"Химия (базовый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Топливо — вещество или смесь веществ, при сгорании которых выделяется энергия. Его используют для отопления, работы двигателей, получения электричества и проведения промышленных процессов. Топливо бывает твёрдым, жидким и газообразным, а по происхождению — ископаемым или биотопливом. Главная характеристика топлива — теплота сгорания, то есть количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы массы или объёма вещества.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Топливо — вещество или смесь веществ, при сгорании которых выделяется энергия. Его используют для отопления, работы двигателей и получения электричества. Топливо классифицируют по агрегатному состоянию и происхождению.
Теплота сгорания — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива. Её относят к единице массы, например МДж/кг, или к единице объёма, например МДж/м³. Это позволяет сравнивать разные топлива и рассчитывать необходимый расход.
Ископаемое топливо — топливо, образовавшееся из древних остатков живых организмов за длительное время в недрах Земли. К его основным видам относят уголь, нефть и природный газ. Запасы такого топлива ограничены и восстанавливаются чрезвычайно медленно.
Биотопливо получают из биомассы — растительного или животного сырья. Для его производства используют древесину, солому, сельскохозяйственные отходы, растительные масла и органические отходы. Такое сырьё может возобновляться, если его использование не превышает скорость природного восстановления.
Энергия топлива высвобождается при окислении его горючих компонентов кислородом. Например, углерод превращается в углекислый газ, а водород — в воду, и при этом выделяется теплота. Чем полнее протекает реакция и чем лучше организована подача кислорода, тем больше энергии удаётся получить от данной порции топлива.
По агрегатному состоянию топливо делят на твёрдое, жидкое и газообразное. Твёрдые виды удобно хранить, но их сложнее равномерно подавать в топку и смешивать с воздухом. Жидкости легко перевозить по трубопроводам и распылять, а газообразное топливо особенно удобно дозировать и смешивать с воздухом, хотя для него нужны герметичные системы.
Ископаемое топливо возникало из остатков организмов, погребённых под слоями осадочных пород. Под действием давления, температуры и времени органическое вещество постепенно изменялось: растительные остатки превращались преимущественно в уголь, а остатки морских организмов дали начало нефти и газу. Поэтому образование таких ресурсов занимает миллионы лет, а их потребление происходит намного быстрее.
Состав топлива определяет его свойства и применение. Уголь содержит преимущественно углерод и при сжигании образует золу; нефть представляет собой смесь углеводородов, из которой получают бензин, керосин и другие продукты. Природный газ состоит главным образом из метана, поэтому его используют в быту, энергетике и как сырьё химической промышленности.
Выбор топлива нельзя делать только по величине теплоты сгорания. Учитывают доступность сырья, стоимость добычи и перевозки, безопасность хранения, устройство оборудования и состав выбросов. Например, газ обычно даёт меньше золы и твёрдых частиц, но при его сгорании всё равно образуется углекислый газ, а утечки метана опасны для климата.
Таблица помогает сопоставить не только агрегатное состояние, но и состав топлива, его применение и ограничения. При сравнении обращайте внимание, указана ли теплота сгорания на единицу массы или объёма. Один и тот же вид топлива может использоваться по-разному в зависимости от оборудования и условий хранения.
| Вид топлива | Примеры | Основные горючие компоненты | Применение и особенности |
|---|---|---|---|
| Твёрдое | Уголь, дрова, торф, пеллеты | Углерод, органические вещества | Отопление и энергетика; удобно хранить, но образуются зола и твёрдые частицы. |
| Жидкое | Бензин, дизельное топливо, мазут | Углеводороды | Двигатели и промышленность; легко транспортируется, требует защиты от утечек и воспламенения. |
| Газообразное | Природный газ, пропан-бутан, биогаз | Метан и другие горючие углеводороды | Отопление, электростанции, двигатели; удобно дозировать, но необходима герметичность. |
| Биотопливо | Древесные гранулы, биоэтанол, биодизель, биогаз | Органические вещества, спирты, метан | Получают из возобновляемой биомассы; экологический эффект зависит от сырья и технологии производства. |
При полном сгорании 2 кг угля выделилось 56 МДж теплоты. Требуется найти теплоту сгорания на единицу массы. Это величина, показывающая, сколько теплоты приходится на 1 кг топлива.
