1. Что называют удельной теплотой сгорания топлива?
Удельной теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг топлива. Эта величина характеризует энергоёмкость топлива и показывает, сколько энергии можно получить от его сжигания.
2. Какова единица удельной теплоты сгорания топлива?
Единица удельной теплоты сгорания топлива — джоуль на килограмм (Дж/кг) в системе СИ.
3. По какой формуле можно вычислить количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива?
Количество теплоты Q, выделяемое при сгорании топлива, можно вычислить по формуле:
Q=q⋅m
где: Q — количество теплоты (Дж), q — удельная теплота сгорания топлива (Дж/кг), m — масса топлива (кг).
УПРАЖНЕНИЕ 10
1. Определите по таблице 2, чему равна удельная теплота сгорания природного газа. Объясните физический смысл этой величины.
Удельная теплота сгорания природного газа обычно составляет около 44 МДж/кг (точное значение зависит от состава газа). Это означает, что при сгорании 1 кг природного газа выделяется 44 миллионов джоулей тепла. Эта величина показывает, насколько эффективно топливо может преобразовываться в тепловую энергию.
2. При полном сгорании какого топлива одинаковой массы — каменного угля или нефти — выделится большее количество теплоты? Ответ поясните.
Удельная теплота сгорания нефти выше, чем у каменного угля. Например, удельная теплота сгорания каменного угля составляет около 30 МДж/кг, тогда как у нефти — около 42-44 МДж/кг. Это означает, что при полном сгорании одинаковой массы нефти и угля, большее количество тепла выделится при сгорании нефти, так как её удельная теплота сгорания выше.
3. Какое количество теплоты выделяется при полном сгорании торфа массой 5 кг?
Для расчёта используем формулу: Q = q * m, где Q — количество теплоты, q — удельная теплота сгорания торфа (1,4 * 10^7 Дж/кг), m — масса торфа. Q = 1,4 * 10^7 Дж/кг * 5 кг = 7 * 10^7 Дж.
Ответ: 7 * 10^7 Дж.
4. При полном сгорании 6 кг топлива выделилось количество теплоты 2,76 • 10^8 Дж. О каком топливе идёт речь?
Используем формулу для удельной теплоты сгорания: q = Q / m, где q — удельная теплота сгорания, Q — количество выделенной теплоты, m — масса топлива. q = (2,76 * 10^8 Дж) / 6 кг = 4,6 * 10^7 Дж/кг.
Ответ: 4,6 * 10^7 Дж/кг.
5. Удельная теплота сгорания водорода больше, чем газа бутана. Чем же тогда можно объяснить, что при сгорании баллона бутана выделилось большее количество теплоты, чем при сгорании такого же объёма водорода, если давление газов одинаково?
Хотя удельная теплота сгорания водорода больше, чем у бутана, общее количество теплоты, выделяющееся при сгорании одного и того же объема газов, зависит также от плотности газа. У водорода плотность значительно ниже, чем у бутана, а значит, в одном и том же объеме содержится меньшее количество молекул водорода, чем бутана. Поэтому, несмотря на более высокую удельную теплоту сгорания водорода, сгорание одного и того же объема бутана выделит больше тепла.
6*. На газовой плите воду в чайнике нагрели до кипения (100 °C) за 15 мин. Чему равна масса газа, сгорающего за 1 с, если в чайнике было 3 л воды при температуре 20 °C? Теплообменом с окружающей средой и чайником можно пренебречь.
Для нахождения массы газа, сгорающего за 1 секунду, используем уравнение баланса теплоты:
Количество теплоты, затраченной на нагрев воды, равно количеству теплоты, выделенной при сгорании газа:
Q_газа = Q_воды
Q_воды = с_воды * m_воды * (t2 - t1)
где:
с_воды — удельная теплоемкость воды (4200 Дж/кг·°C), m_воды — масса воды, t2 и t1 — конечная и начальная температура. Подставляем:
Q_воды = 4200 * 3 * (100 - 20) = 1 008 000 Дж.
Теперь рассчитаем массу газа, зная, что удельная теплота сгорания газа (например, 44 МДж/кг):
m_газа = Q_воды / (q * T_время) = 1 008 000 / (4.4 * 10^7 * 900) = 254.5 * 10^(-7) кг.
Ответ: 254.5 * 10^(-7) кг.
7*. Ученики провели опыт для оценки удельной теплоты сгорания спирта. Какое значение они получили, если масса спиртовки до начала опыта была равна 155 г, после опыта — 153 г, в алюминиевом калориметре массой 50 г было 200 г воды и в процессе нагревания её температура изменилась на 60 °C?
Для нахождения удельной теплоты сгорания спирта используем следующий расчёт:
Теплота, переданная воде и калориметру:
Q_воды = с_воды * m_воды * ∆t = 4200 * 0.2 * 60 = 50 400 Дж.
Q_алюм = с_алюм * m_алюм * ∆t = 920 * 0.05 * 60 = 2 700 Дж.
Общая тепловая энергия:
Q_общ = Q_воды + Q_алюм = 50 400 + 2 700 = 53 100 Дж.
