"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Топливо при сгорании выделяет энергию, которую используют для отопления, приготовления пищи и работы двигателей. Количество выделившейся энергии зависит и от массы топлива, и от его вида. Чтобы сравнивать разные виды топлива, используют удельную теплоту сгорания q: она показывает, сколько энергии выделяет один килограмм топлива при полном сгорании. Основная формула темы — Q = qm, где Q — энергия, m — масса, а q — характеристика топлива.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Топливом называют вещество, которое используют для получения энергии при сгорании. Топливом могут служить дрова, каменный уголь, бензин и природный газ. Эти вещества различаются составом и свойствами, но их объединяет способность выделять энергию при горении. Понятие топлива нужно, чтобы понимать, какие вещества рассматривают в тепловых расчётах.
Теплота сгорания топлива Q — это энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива. Здесь Q относится к той массе, которая действительно сгорела, поэтому для разных масс одного и того же топлива значение Q будет разным. Эту величину измеряют в джоулях (Дж). Она нужна, чтобы оценивать энергию, полученную при сжигании конкретной порции топлива.
Удельная теплота сгорания q — энергия, выделяющаяся при полном сгорании единицы массы топлива. В задачах единицей массы обычно служит один килограмм, поэтому q показывает энергию от сгорания 1 кг. Эта величина помогает сравнивать топлива, даже если рассматриваемые порции имеют разную массу. Для такого сравнения используют одинаковую массу каждого топлива.
В формулах Q обозначает теплоту сгорания, m — массу топлива, а q — удельную теплоту сгорания. Q измеряется в джоулях, m — в килограммах, q — в джоулях на килограмм (Дж/кг). Единицы связаны так: Дж/кг × кг = Дж. Проверка единиц помогает заметить ошибку в вычислениях ещё до получения ответа.
При сгорании топлива происходит химическое превращение: исходные вещества становятся продуктами сгорания. Внутренняя энергия топлива при этом превращается главным образом во внутреннюю энергию продуктов сгорания и окружающих тел. Именно поэтому воздух и предметы рядом с огнём нагреваются. Энергия не исчезает, а переходит от одних тел и веществ к другим.
У одного и того же топлива каждая одинаковая порция массы при полном сгорании выделяет одинаковую долю энергии. Поэтому, если сжечь больше топлива, суммарно выделится больше энергии. Например, при удвоении массы того же топлива теплота сгорания тоже удвоится, если условия сгорания одинаковы. Такая пропорциональность позволяет рассчитывать энергию для любой массы.
Однако сравнивать топлива только по энергии от разных порций неудобно: одна порция может быть больше другой. Удельная теплота сгорания решает эту проблему, потому что показывает энергию на единицу массы. Чем больше q, тем больше энергии выделит килограмм данного топлива при полном сгорании. Поэтому q служит характеристикой вида топлива, а не размера выбранной порции.
По определению q = Q/m: удельная теплота сгорания равна энергии, делённой на массу. Перенесём множители в этой записи и получим основную формулу Q = qm. Если нужно найти энергию, умножаем q на m; если нужна удельная теплота сгорания, делим Q на m. Массу находят делением энергии на удельную теплоту: m = Q/q.
У разных видов топлива значения q неодинаковы, поскольку вещества имеют разный состав и при сгорании дают разное количество энергии на каждый килограмм. Для вычислений берут значение q, соответствующее указанному в условии виду топлива. При этом предполагают, что топливо сгорает полностью. Если часть топлива не сгорела, формула по табличному q не описывает реальное количество выделившейся энергии без дополнительных сведений.
| Вид топлива | Удельная теплота сгорания q, Дж/кг | Энергия при сгорании массы m, Дж |
|---|---|---|
| Дрова | 1,0·10⁷ | 1,0·10⁷·m |
| Каменный уголь | 2,7·10⁷ | 2,7·10⁷·m |
| Бензин | 4,6·10⁷ | 4,6·10⁷·m |
| Природный газ | 4,4·10⁷ | 4,4·10⁷·m |
| Как использовать значение q в расчёте Q = qm | Выберите строку нужного топлива, затем умножьте его q на массу m в килограммах. | |
Значения в таблице примерные: в зависимости от состава и состояния топлива они могут отличаться. Для расчёта выберите значение q для нужного топлива и подставьте массу в килограммах в формулу Q = qm. В последней строке показано, как записать результат для каждого вида топлива через массу m.
Во всех задачах сначала определите, какая величина известна и какую требуется найти. Затем выберите подходящую форму связи Q = qm и проверьте единицы. В расчётах ниже предполагается полное сгорание топлива.
При полном сгорании 2 кг топлива выделилось 6·10⁷ Дж энергии. Найдите удельную теплоту сгорания топлива. Известны Q и m, значит, нужно найти энергию, приходящуюся на один килограмм. Для этого используем q = Q/m.
Ответ: q = 3·10⁷ Дж/кг.
Удельная теплота сгорания сухих дров равна 1,0·10⁷ Дж/кг. Сколько теплоты выделится при сгорании 3 кг дров? Здесь известны q и m, а требуется найти Q, поэтому достаточно воспользоваться основной формулой. Обратите внимание: масса уже выражена в килограммах.
Ответ: Q = 3,0·10⁷ Дж.
Для нагревания установки требуется 8,4·10⁷ Дж энергии. Сколько бензина нужно сжечь, если q бензина равно 4,2·10⁷ Дж/кг и вся выделившаяся энергия передаётся установке? Здесь нужно найти массу, а условие о передаче всей энергии позволяет считать, что энергия сгорания равна требуемой энергии установки. Поэтому применяем m = Q/q.
Ответ: нужно сжечь 2 кг бензина.
Путать теплоту сгорания Q и удельную теплоту сгорания q — значит смешивать энергию от конкретной порции топлива с энергией на единицу массы. Эту ошибку допускают, если не обращают внимания на формулировку задачи и единицы измерения. Проверьте себя по единицам: у Q должны быть джоули, а у q — джоули на килограмм. Если масса меняется, Q меняется, а q для того же вида топлива остаётся характеристикой топлива.
Подстановка массы в граммах в формулу с q в Дж/кг даёт неверный результат, потому что единицы не согласованы. Например, 500 г нужно сначала записать как 0,5 кг. Ошибку часто допускают, когда в условии используют граммы, а ученик сразу вводит число в формулу. Перед вычислением проверьте, что масса выражена в килограммах.
Нельзя считать, что равные массы любых топлив выделяют одинаковую энергию: значение q зависит от вида топлива. Это заблуждение возникает из-за того, что масса одна и та же, но состав топлива не учитывается. Проверьте себя: для сравнения умножьте массу на отдельное q каждого вида топлива. Полученные значения Q могут различаться.
Расчёт Q = qm предполагает полное сгорание, а в реальности часть топлива может остаться несгоревшей или энергия может не попасть к нужному телу. Эту ошибку допускают, принимая расчётное значение за гарантированно полученную полезную энергию. Внимательно читайте условие: если в нём сказано, что вся энергия передаётся установке, используйте это допущение. Если указаны потери, для их учёта нужны дополнительные данные.
Для этой темы понадобятся понятия массы, энергии и внутренней энергии, а также умение пользоваться единицами измерения. Они помогают понять смысл величин Q, m и q и правильно выполнять вычисления. Без перевода единиц, например граммов в килограммы, формула может дать неверный ответ.
Расчёты с топливом связаны с теплопередачей и количеством теплоты при нагревании и охлаждении тел. При сгорании энергия переходит к продуктам сгорания и окружающим телам, а затем может нагревать нужный предмет. Это позволяет рассматривать топливо в общей теме тепловых процессов.
Знание q пригодится, когда нужно оценить расход топлива для получения заданного количества энергии. Такие расчёты применяют при изучении энергетических установок и в задачах о тепловых процессах. Формула m = Q/q помогает связать требуемую энергию с массой топлива.
Что показывает удельная теплота сгорания топлива?
Она показывает, сколько энергии выделяется при полном сгорании единицы массы топлива. Обычно в школьных задачах рассматривают 1 кг.
Почему у разных видов топлива разные значения q?
Топливо разных видов состоит из разных веществ и имеет разный состав. Поэтому при полном сгорании одного килограмма каждого топлива выделяется разное количество энергии.
В каких единицах измеряют удельную теплоту сгорания?
В джоулях на килограмм, то есть в Дж/кг. Эта единица показывает, сколько джоулей выделяется при сгорании одного килограмма топлива.
Как найти массу топлива, если известны выделившаяся энергия и q?
Используйте формулу m = Q/q. Подставляйте Q в джоулях, а q — в джоулях на килограмм: масса получится в килограммах.
Почему в задачах предполагают полное сгорание топлива?
Значения удельной теплоты сгорания относятся к случаю, когда топливо сгорает полностью. Это позволяет применять формулу Q = qm без дополнительных данных о несгоревшем топливе.
§ 25. Удельная теплота сгорания топлива
