§ 13. Энергия топлива. Удельная теплота сгорания

ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ГОРЕНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ

В предыдущих темах теплопередача рассматривалась исключительно как физический процесс, в котором состав веществ оставался неизменным: нагревалась вода, остывал металл, обменивались энергией соприкасающиеся тела. Однако колоссальные объёмы теплоты, необходимые человеку для обогрева жилищ, работы транспорта, тепловых электростанций и металлургических заводов, получают совершенно иным путём — с помощью сжигания топлива (природного газа, угля, нефти, бензина, керосина, торфа, дров).

В процессе горения одни вещества превращаются в другие — протекает бурная химическая реакция окисления.

Большинство используемых человечеством горючих материалов содержат в своём составе углерод ($\text{C}$) и водород ($\text{H}$):

• Горение чаще всего протекает с участием атмосферного кислорода ($\text{O}_2$).
• При нагревании до температуры воспламенения молекулы топлива распадаются на отдельные атомы, после чего каждый атом углерода прочно соединяется с двумя атомами кислорода, образуя устойчивую молекулу углекислого газа ($\text{CO}_2$).
• Атомы водорода соединяются с кислородом, образуя пары воды ($\text{H}_2\text{O}$).
• На разрыв связей в исходных молекулах топлива затрачивается определённая энергия, но при образовании новых, химически более прочных молекул углекислого газа и воды выделяется несравненно большее количество энергии. Эта избыточная энергия выделяется в окружающую среду в виде кинетической энергии хаотического движения образующихся молекул (теплоты) и светового излучения (пламени).

Чем выше процентное содержание углерода и водорода в горючем материале, тем большую ценность представляет данное топливо и тем больше тепла выделяется при его сгорании.

ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ И ЕДИНИЦЫ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ

Многочисленные прецизионные опыты показывают, что количество теплоты, выделяющееся при горении, строго пропорционально массе сгоревшего топлива и напрямую зависит от его химической природы (рода топлива). Чтобы количественно сопоставлять энергетическую ценность различных видов горючего, в физику введена специальная величина — удельная теплота сгорания топлива.

• Удельная теплота сгорания топлива — это скалярная физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании одного килограмма топлива данного вида.

В физических формулах удельная теплота сгорания обозначается малой латинской буквой $q$. Её расчётная формула имеет вид:

где:

• $Q$ — количество теплоты, выделившееся при сгорании;
• $m$ — масса сгоревшего топлива.

• Единица измерения в СИ: Поскольку теплота измеряется в джоулях, а масса — в килограммах, единица удельной теплоты сгорания в Международной системе единиц (СИ) — джоуль на килограмм ($\text{Дж}/\text{кг}$). Из-за огромной энергоёмкости горючих материалов табличные значения обычно приводятся в мегаджоулях на килограмм ($\text{МДж}/\text{кг}$) или умноженными на $10^7 \text{ Дж}/\text{кг}$.

Конкретный физический смысл: Удельная теплота сгорания торфа составляет $q = 1,4 \cdot 10^7 \text{ Дж}/\text{кг}$. Это означает, что при полном сгорании $1 \text{ кг}$ сухого торфа в окружающую среду выделяется ровно $14\,000\,000 \text{ Дж}$ тепловой энергии. Соответственно, при сгорании $2 \text{ кг}$ торфа выделится вдвое больше тепла — $2,8 \cdot 10^7 \text{ Дж}$.

СРАВНЕНИЕ ЭНЕРГОЁМКОСТИ ВИДОВ ТОПЛИВА И ФОРМУЛА РАСЧЁТА

Чтобы вычислить общее количество теплоты $Q$, выделяющееся при полном сгорании произвольной массы $m$ любого топлива, достаточно удельную теплоту сгорания умножить на его массу:

Все виды топлива по их теплотворной способности разделяют на несколько основных групп (по справочным данным физических таблиц):

• Низкокалорийное топливо: порох ($0,38 \cdot 10^7 \text{ Дж}/\text{кг}$), сухие дрова ($1,0 \cdot 10^7 \text{ Дж}/\text{кг}$), горючий сланец и торф ($1,4 \cdot 10^7 \text{ Дж}/\text{кг}$). Из-за высокого содержания влаги и балластных негорючих примесей дрова и торф дают сравнительно мало полезного тепла.
• Среднекалорийное топливо: каменный уголь ($2,7 \cdot 10^7 \text{ Дж}/\text{кг}$), этиловый спирт ($2,7 \cdot 10^7 \text{ Дж}/\text{кг}$), антрацит ($3,0 \cdot 10^7 \text{ Дж}/\text{кг}$), берёзовый древесный уголь ($3,4 \cdot 10^7 \text{ Дж}/\text{кг}$).
• Высококалорийное углеводородное топливо: сырая нефть ($4,4 \cdot 10^7 \text{ Дж}/\text{кг}$), природный сетевой газ ($4,4 \cdot 10^7 \text{ Дж}/\text{кг}$), автомобильный бензин ($4,6 \cdot 10^7 \text{ Дж}/\text{кг}$), авиационный керосин ($4,6 \cdot 10^7 \text{ Дж}/\text{кг}$).
• Абсолютный рекордсмен — чистый водород: $q_{\text{водорода}} = 12 \cdot 10^7 \text{ Дж}/\text{кг} = 1,2 \cdot 10^8 \text{ Дж}/\text{кг}$. Энергоотдача водорода почти в три раза превышает показатели бензина, а единственным продуктом его сгорания является экологически чистая вода. Именно поэтому водород рассматривается как перспективное ракетное и экологическое топливо будущего.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВА

Сжигание миллиардов тонн органического топлива ежегодно ставит перед человечеством острейшие экологические вызовы:

1. Загрязнение воздушного бассейна: При неполном сгорании топлива образуются крайне токсичный угарный газ ($\text{CO}$), сажа, оксиды серы ($\text{SO}_2$) и азота ($\text{NO}_x$), вызывающие кислотные дожди и поражающие дыхательную систему живых организмов.
2. Дефицит кислорода и парниковый эффект: Сжигание колоссальных объёмов угля, мазута и бензина поглощает миллионы тонн свободного кислорода из атмосферы и выбрасывает гигантские объёмы углекислого газа ($\text{CO}_2$), что усиливает парниковый эффект и ведёт к глобальным изменениям климата.
3. Пути решения проблемы: Для защиты биосферы необходима установка высокоэффективных золоуловителей и фильтров на ТЭС, повышение коэффициента полезного действия (КПД) тепловых двигателей, широкое внедрение газомоторного топлива, а также постепенный переход на альтернативную энергетику (атомную, солнечную, ветровую и водородную).