для чего нужна теплота сгорания
Удельная теплота сгорания
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).
Виды топлива
Человеку очень нужно тепло для всех процессов жизнедеятельности: например, для обогрева жилища, готовки, плавления металлов и получения других видов энергии. Чтобы получать тепло и свет, человек использует топливо. Когда люди впервые добыли огонь, без топлива тоже не обошлось — им послужила древесина.
Топливо — это любое вещество, выделяющее энергию в ходе определенных процессов.
Существует четыре группы видов топлива:
К твердому топливу относятся:
Ископаемые твердые виды топлива, кроме сланцев, являются продуктом разложения органической массы растений. Торф — самый молодой из них, он представляет собой плотную массу, которая образовалась из перегнивших болотных растений. Уже не такие молодые (скажем, средних лет 🤣) бурые угли — это темная однородная масса, которая окисляется и рассыпается на свежем воздухе. Горючие сланцы — полезные ископаемые, дающие смолу. Каменные угли — ребята с повышенной прочностью и небольшой пористостью.
Жидкое топливо — это, например, бензин или нефть. Газообразное — это смесь, содержащая в себе водород и окись углерода.
В горючей части топлива всегда есть углерод, кислород, водород, сера и азот. Кислород в соединении с углеродом или водородом уменьшает тепло, которое выделяется в процессе горения. Азот переходит в продукты сгорания, не окисляясь. Сера — вредная примесь, при сгорании которой выделяется в 4 раза меньше теплоты, чем при сгорании углерода.
Под ядерным топливом обычно имеют в виду изотопы урана — подробнее об этом мы рассказали в статье «Ядерный реактор».
Удельная теплота сгорания топлива
Теплота сгорания топлива определяет количество полностью сгоревшего горючего и полученную при этом процессе энергию. Эта величина определяет энергетическую ценность топлива.
Удельная теплота фигурирует в формуле количества теплоты, выделяемого при сгорании топлива.
Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива
Q — количество теплоты [Дж]
q — удельная теплота сгорания [Дж/м 3 ]
m — масса [кг]
Удельная теплота сгорания — это табличная величина, которая определяется экспериментально достаточно непростыми методами.
Ниже представлены таблицы с некоторыми значениями удельной теплоты сгорания.
Твердое топливо
Вещество
Удельная теплота сгорания,
Низшая, высшая и удельная теплота сгорания
Теплота сгорания это количеством выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Различают высшую (QB p ) и низшую (QH p ) теплоту сгорания.
Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.
Низшая теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании, без учёта теплоты конденсации водяного пара. Теплоту конденсации водяных паров также называют скрытой теплотой сгорания.
Таким образом, низшая теплота сгорания — это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема (для газа) горючего вещества и охлаждении продуктов сгорания до температуры точки росы. В теплотехнических расчетах низшая теплота сгорания принимается как 100%. Скрытая теплота сгорания газа — это теплота, которая выделяется при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Теоретически она может достигать 11%.
На практике, не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (QH p ), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в топливе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Для твердого и жидкого топлива низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):
QH P = QB P — 2514•(9H P + W P /100)
или
QH P = QB P — 600•(9H P + W P /100)
где:
— 2514 — теплота парообразования при температуре 0°С и атмосферном давлении, кДж/кг;
— H P и W P — содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %; 9 — коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.
Теплота сгорания является наиболее важной характеристикой топлива, так как определяет количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг). 1 ккал = 4,1868 или 4,19 кДж.
Низшая теплота сгорания определяется экспериментально для каждого вещества и является справочной величиной. Также её можно определить для твердых и жидких материалов, при известном элементарном составе, расчетным способом в соответствии с формулой Д.И. Менделеева, кДж/кг или ккал/кг:
QH P = 339 C P + 1256 H P — 109 (O P — SL P ) — 25,14 (9H P + W P )
или
QH P = 81 C P + 246 H P — 26 (O P — SL P ) — 6 W P
Удельная теплота сгорания — изменение энтальпии, которое сопровождает изотермически и изобарно протекающую реакцию сгорания единицы массы технологической среды с эквивалентным количеством кислорода.
Ниже, в таблице, приведена для примера низшая теплота сгорания некоторых веществ.
Горение — энергия топлива и удельная теплота сгорания
Приручив огонь, человек получил большое количество благ. Благодаря огню мы готовим пищу и обогреваем дома. Человеческая цивилизация начала развиваться — возникла металлургия и энергетика. Появились полезные инструменты, механизмы и изобретения.
