"Химия (базовый уровень)", Журин А.А.
Топливо — вещество или смесь веществ, при сгорании которых выделяется энергия. Химическая энергия топлива превращается в тепловую, а затем может использоваться для получения механической и электрической энергии. В параграфе разобраны теплота сгорания, различия между возобновляемыми и невозобновляемыми источниками, преимущества и ограничения угля, нефти, газа, биомассы, Солнца, ветра и водорода. Особое внимание уделено расчётам и экологическим последствиям.
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. К нему относят уголь, нефть, природный газ, бензин, древесину и другие горючие материалы. Понятие нужно, чтобы отличать вещества, используемые для получения энергии, от сырья, которое применяют для других целей.
Теплота сгорания — количество теплоты, выделяемое при полном сгорании определённой массы топлива. Удельная теплота сгорания q показывает выделение энергии при сгорании 1 кг вещества и измеряется, например, в МДж/кг. С её помощью можно сравнивать топлива и находить энергию для любой массы: Q = qm.
Возобновляемый источник энергии пополняется естественными процессами за время, сопоставимое с периодом его использования. К таким источникам относятся солнечный свет, ветер, текущая вода и биомасса, а уголь, нефть и газ являются невозобновляемыми. Это различие помогает оценить, истощится ли ресурс при постоянном потреблении.
Водородная энергетика — получение и использование энергии с участием водорода. Водород может сгорать с образованием воды или использоваться в топливных элементах, но сначала его необходимо произвести. Поэтому водород считают энергоносителем: он переносит энергию, полученную из другого источника.
При сгорании химические связи в исходном топливе и кислороде перестраиваются, возникают новые вещества — продукты реакции. Если их суммарная энергия меньше энергии исходных веществ, разность выделяется в окружающую среду в виде теплоты и света. Поэтому топливо не создаёт энергию, а преобразует запасённую химическую энергию.
Сначала выделившаяся теплота нагревает воду и превращает её в пар либо нагревает газообразные продукты реакции. Пар или горячий газ вращает турбину, то есть тепловая энергия переходит в механическую. Генератор преобразует вращение в электрическую энергию, которую передают потребителям.
Уголь доступен и удобен для крупных тепловых электростанций, но его добыча разрушает ландшафты, а сжигание даёт много углекислого газа, золы и загрязняющих веществ. Нефть легко перевозить и перерабатывать в бензин, керосин и дизельное топливо, однако её запасы ограничены, а разливы вредят экосистемам. Природный газ обычно сгорает чище угля и нефти, но также выделяет углекислый газ, а утечки метана опасны для климата.
Возобновляемые источники уменьшают расход ископаемого топлива, потому что используют потоки энергии, которые постоянно поддерживаются природой. Солнечные панели и ветряки во время работы почти не сжигают топливо, однако зависят от освещённости и силы ветра. Поэтому нужны накопители, резервные станции или объединённая энергосистема, а строительство оборудования тоже расходует материалы и влияет на природу.
Водород удобен тем, что при его сгорании основным продуктом становится вода, а в топливном элементе можно напрямую получать электричество. Но свободного водорода мало, поэтому его выделяют из воды или соединений углерода, затрачивая энергию. Дополнительные сложности создают малая плотность газа, необходимость сжатия или охлаждения, специальные ёмкости и потери при транспортировке.
| Источник энергии | Возобновляемость | Как получают энергию | Преимущества | Ограничения и последствия |
|---|---|---|---|---|
| Уголь | Невозобновляемый | Сжигают, нагревают воду, вращают турбину | Большие запасы, удобен для электростанций | Много CO2, золы и загрязнителей; добыча нарушает ландшафты |
| Нефть и нефтепродукты | Невозобновляемые | Сжигают бензин, керосин, дизельное топливо и мазут | Высокая энергоёмкость, удобная перевозка и переработка | Ограниченные запасы, выбросы, риск разливов |
| Природный газ | Невозобновляемый | Сжигают газ для нагрева и выработки электричества | Удобен, эффективно сгорает, меньше твёрдых частиц | Выделяется CO2, утечки метана вредны для климата |
| Биомасса | Возобновляемая при правильном использовании | Сжигают древесину, отходы или биогаз | Использует органические отходы, может восполняться | Выбросы при сжигании, риск вырубки лесов и конкуренция за землю |
| Солнечная и ветровая энергия | Возобновляемые | Свет преобразуют панелями, ветер вращает турбины | Не требуют сжигания топлива во время работы | Зависят от погоды, требуют площадей, накопителей и оборудования |
| Водород | Не источник, а энергоноситель | Сжигают или используют в топливном элементе | При использовании образуется вода, возможна выработка электричества | Производство, хранение и перевозка требуют энергии и специальных технологий |
Таблицу удобно читать по строкам, если нужно оценить один источник сразу по нескольким признакам. Для сравнения двух источников смотрите один и тот же столбец: например, возобновляемость или последствия сжигания. Водород следует отличать от остальных строк: это не запас энергии природы, а способ её переноса.
