§ 32. Теплота сгорания топлива

Определения и обозначения

Топливо — вещество, которое при сгорании выделяет значительное количество теплоты и служит источником энергии. К нему относят дрова, уголь, нефть, бензин и природный газ. Это понятие нужно, чтобы отличать вещества, которые используют для получения энергии.

Теплота сгорания топлива — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива. Полное сгорание означает, что топливо прореагировало с достаточным количеством кислорода. Такая характеристика позволяет сравнивать разные топлива по выделяемой энергии.

Удельная теплота сгорания топлива — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. Её обозначают буквой q и измеряют в Дж/кг или МДж/кг. Величина q показывает свойства самого топлива, а не размер взятой порции.

Количество теплоты при сгорании обозначают Q и связывают с массой топлива m формулой Q = qm. Здесь Q — вся выделившаяся теплота, q — теплота на 1 кг, а m — масса топлива. Формула нужна для расчёта энергии, которую даст конкретное количество топлива.

Как это устроено

Горение является химической реакцией: вещества топлива соединяются с кислородом, а их химическая энергия превращается главным образом во внутреннюю энергию окружающих тел. Поэтому нагреваются воздух, посуда, вода или детали установки. Часть энергии может уходить вместе с продуктами сгорания и рассеиваться в окружающей среде.

Если взять больше одного и того же топлива, число частиц, участвующих в реакции, увеличится. Каждая одинаковая порция вещества при полном сгорании даёт примерно одинаковую энергию, поэтому общий результат растёт вместе с массой. Именно поэтому количество теплоты прямо пропорционально массе: при увеличении m в 2 раза Q также увеличивается в 2 раза.

У разных топлив различается химический состав и количество энергии, запасённой в связях их частиц. Поэтому при сгорании 1 кг дров и 1 кг бензина получаются разные значения теплоты. Удельная теплота сгорания позволяет сравнивать именно виды топлива, исключая влияние массы.

Формула Q = qm означает, что теплота от одного килограмма q повторяется для каждого килограмма топлива. Если неизвестна масса, формулу преобразуют к виду m = Q/q, а если неизвестна характеристика топлива — к виду q = Q/m. При таком преобразовании величины сохраняют физический смысл и единицы измерения.

Перед решением задачи нужно проверить единицы и условие полного сгорания. Например, если q дана в МДж/кг, массу удобно оставить в килограммах, а ответ получить в мегаджоулях. Если результат требуется в джоулях, используют соотношение 1 МДж = 1 000 000 Дж; граммы предварительно переводят в килограммы.

Удельная теплота сгорания различных видов топлива

В таблице приведены ориентировочные значения q для распространённых видов топлива. Чем больше число в средней колонке, тем больше теплоты выделяет 1 кг вещества при полном сгорании.

Чтобы найти теплоту, выберите строку нужного топлива и умножьте указанное q на массу в килограммах. Для обратного расчёта сравните найденное значение q с таблицей. Табличные данные используют для полного сгорания и могут быть округлёнными.

Разбор задач

Задача 1

Найти количество теплоты при полном сгорании 2 кг каменного угля, если q = 30 МДж/кг. Известны масса топлива и его удельная теплота сгорания, поэтому применяем прямую формулу.

1. Записываем данные: m = 2 кг, q = 30 МДж/кг.
2. Используем формулу Q = qm.
3. Подставляем значения: Q = 30 МДж/кг · 2 кг = 60 МДж.

Ответ: при полном сгорании выделится 60 МДж теплоты. Килограммы сокращаются, поэтому единицей результата остаётся мегаджоуль.

Задача 2

Определим массу дров, необходимую для получения 50 МДж, если q = 10 МДж/кг. Здесь неизвестна масса, поэтому исходную формулу нужно преобразовать. Деление теплоты на количество теплоты от 1 кг даст число килограммов.

1. Записываем данные: Q = 50 МДж, q = 10 МДж/кг.
2. Выражаем массу: m = Q/q.
3. Вычисляем: m = 50 МДж : 10 МДж/кг = 5 кг.

Ответ: нужно сжечь 5 кг дров. Единицы МДж сокращаются, и получается масса в килограммах.

Задача 3

При сгорании 2 кг топлива выделилось 92 МДж. Нужно определить, бензин это или каменный уголь, если их q равны 46 и 30 МДж/кг. Сначала найдём характеристику неизвестного топлива, а затем сопоставим её с табличными значениями.

1. Записываем данные: Q = 92 МДж, m = 2 кг.
2. Выражаем удельную теплоту: q = Q/m.
3. Получаем q = 92 МДж : 2 кг = 46 МДж/кг.
4. Значение 46 МДж/кг соответствует бензину, а не каменному углю.

Ответ: топливо — бензин. Проверка показывает, что 2 кг бензина дадут 46 · 2 = 92 МДж.

Типичные ошибки

Путают q и Q: q относится к одному килограмму, а Q — ко всей массе. Такая ошибка появляется, когда не различают удельную величину и общий результат. Проверьте обозначения и единицы: у q есть «на килограмм», у Q — только единица энергии.

Записывают Q = q/m вместо Q = qm. Деление противоречит прямой пропорциональности: при увеличении массы теплоты должно становиться больше, а не меньше. Быстрая проверка — мысленно увеличить массу вдвое и посмотреть, увеличится ли ваш результат вдвое.

Не переводят МДж в Дж или граммы в килограммы. Из-за этого ответ отличается от правильного в миллион или тысячу раз. Перед вычислением выпишите единицы всех данных и проверьте, согласуются ли они между собой.

Берут q не для того топлива или забывают о полном сгорании. Значения в таблице относятся к конкретному виду вещества и к полной реакции с кислородом. Сверьте название топлива с условием и убедитесь, что в задаче не требуется учитывать неполное сгорание.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны понятия количества теплоты, энергии, массы и единицы их измерения, а также формулы нагревания тела. Расчёты сгорания связаны с законом сохранения энергии и тепловым балансом: выделившаяся энергия распределяется между нагреваемыми телами и окружающей средой. Эти знания применяют при определении расхода топлива, изучении тепловых двигателей и расчёте коэффициента полезного действия нагревателей.

Что запомнить

• Топливо выделяет энергию при химической реакции горения.
• Удельная теплота сгорания q показывает, сколько теплоты выделяет 1 кг топлива.
• Единица удельной теплоты сгорания — Дж/кг; часто используют МДж/кг.
• При полном сгорании количество теплоты определяют по формуле Q = qm.
• Массу топлива находят по формуле m = Q/q.
• Удельная теплота сгорания зависит от вида топлива, а не от его массы.