Удельная теплота сгорания спирта:
q_спирта = Q_общ / ∆m = 53 100 / 0.002 = 2.7 * 10^7 Дж/кг.
Ответ: 2.7 * 10^7 Дж/кг.
8*. Постройте в одних координатных осях графики зависимости Q(m) для двух видов топлива, если q1= Зq2. Приведите пример таких видов топлива.
График смотри во вложении.
Для решения задачи, когда q1 = 3q2, можно взять, например, следующие виды топлива:
Водород: удельная теплота сгорания q1 = 12 × 10^7 КДж/кг. Дрова: удельная теплота сгорания q2 = 1 × 10^7 КДж/кг. В данном случае q1 = 3 × q2, что соответствует условию задачи. Теперь построим графики зависимости количества выделяемой теплоты Q(m) от массы для этих двух видов топлива.
На графике показана зависимость количества выделяемой теплоты Q(m) от массы топлива m для водорода (зелёная линия) и сухих дров (оранжевая линия). У водорода, как и ожидалось, наклон графика в три раза больше, чем у дров, что отражает условие q1= Зq2.
ЗАДАНИЕ 8
1. Придумайте несколько задач, используя данные таблицы 2. Обменяйтесь с товарищем условиями задач и решите их.
Задача о сжигании древесного угля и водорода: Сравните количество теплоты, выделяющееся при сгорании 2 кг древесного угля и 2 кг водорода. Какой из этих видов топлива выделит больше энергии?
Задача о топливной эффективности бензина и нефти: Сколько теплоты выделится при сжигании 5 кг бензина и 5 кг нефти? Какой вид топлива окажется более эффективным с точки зрения выделяемого количества энергии?
Задача о торфе и дровах: Если сжечь 10 кг торфа и 10 кг сухих дров, какое количество энергии выделится в результате? Насколько больше энергии выделит одно из топлив по сравнению с другим?
Задача о порохе и каменном угле: Сколько килограммов каменного угля нужно сжечь, чтобы выделить такое же количество энергии, как при сгорании 10 кг пороха?
2. Определите минимальное количество природного газа, необходимое для того, чтобы довести до кипения воду в чайнике, которым вы пользуетесь. Почему на практике газа требуется больше? Как уменьшить расход газа?
Чтобы определить минимальное количество природного газа для доведения воды до кипения, нужно рассчитать количество тепла, необходимое для этого процесса. Для начала берём теплоёмкость воды (4,18 Дж/г*°C) и массу воды в чайнике. Далее умножаем на разницу температур между исходной и конечной точкой (например, от 20°C до 100°C).
Пример: если в чайнике 1 литр воды (1000 граммов), нужно поднять температуру на 80°C, тогда количество тепла, требуемое для нагрева:
Q = 1000 г * 4,18 Дж/г*°C * 80°C = 334 400 Дж.
Это тепло будет получено при сжигании газа, и зная теплотворную способность газа (например, у метана это около 50 МДж/кг), можно рассчитать массу газа.
На практике газа уходит больше из-за потерь тепла: не вся энергия передаётся воде, часть теряется в окружающую среду, в материалах чайника и через неполное сгорание газа. Чтобы уменьшить расход газа, можно использовать посуду с хорошей теплопроводностью, не включать плиту на сильный огонь, следить за качеством пламени и использовать крышку, чтобы предотвратить потерю тепла.
ЗАДАНИЕ 9
Какие меры предпринимаются для снижения уровня загрязнения воздуха, которое возникает в результате сгорания топлива на теплоэлектростанциях? Соберите необходимую информацию, используя дополнительную литературу или Интернет.
Для снижения уровня загрязнения воздуха на теплоэлектростанциях, вызванного сжиганием топлива, применяются несколько технологических и регулятивных мер. Важной частью борьбы с загрязнением является использование технологий для сокращения выбросов различных загрязняющих веществ, таких как диоксид серы (SO2), оксиды азота (NOx), и твёрдые частицы.
Для снижения выбросов SO2 широко используется метод десульфуризации дымовых газов (FGD), который основан на поглощении сернистого газа с последующим превращением его в гипс. Это эффективная технология, которая активно применяется в США, Европе и Японии. Кроме того, снижение выбросов NOx достигается с помощью технологий управления процессом горения, таких как двухступенчатое горение и низко-азотные горелки, что позволяет сократить выбросы на 20–60%. Более продвинутые технологии, такие как селективное каталитическое восстановление (SCR), могут уменьшить выбросы NOx на 80%.
Для борьбы с твёрдыми частицами используются электрофильтры (ESP) и системы фильтрации дымовых газов, которые эффективно улавливают частицы. Однако эффективность этих технологий может зависеть от состава золы и других факторов, поэтому их применение требует тщательной настройки. Также развиваются новые методы, такие как технология циркулирующего кипящего слоя (AFBC), которая позволяет эффективно сжигать топливо при более низких температурах, снижая выбросы как NOx, так и SO2.
С точки зрения регулятивных мер, важную роль играют нормативы, устанавливаемые государственными органами, например, Агентством по охране окружающей среды США (EPA), которые вводят стандарты по сокращению выбросов углекислого газа и других загрязняющих веществ, требуя внедрения технологий улавливания и хранения углерода (CCS).