Процесс горения топлива подарил нам возможность передвигаться на автомобилях и мотоциклах, летать на самолетах, запускать ракеты в космос и путешествовать по морю на кораблях.
До сих пор горение – это основной источник получения энергии во всем мире. В 2010 году сотрудники международного энергетического агентства IEA подсчитали, что 90 процентов всей энергии человечество получает, сжигая различное топливо.
Во время горения происходят химические превращения одних веществ в другие вещества. Такие превращения называют химическими реакциями.
Два вида химических реакций и энергия
Благодаря химическим реакциям в природе появилось множество различных веществ.
Примечание: Химики сложные вещества, состоящие из атомов различных хим. элементов, называют химическими соединениями.
Химические реакции – это процессы перегруппировки атомов:
При этом происходит поглощение, или выделение энергии.
Повышая температуру, мы ускоряем химические реакции
Скорость молекул зависит от температуры. Чем быстрее молекулы двигаются, тем чаще они будут сталкиваться. А когда количество столкновений увеличивается, то химические реакции протекают быстрее. Поэтому температура вещества влияет на химические реакции.
Во время протекания одних химических реакций тепловая энергия поглощается. Такие реакции называются эндотермическими (рис. 1).
Примерами эндотермических процессов могут служить процесс плавления или процесс парообразования.
А во время протекания других реакций, энергия, наоборот – выделяется. Такие химические реакции называют экзотермическими.
Среди экзотермических процессов можно отметить, например, конденсацию или кристаллизацию.
Примечание: Слова «эндотермический» и «экзотермический» пришли к нам из древнегреческого языка. По-гречески «Эндо» – внутри, «Экзо» – наружу, а «Термо» – тепло.
Что такое горение
В процессе горения температура резко повышается и выделяется большое количество тепловой энергии (теплоты). Поэтому, горение – это экзотермический процесс.
В топливе содержатся атомы химического элемента, который называется углеродом. При горении топлива каждый атом углерода объединяется в двумя атомами кислорода и выделяется энергия.
Когда горит какое-либо вещество, мы видим пламя (рис. 2).
Пламя – это поток раскаленных газов, часть пространства, в которой топливо и кислород превращаются в продукты сгорания.
Горение – процесс сложный, потому, что во время его протекания происходит цепочка химических превращений. В основном – это реакции окисления между сгорающим топливом и кислородом;
Примечание: В окружающем воздухе содержится кислород. Кислород – это сильный окислитель.
Что нужно, чтобы горение возникло
Только лишь наличия топлива и кислорода в окружающем воздухе недостаточно, чтобы это топливо загорелось. Мы должны сначала нагреть топливо до температуры, при которой произойдет его возгорание. Для предварительного нагрева мы используем источник зажигания. Например, спички, зажигалку и т. п.
Примечание: Чтобы горение возникло, нужно сначала нагреть топливо до температуры, при которой произойдет возгорание.
Например, самостоятельно может загореться бумага, наргетая до 233 градусов Цельсия или дерево, нагретое до 300 градусов Цельсия.
Поэтому, бездумно нагревать горючие вещества опасно. Так как нагретое горючее вещество способно самостоятельно загореться, иногда со взрывом.
Температура самовоспламенения некоторых веществ
Температура горения некоторых веществ
Температура частей пламени различается
Раскаленные до высокой температуры газы, выделяющиеся при сгорании топлива, светятся. Они образуют светлый ореол около горящего топлива. Этот ореол называют пламенем. Пламя можно условно разделить на слои. Температура таких слоев пламени различается. Чем ярче пламя, чем ближе его цвет к белому цвету, тем выше его температура.
Что такое удельная теплота сгорания
Мы уже знаем, что при горении выделяется теплота (тепловая энергия).
Количество теплоты, которое мы получим при сгорании, будет отличаться для разных видов топлива. Одно топливо будет выделять больше энергии, другое – меньше.
Чтобы сравнивать горючие вещества между собой, удобно сжигать 1 килограмм топлива и измерять выделяемое количество теплоты.
Примечание: Не путайте теплоту и температуру. Теплота – это тепловая энергия. Любую энергию измеряют в Джоулях. А температуру измеряют в градусах.
Тепловая энергия, которая выделяется при полном сгорании 1 кг топлива, называется удельной теплотой сгорания. Ее обозначают маленькой латинской буквой q.