При полном сгорании 2 кг топлива выделяется 60 МДж теплоты. Найдём удельную теплоту сгорания q, то есть энергию, приходящуюся на 1 кг топлива.
Ответ: теплота сгорания топлива равна 30 МДж/кг.
Сгорает 0,5 кг топлива с теплотой сгорания 30 МДж/кг. Вода получает только 70% выделившейся энергии, поэтому сначала найдём энергию топлива, а затем учтём коэффициент полезного действия.
Ответ: вода получила 10,5 МДж теплоты.
Первое топливо выделяет 25 МДж при сгорании 1 кг, второе — 40 МДж. Требуется получить 200 МДж, поэтому массу каждого топлива определяем по формуле m = Q/q.
Ответ: первого топлива потребуется 8 кг, второго — 5 кг. Одной теплоты сгорания недостаточно для экологической оценки: нужно учитывать состав выбросов, добычу, перевозку, отходы и риск загрязнения.
«Топливо создаёт энергию». Так говорят, потому что после зажигания становится доступно много теплоты. На самом деле реакция преобразует химическую энергию исходных веществ; проверить себя можно вопросом: куда исчезла энергия топлива до горения?
Путать теплоту сгорания с теплотой для любой массы. Удельная величина относится к 1 кг, а для всей порции нужно использовать Q = qm. Если масса увеличилась в два раза, при тех же условиях во столько же раз увеличится и выделившаяся теплота.
Называть водород первичным источником. Ошибка возникает из-за того, что водород удобно сжигать и хранить в нём энергию. Проверьте происхождение энергии: для получения свободного водорода сначала затрачивают электричество или другое топливо.
Считать возобновляемый источник полностью безвредным. Возобновляемость означает восстановление ресурса, а не отсутствие любого воздействия. Нужно учитывать производство оборудования, занятую площадь, отходы, шум и зависимость от природных условий.
Для понимания темы нужны знания о химических реакциях, экзо- и эндотермических процессах и законе сохранения энергии. Экзотермические реакции выделяют энергию, а эндотермические требуют её подвода. Это объясняет, почему горение может быть источником теплоты.
Тема связана с расчётами по уравнениям реакций и вычислением количества теплоты при сгорании веществ. Формулы Q = qm и q = Q/m помогают переходить от массы топлива к энергии и обратно. При этом необходимо следить за единицами измерения и учитывать КПД установки.
Представления об источниках энергии пригодятся при изучении химической промышленности, энергетики и экологических последствий деятельности человека. Выбор топлива зависит не только от его теплоты сгорания, но и от доступности, технологии использования и состава выбросов. Поэтому энергетические решения оценивают одновременно с химической и экологической сторон.
Почему при сгорании топлива выделяется энергия?
При сгорании старые химические связи разрушаются, а атомы соединяются в новые вещества. Если продукты реакции обладают меньшей энергией, чем исходные вещества, разность энергий выделяется главным образом в виде теплоты.
Как рассчитать количество теплоты, которое выделится при сгорании топлива?
Нужно умножить массу топлива на его удельную теплоту сгорания: Q = qm. Массу берут в килограммах, теплоту сгорания — в МДж/кг или Дж/кг, а результат получают в соответствующих единицах энергии.
Чем возобновляемые источники энергии отличаются от невозобновляемых?
Возобновляемые источники пополняются природными процессами за сравнительно короткое время: это солнечный свет, ветер и биомасса. Невозобновляемые ресурсы, например уголь, нефть и природный газ, образуются очень медленно и при использовании истощаются.
Почему водород считают энергоносителем, а не первичным источником энергии?
В природе водород обычно связан с другими элементами, поэтому свободный водород сначала нужно получить, затратив энергию. Он переносит и отдаёт эту энергию при сгорании или в топливном элементе, но сам не является её первоначальным источником.
Какие экологические проблемы связаны с использованием топлива?
При сжигании угля, нефти и газа образуются углекислый газ, оксиды серы и азота, частицы сажи и другие загрязнители. Они усиливают изменение климата, вызывают загрязнение воздуха и могут приводить к кислотным дождям.
38. Химия и энергетика
