Удельная теплота сгорания топлива формула

Когда потребитель знакомится с температурой горения того или иного угля, он должен учитывать, что производители приводят только те цифры, которые актуальны для идеальных условий. Конечно, воспроизвести необходимые параметры в обычном бытовом котле или плите просто невозможно. Современные теплогенераторы из металла или кирпича просто не рассчитаны на такие высокие температуры, так как основной теплоноситель в системе может быстро закипеть. Поэтому параметры сгорания того или иного топлива определяются режимом его горения.

Удельная теплота сгорания – формула, единица измерения, обозначение

Теплотворная способность q – это физическая величина, которая равна количеству тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг топлива.

Формула для теплотворной способности имеет вид

Q – количество тепла, выделяемого при сгорании топлива, Дж

m – масса топлива, кг.

Единицей измерения q в Международной системе единиц (СИ) является Дж/кг.

Для обозначения больших количеств q часто используются внесистемные единицы энергии: килоджоули (кДж), мегаджоули (МДж) и гигаджоули (ГДж).

Значения q для различных веществ определяются экспериментально.

Зная q, мы можем рассчитать количество тепла Q, которое получается при сгорании топлива массой m:

Мы уже знаем, что при сгорании выделяется тепло (тепловая энергия).

Количество тепла, получаемого при сгорании, будет разным для разных видов топлива. Одно топливо выделяет больше энергии, другое – меньше.

Чтобы сравнить топливо между собой, удобно сжечь 1 килограмм топлива и измерить количество выделившегося тепла.

Примечание: Не путайте тепло и температуру. Тепло – это тепловая энергия. Любая энергия измеряется в джоулях. Температура измеряется в градусах.

Тепловая энергия, выделяемая при полном сгорании 1 кг топлива, называется теплотворной способностью сгорания. Обозначается строчной латинской буквой q.

Примечание: Теплотворная способность – это тепловая энергия, выделяемая при полном сгорании 1 кг топлива. С удельными величинами мы уже сталкивались ранее (ссылка).

Удельную теплоту сгорания некоторых веществ можно найти в учебнике физики.

Где найти q

Информацию об удельных теплотворных способностях некоторых видов топлива можно найти в технических руководствах или в их электронных версиях на веб-сайтах. Обычно они приводятся в виде таблицы:

Удельная теплота сгорания, q

Проверенные, современные виды топлива имеют ограниченные ресурсы. Поэтому в будущем они будут заменены другими источниками энергии:

• Атомные, которые используют энергию ядерных реакций;
• солнечная; преобразует энергию солнечного света в тепло и электричество;
• ветер;
• геотермальная, которая использует тепло природных горячих источников.

Принятые обозначения и единицы измерения

Удельная теплота сгорания обозначается строчной буквой q, а количество тепла – прописной буквой Q. Международная единица измерения – Дж/кг, но чаще используется мегаджоуль (мДж/кг). Формула для удельной теплоты сгорания газов имеет вид: q = Q/V, где V – объем газа. Международная единица измерения – Дж/м³.

Чем выше удельная теплоемкость горючего материала, тем он экономичнее. Количество тепла, выделяемого при сгорании топлива, может быть рассчитано следующим образом.

1. Теоретический метод. Если мы знаем удельную теплоту сгорания топлива и его формулу, мы можем вывести формулу для нахождения количества тепла. Так, если q = Q/m, то Q = q * m.
2. Практический метод. На практике количество тепла, выделяемого при реакции горения, измеряется с помощью специальных сосудов, называемых калориметрами. Калориметр показывает количество энергии, которое выделяется при полном сгорании данного образца вещества в емкости, помещенной в воду. Разница в температуре воды показывает количество выделившейся энергии.

Табличные данные

На сегодняшний день измерено q всех известных веществ. В таблице приведены значения q для наиболее распространенных горючих материалов:

Фактическое количество тепла, выделяемое при сгорании, может отличаться от приведенных значений в зависимости от следующих факторов

• Влага – наличие влаги в топливе снижает теплоту сгорания, поскольку увеличивается расход энергии на испарение избыточной воды;
• Зольность – содержание минеральных примесей в топливе снижает процент горючего материала во взвешенном состоянии;
• Содержание серы – при сгорании горючего материала, содержащего примеси сернистых соединений, образуется сернистый газ, который снижает концентрацию кислорода, необходимого для поддержания процесса горения.

Низшая и высшая теплота сгорания

Поскольку точное определение удельной теплоты является сложным процессом, необходимо заранее определиться с используемыми терминами. В нашем случае необходимо отделить низшую теплоту сгорания от высшей теплоты сгорания.

Высшая теплотворная способность – это количество тепла при полном сгорании топлива, включая конденсацию в виде осадков водяного пара при охлаждении вещества. Процесс горения сопровождается выделением воды за счет содержания органического водорода в топливном продукте, и под воздействием высоких температур вода переходит в парообразное состояние. Низшая теплотворная способность не включает конденсацию паров – в этом случае конденсация количественно определяется в скрытой теплоте сгорания.

В исследовательском сообществе низшая теплота сгорания принимается за 100% и допускается охлаждение топлива до температуры, при которой начинается конденсация паров. Все остальное укладывается в диапазон скрытой теплоты сгорания, которая к тому же может составлять более 10%.

Не считается возможным правильно рассчитать низшую теплотворную способность, поэтому она определяется путем вычитания из высшей теплотворной способности численного выражения теплоты, возникающей при образовании паров самого топлива, а также продуктов сгорания. Низшая теплотворная способность является табличной величиной и для основных видов топлива определяется путем испытаний.

Поскольку q определяется как эталонное значение, легко сравнить пригодность того или иного топлива в различных ситуациях. С помощью составленных таблиц можно сравнить энергоэффективность твердого и жидкого топлива с их газообразными аналогами. Например, один литр бензина по эффективности сопоставим с 1,3 м3 газообразного топлива.

Удельная теплота сгорания бензина

Теплотворная способность бензина не зависит от октанового числа топлива и зависит исключительно от химического состава продукта. Чем больше водородных соединений содержит бензин, тем больше влаги и пара образуется при сгорании и, соответственно, тем ниже удельная теплота сгорания. Это напрямую снижает эффективность продукта.

Удельная теплота сгорания бензина, определенная методом испытаний, составляет 43,5-44,5 МДж/кг. Например, численное значение для бензина АИ-93 составляет 43,6 МДж/кг. В отличие от него, авиационный бензин (Б-70 по ГОСТу) имеет уже 44,1 МДж/кг. Это означает, что Б-70 является более энергоэффективным топливом.

На практике обычному водителю трудно определить влияние удельной теплоты сгорания на эксплуатационные характеристики автомобиля. Однако существуют ситуации, когда происходит заметное снижение тепло- и энергосодержания топлива. Одной из таких ситуаций является наличие в топливной массе минеральных соединений и несгоревших остатков. Концентрация горючей массы уменьшается, а несгоревшие минералы и зола забирают часть высвобождаемой энергии.

Наличие серного компонента в топливном продукте также снижает q. Во время нагрева и сгорания сера выделяет газ, который оседает на внутренних деталях рабочего механизма и попадает в легкие человека. Это приводит к коррозии и преждевременному износу рабочих деталей и загрязняет окружающий воздух. Поэтому важно выбирать топливо, не содержащее большинства вредных загрязняющих веществ, и заправляться на надежных сетях АЗС, уважающих репутацию представляемой ими продукции.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Существует два типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): Карбюраторный двигатель и дизель. В карбюраторном двигателе топливно-воздушная смесь готовится вне двигателя в специальном устройстве и оттуда подается в двигатель. В дизельном двигателе топливная смесь готовится в самом двигателе.

Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндрв котором находится поршень поршеньв цилиндре находятся два клапанаЦилиндр имеет два клапана, один из которых позволяет смеси поступать в цилиндр, а другой позволяет выхлопным газам покидать цилиндр. Поршень с помощью кривошипно-шатунного механизма соединяется с коленчатым валомкоторый приводится в возвратно-поступательное движение поршнем. Цилиндр закрыт крышкой.

Цикл двигателя внутреннего сгорания состоит из четыре тактаВпуск, сжатие, рабочий ход и выхлоп. Во время впуска поршень движется вниз, давление в цилиндре падает, и горючая смесь (в карбюраторном двигателе) или воздух (в дизельном двигателе) поступает в цилиндр через клапан. В этот момент клапан закрыт. Когда впуск горючей смеси завершен, клапан закрывается.

Во время второго такта поршень движется вверх, клапан закрывается, и смесь или воздух сжимаются. Температура газа повышается: горючая смесь в карбюраторном двигателе нагревается до 300-350°C, а воздух в дизельном двигателе – до 500-600°C. В конце такта сжатия горючая смесь входит в такт сжатия, а воздух в дизельном двигателе поднимается до 500-600°C. В конце такта сжатия в карбюраторном двигателе проскакивает искра и воспламеняется горючая смесь. В дизельном двигателе топливо впрыскивается в цилиндр, и смесь воспламеняется самопроизвольно.

Во время сгорания горючей смеси газ расширяется и толкает поршень и соединенный с ним коленчатый вал, совершая механическую работу. В результате газ охлаждается.

Паровая турбина представляет собой диск на валу, на котором закреплены лопатки. Пар подается на лопасти. Пар, нагретый до 600°C, направляется в сопло и там расширяется. Пар расширяется, и его внутренняя энергия преобразуется в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Струя пара попадает из сопла на лопатки турбины и передает им часть своей кинетической энергии, приводя турбину во вращательное движение. Как правило, турбины имеют несколько дисков, каждый из которых передает часть энергии пара. Вращение диска передается на вал, к которому подключен электрический генератор.

При сгорании различных видов топлива одинаковой массы выделяется разное количество тепла. Известно, например, что природный газ является лучшим энергоносителем, чем древесина. Это означает, что для получения одинакового количества тепла масса сжигаемого дерева должна быть намного больше массы природного газа. Поэтому, с энергетической точки зрения, различные виды топлива имеют значение, называемое удельная теплота сгорания .

Удельная теплота сгорания – это физическая величина, показывающая, сколько тепла выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг.

Удельная теплота сгорания обозначается qи ее единицей является 1 Дж/кг.

Удельная теплота сгорания определяется экспериментально. Наибольшую удельную теплоту сгорания имеют водорода наименьшая – у порох.