\(\large q \left( \frac<\text<Дж>><\text<кг>>\right)\) – удельная теплота сгорания.
Примечание: Удельная теплота сгорания — это тепловая энергия, которая выделяется при полном сгорании 1 кг. топлива. Ранее мы уже сталкивались с удельными величинами (ссылка).
Удельную теплоту сгорания некоторых веществ можно найти в справочнике физики.
Как связаны количество теплоты и удельная теплота сгорания — формула
Мы можем посчитать количество теплоты, выделенной при сгорании, когда нам известны:
Для расчетов используем формулу:
\(\large Q \left( \text <Дж>\right) \) – количество теплоты, т. е. общая тепловая энергия;
\(\large q \left( \frac<\text<Дж>><\text<кг>> \right) \) – удельная теплота сгорания;
\(\large m \left( \text <кг>\right) \) – масса вещества;
Примечание: Если умножить удельную теплоту сгорания \(\large q \) на количество килограммов m сгоревшего вещества, то можно вычислить общее количество теплоты \(\large Q \), выделившейся при сгорании топлива.
Недостатки использования горения
На нашей планете из-за широкого использования горения возникают негативные последствия:
Из-за глобального потепления температура на планете поднялась на несколько градусов, начали таять многовековые льды на северном и южном полюсах, изменяется климат.
Теплота сгорания
Теплота́ сгора́ния — это количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания (дж или кал на 1 кг, м³ или моль).
Для её измерения пользуются методами калориметрии. Теплота сгорания определяется химическим составом горючего вещества. Содержащиеся в горючем веществе химические элементы обозначаются принятыми символами С, Н, О, N, S, а зола и вода — символами А и W соответственно.
Содержание
Виды теплоты сгорания
Теплота сгорания может быть отнесена к рабочей массе горючего вещества 
, то есть к горючему веществу в том виде, в каком оно поступает к потребителю; к сухой массе вещества 
; к горючей массе вещества 
, то есть к горючему веществу, не содержащему влаги и золы.
Различают высшую (
) и низшую (
) теплоту сгорания.
Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.
Низшая теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании, без учёта теплоты конденсации водяного пара. Теплоту конденсации водяных паров также называют скрытой теплотой сгорания.
Низшая и высшая теплота сгорания связаны соотношением: 
,
где k — коэффициент, равный 25 кДж/кг (6 ккал/кг); W — количество воды в горючем веществе, % (по массе); Н — количество водорода в горючем веществе, % (по массе).
Расчёт теплоты сгорания
Таким образом, высшая теплота сгорания — это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема (для газа) горючего вещества и охлаждении продуктов сгорания до температуры точки росы. В теплотехнических расчетах высшая теплота сгорания принимается как 100 %. Скрытая теплота сгорания газа — это теплота, которая выделяется при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Теоретически она может достигать 11 %.
На практике, не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (QHp), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в веществе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):
(для твердого вещества)
(для жидкого вещества), где:
• 2514 — теплота парообразования при температуре 0 °C и атмосферном давлении, кДж/кг;
• 
и 
— содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;
• 9 — коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.
Теплота сгорания является наиболее важной характеристикой топлива, так как определяет количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг). 1 ккал = 4,1868 или 4,19 кДж.
Низшая теплота сгорания определяется экспериментально для каждого вещества и является справочной величиной. Также её можно определить для твердых и жидких материалов, при известном элементарном составе, расчётным способом в соответствии с формулой Д. И. Менделеева, кДж/кг или ккал/кг:
, где:
, 
, 
, 
, 
— содержание в рабочей массе топлива углерода, водорода, кислорода, летучей серы и влаги в % (по массе).
Для сравнительных расчётов используется так называемое Топливо условное, имеющее удельную теплоту сгорания, равную 29308 кДж/кг (7000 ккал/кг).
