Горение — энергия топлива и удельная теплота сгорания

Приручив огонь, человек получил большое количество благ. Благодаря огню мы готовим пищу и обогреваем дома. Человеческая цивилизация начала развиваться — возникла металлургия и энергетика. Появились полезные инструменты, механизмы и изобретения.

Процесс горения топлива подарил нам возможность передвигаться на автомобилях и мотоциклах, летать на самолетах, запускать ракеты в космос и путешествовать по морю на кораблях.

До сих пор горение – это основной источник получения энергии во всем мире. В 2010 году сотрудники международного энергетического агентства IEA подсчитали, что 90 процентов всей энергии человечество получает, сжигая различное топливо.

Во время горения происходят химические превращения одних веществ в другие вещества. Такие превращения называют химическими реакциями.

Два вида химических реакций и энергия

Благодаря химическим реакциям в природе появилось множество различных веществ.

Примечание: Химики сложные вещества, состоящие из атомов различных хим. элементов, называют химическими соединениями.

Химические реакции – это процессы перегруппировки атомов:

  • имеющиеся молекулы разъединяются на отдельные атомы;
  • из этих атомов образуются новые молекулы.

При этом происходит поглощение, или выделение энергии.

Повышая температуру, мы ускоряем химические реакции

Скорость молекул зависит от температуры. Чем быстрее молекулы двигаются, тем чаще они будут сталкиваться. А когда количество столкновений увеличивается, то химические реакции протекают быстрее. Поэтому температура вещества влияет на химические реакции.

Во время эндотермических химических реакций энергия поглощается, а во время экзотермических - выделяется
Рис. 1. Все химические реакции можно разделить на поглощающие тепловую энергию – эндотермические и, выделяющие энергию — экзотермические

Во время протекания одних химических реакций тепловая энергия поглощается. Такие реакции называются эндотермическими (рис. 1).

Примерами эндотермических процессов могут служить процесс плавления или процесс парообразования.

А во время протекания других реакций, энергия, наоборот – выделяется. Такие химические реакции называют экзотермическими.

Среди экзотермических процессов можно отметить, например, конденсацию или кристаллизацию.

Примечание: Слова «эндотермический» и «экзотермический» пришли к нам из древнегреческого языка. По-гречески «Эндо» – внутри, «Экзо» – наружу, а «Термо» – тепло.

Что такое горение

В процессе горения температура резко повышается и выделяется большое количество тепловой энергии (теплоты). Поэтому, горение – это экзотермический процесс.

В топливе содержатся атомы химического элемента, который называется углеродом. При горении топлива каждый атом углерода объединяется в двумя атомами кислорода и выделяется энергия.

Когда горит какое-либо вещество, мы видим пламя (рис. 2).

Пламя – это поток раскаленных газов, часть пространства, в которой топливо и кислород превращаются в продукты сгорания.

Химическая реакция окисления топлива с образованием продуктов горения, пламенем выделением теплоты называется горением
Рис. 2. Горение – это химическая реакция окисления топлива с образованием продуктов горения, пламенем выделением теплоты

Горение – процесс сложный, потому, что во время его протекания происходит цепочка химических превращений. В основном – это реакции окисления между сгорающим топливом и кислородом;

Примечание: В окружающем воздухе содержится кислород. Кислород – это сильный окислитель.

Что нужно, чтобы горение возникло

Только лишь наличия топлива и кислорода в окружающем воздухе недостаточно, чтобы это топливо загорелось. Мы должны сначала нагреть топливо до температуры, при которой произойдет его возгорание. Для предварительного нагрева мы используем источник зажигания. Например, спички, зажигалку и т. п.

Примечание: Чтобы горение возникло, нужно сначала нагреть топливо до температуры, при которой произойдет возгорание.

Например, самостоятельно может загореться бумага, наргетая до 233 градусов Цельсия или дерево, нагретое до 300 градусов Цельсия.

Поэтому, бездумно нагревать горючие вещества опасно. Так как нагретое горючее вещество способно самостоятельно загореться, иногда со взрывом.

Температура самовоспламенения некоторых веществ

  • бумага: 233 (C);
  • дерево: 300 (C);
  • бензин: 250 — 300 (C);
  • спирт этиловый: 400 (C);

Температура горения некоторых веществ

  • сухие дрова: от 800 до 1000 (C);
  • пламя спички: от 750 до 1400 (C);
  • уголь в печи или котле: от 1000 до 2300 градусов Цельсия (зависит от подачи воздуха);
  • бензин: 1300 — 1400 (C);

Температура частей пламени различается

Раскаленные до высокой температуры газы, выделяющиеся при сгорании топлива, светятся. Они образуют светлый ореол около горящего топлива. Этот ореол называют пламенем. Пламя можно условно разделить на слои. Температура таких слоев пламени различается. Чем ярче пламя, чем ближе его цвет к белому цвету, тем выше его температура.

