды, если КПД керосинки 30%?
801. КПД вагранки (шахтной печи) 60%. Сколько надо древесного угля, чтобы нагреть 10000 кг чугуна от 20 °С до 1100 °С?
802. Для сгорания в топке одного килограмма древесного угля требуется 30 кг воздуха. Воздух поступает в топку при температуре 20 °С и уходит в дымоход при температуре 400 °С. Какая часть энергии топлива уносится воздухом в трубу? (Теплоемкость воздуха принять равной 1000 Дж/кг • °С при постоянном давлении.)