Ответ: теплота сгорания угля равна 28 МДж/кг.
Сгорает 5 кг топлива с теплотой сгорания 30 МДж/кг. Нужно определить общее количество выделившейся теплоты. Здесь значение q уже дано для одного килограмма, поэтому его умножают на массу всей порции.
Ответ: при сгорании топлива выделится 150 МДж теплоты.
Для нагревания установки требуется 120 МДж полезной теплоты. Теплота сгорания топлива равна 40 МДж/кг, а полезно используется 75% энергии. Сначала найдём всю энергию, которую должно выделить топливо, затем определим его массу.
Ответ: нужно сжечь 4 кг топлива. Проверка: 4 · 40 = 160 МДж, а 160 · 0,75 = 120 МДж полезной теплоты.
Теплоту сгорания путают с количеством теплоты в конкретном опыте. Количество теплоты относится ко всей сгоревшей порции, а теплота сгорания — к единице массы или объёма. Проверьте размерность: для первой величины подходят МДж, для второй — МДж/кг или МДж/м³.
Иногда подставляют массу в формулу, когда значение теплоты сгорания дано на объём, или наоборот. Причина ошибки — невнимательное чтение единиц измерения. Перед вычислением выпишите отдельно m и V и убедитесь, что единица в знаменателе совпадает с используемой величиной.
Ошибочно считать, что при любом горении образуется только углекислый газ. При недостатке кислорода возникает неполное сгорание, при котором появляются угарный газ и сажа. Оценить условие можно по подаче воздуха и по уравнению реакции: для полного горения кислорода должно хватать.
При расчёте полезной энергии иногда принимают всю теплоту сгорания за энергию нагревания. На практике часть теплоты теряется, поэтому используют коэффициент полезного действия или коэффициент полезного использования. Если η меньше единицы, необходимая энергия топлива должна быть больше полезной энергии.
Для понимания горения нужны знания о химических реакциях, окислении и составлении уравнений реакций. По уравнению можно определить, какие вещества расходуются и образуются при полном или неполном горении.
Тема связана с расчётами по химическим уравнениям и энергетикой. Она также помогает оценивать состав выбросов и влияние продуктов сгорания на воздух, климат и здоровье человека.
Понятие теплоты сгорания используют при сравнении энергоносителей. Оно необходимо в задачах на расход топлива, количество выделившейся теплоты и эффективность оборудования.
Почему топливо выделяет энергию при сгорании?
При сгорании горючие компоненты топлива окисляются кислородом. В результате образуются более устойчивые вещества, а разность энергий исходных и конечных веществ выделяется главным образом в виде теплоты.
Чем теплота сгорания отличается от количества теплоты?
Количество теплоты — это энергия, выделившаяся при сгорании конкретной порции топлива. Теплота сгорания показывает, сколько энергии выделяет единица массы или объёма топлива.
Почему природный газ считают более чистым топливом, чем уголь?
В природном газе много метана, поэтому при полном сгорании на единицу полученной энергии обычно образуется меньше углекислого газа, чем при сжигании угля. Кроме того, газ даёт меньше золы и твёрдых частиц, но его утечки и продукты сгорания всё равно опасны для окружающей среды.
Что образуется при неполном сгорании топлива?
При недостатке кислорода топливо сгорает не полностью. Тогда вместе с углекислым газом могут образоваться угарный газ и частицы сажи.
Почему при расчёте расхода топлива учитывают потери энергии?
Не вся теплота сгорания поступает к нужному объекту: часть энергии уходит с горячими газами, на нагрев оборудования и в окружающую среду. Поэтому фактический расход топлива больше расчётного для идеальных условий.
§ 21. Топливо
