§ 8. Энергия топлива. Удельная теплота сгорания топлива

Определения и обозначения

Топливо — вещество, при сгорании которого выделяется энергия. Примеры топлива: дрова, каменный уголь, керосин и природный газ. Это понятие нужно, чтобы отличать вещества, способные служить источником энергии при горении.

Энергия топлива — энергия, которая выделяется при сгорании топлива и переходит главным образом во внутреннюю энергию окружающих тел. Продукты сгорания, воздух и нагреваемые предметы получают эту энергию. Так объясняется действие печи, костра или газовой горелки.

Удельная теплота сгорания топлива — физическая величина, показывающая количество теплоты, выделяемое при полном сгорании 1 кг топлива. Её обозначают буквой q и измеряют в Дж/кг. Она позволяет сравнивать разные виды топлива независимо от взятой массы.

Количество теплоты при сгорании топлива — энергия, выделившаяся при сгорании всей заданной массы топлива. Её обозначают Q и вычисляют по формуле Q = qm, где m — масса топлива. Эта формула связывает свойство топлива с конкретным количеством вещества.

Как это устроено

В топливе запасена химическая энергия, связанная с взаимодействием его частиц. При горении топливо вступает в реакцию с кислородом, и состав веществ изменяется. Химическая энергия превращается во внутреннюю энергию продуктов сгорания, воздуха и других тел, поэтому они нагреваются. Часть энергии может проявляться также в виде света, но при тепловых расчётах главным образом учитывают переданную теплоту.

Одинаковые массы разных топлив выделяют неодинаковое количество теплоты, потому что химические реакции в них протекают с разным изменением энергии. Например, 1 кг дров и 1 кг каменного угля содержат неодинаковое количество энергии, доступной при полном сгорании. Поэтому сравнивать топлива только по массе недостаточно. Для такого сравнения используют величину q, относящуюся к одной и той же массе — 1 кг.

Удельная теплота сгорания показывает, сколько теплоты выделится при полном сгорании единицы массы топлива. Если q дров равна 1,0·10⁷ Дж/кг, это означает, что при полном сгорании 1 кг сухих дров выделится примерно 1,0·10⁷ Дж. При сгорании 2 кг того же топлива теплоты будет в два раза больше. Значение q является характеристикой конкретного вида топлива.

При неизменном виде топлива каждая единица массы даёт одинаковую долю общей энергии, поэтому количество теплоты прямо пропорционально массе. Если массу увеличить в 3 раза, Q также увеличится в 3 раза, что записывают формулой Q = qm. Из неё можно найти любую величину: Q = qm, m = Q/q, q = Q/m. Единицы нужно согласовать: при q в Дж/кг масса должна быть в килограммах, тогда Q получится в джоулях.

Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива

В таблице сначала находят нужный вид топлива, а затем считывают его q. Значение нужно умножить на массу в килограммах, чтобы получить количество теплоты. Сравнивать топлива по q можно при одинаковых массах: большее q означает больший выход энергии.

Разбор задач

Задача 1

При полном сгорании 2 кг дров выделяется теплота. Найдём её количество, если q дров равна 1,0·10⁷ Дж/кг. Масса уже выражена в килограммах, поэтому перевод единиц не потребуется.

1. Записываем формулу: Q = qm.
2. Подставляем значения: Q = 1,0·10⁷ Дж/кг · 2 кг.
3. Сокращаем килограммы и вычисляем: Q = 2,0·10⁷ Дж.

Ответ: при сгорании 2 кг дров выделится 2,0·10⁷ Дж теплоты. Умножение на 2 показывает прямую пропорциональность количества теплоты массе.

Задача 2

При полном сгорании топлива выделилось 9,2·10⁷ Дж теплоты. Определим массу керосина, если его удельная теплота сгорания равна 4,6·10⁷ Дж/кг. Здесь неизвестна масса, поэтому формулу нужно преобразовать.

1. Записываем Q = qm и выражаем массу: m = Q/q.
2. Подставляем данные: m = (9,2·10⁷ Дж)/(4,6·10⁷ Дж/кг).
3. Делим числа и учитываем единицы: m = 2 кг.

Ответ: масса керосина равна 2 кг. Единица «Дж» сокращается, а остаётся килограмм, что подтверждает правильность единиц.

Задача 3

Сравним теплоту от сгорания 3 кг дров и 1 кг каменного угля. Для дров берём q = 1,0·10⁷ Дж/кг, а для угля q = 2,7·10⁷ Дж/кг. Каждое топливо сначала рассматриваем отдельно, чтобы сравнение было точным.

1. Для дров: Q₁ = q₁m₁ = 1,0·10⁷ · 3 = 3,0·10⁷ Дж.
2. Для угля: Q₂ = q₂m₂ = 2,7·10⁷ · 1 = 2,7·10⁷ Дж.
3. Сравниваем: 3,0·10⁷ Дж больше 2,7·10⁷ Дж на 0,3·10⁷ Дж.

Ответ: 3 кг дров выделят немного больше теплоты, чем 1 кг каменного угля. Разница составляет 3,0·10⁶ Дж, хотя удельная теплота сгорания угля значительно выше.

Типичные ошибки

Путаница q и Q. q относится к 1 кг топлива, а Q — ко всей сгоревшей массе. Ошибку проверяют вопросом: ищется характеристика топлива или общий результат для данной массы?

Масса в граммах. Если q выражена в Дж/кг, подстановка граммов нарушает единицы и меняет ответ в 1000 раз. Перед расчётом переведите массу: 1 г = 0,001 кг.

Игнорирование вида топлива. Нельзя брать одно и то же q для дров, угля и керосина, потому что это разные вещества. Сначала найдите в условии или таблице значение q именно для нужного топлива.

Вся энергия считается полезной. В реальности тепло нагревает не только нужное тело, но и воздух, посуду и продукты сгорания. Если требуется полезное тепло, учитывайте потери, а не приравнивайте его автоматически ко всей энергии Q.

Связь с другими темами

Для решения задач нужны понятие количества теплоты, обозначение Q и единица энергии — джоуль. Если эти обозначения уже знакомы, формула Q = qm связывает известную массу топлива с выделившейся энергией. Проверка единиц помогает заметить ошибку ещё до окончания вычислений.

Знание энергии топлива пригодится при расчётах нагревания тел и определении расхода топлива. Оно используется также при изучении тепловых двигателей, где химическая энергия горючего превращается в работу и внутреннюю энергию. В практических задачах дополнительно учитывают коэффициент полезного действия и потери тепла.

Что запомнить

• При сгорании топлива выделяется энергия.
• Удельная теплота сгорания обозначается q.
• q показывает количество теплоты при полном сгорании 1 кг топлива.
• Единица q — Дж/кг.
• Количество теплоты при сгорании топлива вычисляют по формуле Q = qm.
• Удельная теплота сгорания зависит от вида топлива.