§ 16. Удельная теплота сгорания топлива

Определения и обозначения

Топливом называют вещество, которое используют для получения энергии при его сгорании. Топливом могут служить твёрдые вещества, например дрова и каменный уголь, жидкие — бензин, а также газообразные — природный газ. Такое деление помогает понять, что топливо бывает разным по составу и состоянию, но все его виды способны выделять энергию при сгорании.

Удельная теплота сгорания топлива — это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. Её обозначают маленькой буквой q. Слово «удельная» указывает, что величина относится к единице массы: с её помощью можно сравнить, сколько теплоты даст килограмм одного топлива и килограмм другого.

Удельную теплоту сгорания измеряют в джоулях на килограмм, то есть в Дж/кг. Такая единица показывает, сколько джоулей приходится на каждый килограмм топлива. Например, значение 3·10⁷ Дж/кг означает, что при полном сгорании килограмма выделится 3·10⁷ Дж теплоты.

Количество теплоты, выделившееся при сгорании некоторой массы топлива, обозначают заглавной буквой Q. Его измеряют в джоулях (Дж). Q относится к конкретному сгоранию, поэтому зависит не только от вида топлива, но и от массы, которая сгорела.

Как это устроено

При сгорании топливо реагирует с кислородом, который обычно поступает из воздуха. Во время этой химической реакции вещества превращаются в новые, а энергия, запасённая в их химических связях, высвобождается. Часть этой энергии передаётся окружающим телам и воздуху в виде теплоты, поэтому топливо может нагревать помещение или воду.

У разных топлив различается состав, а значит, при сгорании одинаковой массы выделяется разное количество энергии. Удельная теплота сгорания позволяет сравнить эти свойства, не меняя массу топлива: достаточно сопоставить значения q. Чем больше q, тем больше теплоты даёт килограмм топлива при полном сгорании; сама величина q не зависит от того, взяли один килограмм или несколько.

Если вид топлива неизменен, каждый килограмм при полном сгорании даёт примерно одно и то же количество теплоты. Поэтому при увеличении массы в несколько раз во столько же раз возрастает и количество выделившейся теплоты. Например, два килограмма одного топлива дадут вдвое больше теплоты, чем один килограмм, если условия и полнота сгорания одинаковы.

Эту зависимость записывают формулой Q = qm, где Q — количество теплоты, q — удельная теплота сгорания, а m — масса топлива. Чтобы найти Q, умножают q на m; чтобы найти массу, делят Q на q: m = Q/q. Если известны Q и m, то удельную теплоту сгорания находят делением: q = Q/m. Массу следует подставлять в килограммах, тогда единицы в произведении Дж/кг · кг сокращаются до джоулей.

Формула описывает полное сгорание топлива и количество теплоты, которое при этом выделилось. Если часть топлива не сгорела, расчёт по всей его массе завысит результат. В реальных устройствах не вся выделившаяся энергия обязательно идёт на полезный нагрев: часть может передаваться окружающей среде, но это уже не меняет определение q.

Удельная теплота сгорания разных видов топлива

В таблице собраны ориентировочные значения удельной теплоты сгорания. Для каждого вида топлива указаны агрегатное состояние и выражение для расчёта теплоты при сгорании массы m.

Чтобы узнать количество теплоты, выбери строку нужного топлива, возьми его q и умножь на массу в килограммах. Значения в справочных таблицах могут немного различаться, поскольку свойства топлива зависят от его состава и влажности. Сравнивать виды топлива корректно при одинаковой массе и условии полного сгорания.

Разбор задач

Задача 1

При полном сгорании 2 кг топлива с удельной теплотой сгорания 3·10⁷ Дж/кг определить количество выделившейся теплоты. Из условия известны масса m и удельная теплота q, значит, можно найти Q. Проверим, что масса уже дана в килограммах и перевода единиц не требуется.

1. Запишем формулу: Q = qm.
2. Подставим данные: Q = 3·10⁷ · 2 = 6·10⁷ Дж.
3. Проверим единицы: (Дж/кг) · кг = Дж.

Ответ: при полном сгорании выделится 6·10⁷ Дж теплоты.

Задача 2

При сгорании топлива выделилось 6·10⁷ Дж теплоты. Найти массу топлива, если q = 3·10⁷ Дж/кг. Здесь требуется не количество теплоты, а масса, поэтому формулу Q = qm нужно преобразовать. Масса должна получиться в килограммах, так как q задано в Дж/кг.

1. Выразим массу: m = Q/q.
2. Подставим значения: m = (6·10⁷)/(3·10⁷) = 2 кг.
3. Проверим единицы: Дж ÷ (Дж/кг) = кг.

Ответ: сгорело 2 кг топлива.

Задача 3

Сравним теплоту при полном сгорании 0,5 кг дров и 0,5 кг бензина. По таблице возьмём q дров = 1,0·10⁷ Дж/кг, а q бензина = 4,6·10⁷ Дж/кг. Массы одинаковы, поэтому сравнение покажет, какое топливо выделит больше теплоты при сгорании этой массы.

1. Для дров: Q = qm = 1,0·10⁷ · 0,5 = 5,0·10⁶ Дж.
2. Для бензина: Q = qm = 4,6·10⁷ · 0,5 = 2,3·10⁷ Дж.
3. Сопоставим результаты: 2,3·10⁷ Дж больше, чем 5,0·10⁶ Дж.

Ответ: 0,5 кг бензина при полном сгорании выделит больше теплоты, чем 0,5 кг дров.

Типичные ошибки

Путают Q и q: первое — количество теплоты, выделившееся при сгорании конкретной массы, а второе — характеристика вида топлива. Ошибку допускают из-за похожих обозначений и связи величин в одной формуле. Проверь себя по единицам: Q измеряется в Дж, а q — в Дж/кг.

Иногда q принимают за всю теплоту, которая выделится при сгорании любой массы топлива. Но q относится только к одному килограмму, поэтому для другой массы нужно использовать Q = qm. Для проверки сравни единицы: умножение Дж/кг на килограммы даёт джоули, а само q количеством теплоты Q не является.

Если масса дана в граммах, её могут подставить в формулу без перевода, хотя q указано в Дж/кг. Тогда ответ получится неверным в тысячу раз, потому что в одном килограмме 1000 граммов. Перед вычислением переведи граммы в килограммы и проверь, что единицы массы согласованы с единицей q.

При поиске массы или удельной теплоты иногда неверно переставляют множители. Из Q = qm следует m = Q/q и q = Q/m, а не произведение Q на искомую величину. Проверка простая: подставь единицы в выбранную формулу — для массы должно получиться кг, для q — Дж/кг.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно знать, что количество теплоты обозначают Q и измеряют в джоулях; также пригодятся умение переводить массу в килограммы и преобразовывать формулы. Удельная теплота сгорания помогает рассчитывать, сколько топлива понадобится для получения нужной энергии. Эти расчёты применяют при изучении тепловых двигателей, расхода топлива и эффективности его использования: чем больше полезная энергия относительно затраченного топлива, тем эффективнее работа устройства.

Что запомнить

• При сгорании топлива выделяется теплота.
• Удельная теплота сгорания обозначается q.
• Удельная теплота сгорания показывает, сколько теплоты выделяется при полном сгорании 1 кг топлива.
• Единица измерения q — Дж/кг.
• Количество теплоты при полном сгорании топлива вычисляют по формуле Q = qm.
• Чем больше масса сгоревшего топлива, тем больше выделяется теплоты при неизменном q.