Раскаленные газы светятся и образуют пламя, можно выделить слои газов, имеющие различные цвета и температуру
Рис. 3. Раскаленные газы, выделяющиеся при горении, светятся и, образуют пламя, которое по степени нагревания можно разделить на слои

Что такое удельная теплота сгорания

Мы уже знаем, что при горении выделяется теплота (тепловая энергия).

Количество теплоты, которое мы получим при сгорании, будет отличаться для разных видов топлива. Одно топливо будет выделять больше энергии, другое – меньше.

Чтобы сравнивать горючие вещества между собой, удобно сжигать 1 килограмм топлива и измерять выделяемое количество теплоты.

Примечание: Не путайте теплоту и температуру. Теплота – это тепловая энергия. Любую энергию измеряют в Джоулях. А температуру измеряют в градусах.

Тепловая энергия, которая выделяется при полном сгорании 1 кг топлива, называется удельной теплотой сгорания. Ее обозначают маленькой латинской буквой q.

\(\large q \left( \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}\right)\) – удельная теплота сгорания.

Примечание: Удельная теплота сгорания —  это тепловая энергия, которая выделяется при полном сгорании 1 кг. топлива. Ранее мы уже сталкивались с удельными величинами (ссылка).

Удельную теплоту сгорания некоторых веществ можно найти в справочнике физики.

Как связаны количество теплоты и удельная теплота сгорания — формула

Мы можем посчитать количество теплоты, выделенной при сгорании, когда нам известны:

  • удельная теплота сгорания топлива и
  • количество килограммов вещества.

Для расчетов используем формулу:

\[\large \boxed{ Q = q \cdot m }\]

\(\large Q \left( \text{Дж} \right) \) – количество теплоты, т. е. общая тепловая энергия;

\(\large q \left( \frac{\text{Дж}}{\text{кг}} \right) \) – удельная теплота сгорания;

\(\large m \left( \text{кг} \right) \) – масса вещества;

Примечание: Если умножить удельную теплоту сгорания \(\large q \) на количество килограммов m сгоревшего вещества, то можно вычислить общее количество теплоты \(\large Q \), выделившейся при сгорании топлива.

Недостатки использования горения

На нашей планете из-за широкого использования горения возникают негативные последствия:

  • истощаются полезные ископаемые – нефть, уголь, горючие сланцы, газ,
  • загрязняется окружающая среда — большинство продуктов горения токсичны,
  • ухудшается экология,
  • проявляется глобальное потепление.

Из-за глобального потепления температура на планете поднялась на несколько градусов, начали таять многовековые льды на северном и южном полюсах, изменяется климат.

Выводы

  1. Повышая температуру, мы ускоряем химические реакции.
  2. Чтобы процесс горения начался, мы предварительно нагреваем топливо источником зажигания. Как только топливо достигнет критической температуры, оно загорится.
  3. Горение – это экзотермический процесс, потому, что во время горения выделяется большое количество тепловой энергии.
  4. Пламя – это поток раскаленных газов. Температура слоев пламени различается. Чем ярче пламя, чем ближе его цвет к белому цвету, тем выше его температура.
  5. Одни виды топлива при горении выделяют больше теплоты, другие — меньше. Чтобы сравнить горючие вещества между собой, нужно сжечь по-отдельности 1 килограмм каждого топлива и измерить количества выделенной ими теплоты.
  6. Удельная теплота сгорания —  это теплота, выделяемая при полном сгорании 1 кг топлива.
  7. Зная удельную теплоту сгорания топлива и количество килограммов сгоревшего вещества, можно посчитать количество теплоты, выделенной при сгорании. Для этого нужно умножить удельную теплоту сгорания q на количество килограммов m сгоревшего вещества.
  8. Что происходит во время горения:
  • высокая температура действует на горючие вещества (топливо);
  • эти вещества взаимодействуют с кислородом и превращаются в продукты горения;
  • выделяется большое количество тепловой энергии,
  • резко повышается температура,
  • возникает пламя и излучается свет.
Ссылка на основную публикацию
Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить
Adblock
detector