В России тепловые расчёты (например, расчёт тепловой нагрузки для определения категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности [1] ) обычно ведут по низшей теплоте сгорания, в США, Великобритании, Франции — по высшей. В Великобритании и США до внедрения метрической системы мер удельная теплота сгорания измерялась в британских тепловых единицах (BTU) на фунт (lb) (1Btu/lb = 2,326 кДж/кг).
| Вещества и материалы | Низшая теплота сгорания  , МДж/кг |
|---|---|
| Бензин | 41,87 |
| Керосин | 43,54 |
| Бумага: книги, журналы | 13,4 |
| Древесина (бруски W = 14 %) | 13,8 |
| Каучук натуральный | 44,73 |
| Линолеум поливинилхлоридный | 14,31 |
| Резина | 33,52 |
| Волокно штапельное | 13,8 |
| Полиэтилен | 47,14 |
| Пенополистирол | 41,6 |
| Хлопок разрыхленный | 15,7 |
| Пластмасса | 41,87 |
Самые высокие значения теплоты сгорания природных газов из различных источников
Необходимое количество топлива для работы лампочки мощностью 100 Вт в течение года (876 кВт·ч )
(Количество топлива, указанное ниже, рассчитано при 100 % эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую. Так как большинство электрогенерирующих установок и распределительных систем достигают эффективности (КПД) порядка 30 % — 35 %, фактическое количество топлива, используемого для питания лампочки мощностью 100 Вт, будет приблизительно в три раза больше указанного количества).
Хлор и сера не совсем стандартизированы; обычно предполагается, что они превращаются в газообразный хлористый водород и SO
2 или ТАК
3 газа, соответственно, или для разбавления водной соляной и серной кислот, соответственно, когда сжигание проводится в бомбе, содержащей некоторое количество воды.
СОДЕРЖАНИЕ
Способы определения
Брутто и нетто
Более высокая теплотворная способность
Низкая теплотворная способность
Расчеты LHV предполагают, что водный компонент процесса сгорания находится в парообразном состоянии в конце сгорания, в отличие от более высокой теплотворной способности (HHV) (также известной как высшая теплотворная способность или брутто CV ), которая предполагает, что вся вода в процессе сгорания процесс находится в жидком состоянии после процесса сгорания.
Одно определение более низкой теплотворной способности, принятое Американским институтом нефти (API), использует стандартную температуру 60 ° F ( 15 + 5 ⁄ 9 ° C).
Определение, в котором все продукты сгорания возвращаются к эталонной температуре, легче рассчитать исходя из более высокой теплотворной способности, чем при использовании других определений, и фактически даст несколько иной ответ.
Брутто теплотворная способность
Измерение теплотворной способности
Соотношение между теплотворной способностью
Распространенный метод соотнесения HHV с LHV:
Использование терминов
Производители двигателей обычно оценивают потребление топлива своими двигателями по более низкой теплотворной способности, поскольку выхлопные газы никогда не конденсируются в двигателе, и это позволяет им публиковать более привлекательные цифры, чем те, которые используются в обычных терминах для электростанций. Традиционная энергетическая промышленность использовала исключительно HHV (высокая теплотворная способность) в течение десятилетий, хотя практически на всех этих электростанциях не производилась конденсация выхлопных газов. Американские потребители должны знать, что соответствующий показатель расхода топлива, основанный на более высокой теплотворной способности, будет несколько выше.
Разница между определениями HHV и LHV вызывает бесконечную путаницу, когда цитирующие не удосуживаются указать используемое соглашение. поскольку обычно существует разница в 10% между двумя методами для электростанции, сжигающей природный газ. Для простого сравнительного анализа части реакции может быть подходящим LHV, но HHV следует использовать для общих расчетов энергоэффективности, хотя бы во избежание путаницы, и в любом случае значение или соглашение должны быть четко указаны.
Учет влажности
И HHV, и LHV могут быть выражены в единицах AR (учитывается вся влажность), MF и MAF (только вода от сгорания водорода). AR, MF и MAF обычно используются для обозначения теплотворной способности угля:
Таблицы теплоты сгорания
| Топливо | МДж / кг | БТЕ / фунт | кДж / моль |
|---|---|---|---|
| Метанол | 22,7 | 9 800 | 726 |
| Спирт этиловый | 29,7 | 12 800 | 1,367 |
| 1-пропанол | 33,6 | 14 500 | 2,020 |
| Ацетилен | 49,9 | 21 500 | 1,300 |
| Бензол | 41,8 | 18 000 | 3 268 |
| Аммиак | 22,5 | 9 690 | 382,6 |
| Гидразин | 19,4 | 8 370 | 622,0 |
| Гексамин | 30,0 | 12 900 | 4 200,0 |
| Углерод | 32,8 | 14 100 | 393,5 |
Более высокая теплотворная способность природного газа из различных источников
Международное энергетическое агентство сообщает следующее типичные Высший подогрев значений за стандартный кубический метр газа: