Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. И так сгорание...с точки зрения химии, что означает процесс сгорания или горения? Окисление. А что такое окисление? Это реакция взаимодействия какого-либо вещества с кислородом. Окисление какого-то вещества может сопровождаться выделением большого количества энергии. И это окисляющееся вещество можно использовать в качестве источника энергии и это вещество мы и называем топливом. Т.е топливо - это вещество, которое при сгорании выделяет большое количество энергии. А как в химии называются реакции с выделением энергии? Такие реакции называют экзотермическими. Т.е горение - это экзотермическая реакция соединений с кислородом. Поскольку мы все-таки хотим как-то проникнуть в глубину, то попробуем разобраться каким образом при горении выделяется энергия. Самый простой пример - это горение углерода, например в виде угля.
Мы знаем, что существует очень много разных видов топлива. Давайте перечислим некоторые из них:
- твердое - уголь, древесина;
- жидкое - нефть, керосин, бензин;
- газообразное - метан, пропан и др.
Еще топливо подразделяют на природное и искусственное. Какое мы знаем природное топливо? Уголь, нефть...но как говорил Менделеев, что: "Топить можно и ассигнациями". И поэтому нефтью ни в коем случае не надо топить, так как нефть можно использовать и для других целей, в частности, из нефти можно получать и искусственное топливо. Давайте вспомним какие виды искусственного топлива мы знаем из нефти: бензин, керосин, мазут, солярка - все это искусственное топливо. Есть еще и сухое горючее, которое можно найти в хозяйственных товарах; спирт - его тоже в природе не существует, его приготавливают - это тоже искусственное топливо. И вот когда изучали количество теплоты, которое выделяется при сгорании того или иного вида топлива обнаружили, что некоторые виды топлива при одной и той же массе выделяют большее количество теплоты, а некоторые виды выделяют меньшее количество теплоты. Например, если мы сожжем килограмм бензина, то у нас выделится большее количество теплоты, чем если мы сожжем килограмм спирта. А если мы сожжем килограмм спирта, то он выделить большее количество теплоты, если мы сожжем килограмм древесины, например, дров. Значит, топливо можно охарактеризовать какой-то способностью выделять энергию. И эта способность называется удельной теплотой сгорания. Давайте порассуждаем...если мы, например, сожгли два килограмма топлива полностью, то у нас, наверное, выделилось в два раза больше теплоты, чем если бы мы сожгли один килограмм. Если мы сожгли 10 килограммов топлива, то выделится в 10 раз больше теплоты, чем если бы мы сожгли один килограмм. Но, если мы разделим количество теплоты, которое выделиться при полном сгорании топлива, то получим...
Но при этом стоит помнить об одной вещи, то что мы сейчас привели в видеоролике выше - это упрощенно. Когда мы с вами разговаривали в лекции о видах теплопередачи о тяге, то говорили о том, что необходимо соблюдать определенные правила техники безопасности: нельзя пока полностью не сгорел уголь закрывать заслонку, которая дает возможность продуктам сгорания уйти в трубу, потому что можно угореть. Дело в том, что при неполном сгорании углерода образуется угарный газ (CO) - это страшный яд. Но, кроме того, он еще способен гореть. Угарный газ, горя превращается в углекислый газ. Значит, если мы хотим охарактеризовать теплотворную способность топлива, обязательно нужно упомянуть, что мы сожгли его полностью. Что мы углерод сожгли до углекислого газа, а не до угарного газа. Поэтому строгое определение удельной теплоты сгорания будет таким...
Удельная теплота сгорания (q) топлива - это физическая величина равная количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании одного килограмма этого топлива.
И вот если мы в специальный калориметрических печах и поделим выделившееся количество теплоты на массу этого топлива, то мы сможем найти удельную теплоту сгорания различных видов топлива, один раз их аккуратно измерить, потом занести их в таблицу и этими таблицами пользоваться при решении различных задач.
В таблице мы увидели, что наибольшей теплотой сгорания обладает водород, поэтому водород является одним из самых перспективных видов топлива. Причин несколько:
- выделяет огромную энергию при сгорании;
- является экологически чистым видом топлива, так как при сгорании водорода образуется вода.
И сейчас конструкторы работают над тем, чтобы создавать двигатели, которые будут работать не на бензине, не на солярке, а на водороде. И тут главное проблема, которая при этом возникает - это научиться хранить водород в больших количествах так, чтобы это было безопасно. Первое, что приходит в голову - это накачать водород при высоком давлении в баллон и потом его потихоньку оттуда выпускать, но как раз-таки это очень не безопасно, так как такой баллон может разорваться, особенно если его нагреть. Но уже сейчас придуманы вещества, которые способны поглощать большое количество водорода - они называются гидриды. И потом при небольшом нагревании отдавать его, например, для того, что бы его использовать в двигателях. Кроме того, если мы научимся получать большое количество электроэнергии, например, освоим термоядерную реакцию, то при этом эту энергию можно будет использовать для получения из воды кислорода и водорода. Существует очень простой способ получения из воды водорода и кислорода, пропуская через слабый раствор кислоты электрический ток, при этом на одном электроде выделяется водород, а на другом электроде - кислород. При этом кислород можно использовать в одних целях, например, в химической промышленности, в медицине, а водород в качестве очень эффективного топлива. Давайте еще раз вернемся к таблице с удельными теплотами сгорания и обратим внимание на порох. Удельная теплота сгорания пороха самая маленькая из всех представленных в таблице веществ и составляет 4 МДж/кг. И давайте тогда подумаем, а зачем же тогда используется именно порох, а не какое-то другое вещество, которое обладает большей удельной теплотой сгорания. Первое, если будет использоваться вещество имеющее большую удельную величину сгорания, то ствол орудия может придти в негодность. А вторая причина состоит в том, что задача пороха вытолкнуть пулю из оружия. Что ее выталкивает? Газы. Так вот, нам при выстреле пулю нужно не нагреть, а вытолкнуть. Поэтому не важно, что у пороха маленькая теплота сгорания, а важно, то что при сгорании пороха образуется большое количество пороховых газов и эти газы выталкивают пулю или пыж с дробью из ружья.
Ну а теперь представим себе, что мы поставили чайник на газовую плиту. Газ при этом горит, чайник нагревается, но не трудно заметить, что если в кухне долго работает газовая плита чайник закипает, но в кухне становится заметно теплее. Даже если мы, просто, поднесем руки к газовой горелке, мы заметим, что нагревается воздух. Нам нужно нагревать воздух? Нет. Значит, часть теплоты, которая выделяется при сгорании топлива пропадает зря. Ну может быть это и не плохо, если, например, не работает отопление, но вообще-то наша задача состоит в том, чтобы нагреть чайник, а не нагреться самим. Поэтому нагреваемое тело получает лишь часть того количества теплоты, которое выделяется при сгорании топлива. Т.е всегда существуют потери, поэтому, чтобы охарактеризовать эффективность нагревателя используют физическую величину, которая точно так же называется, как величина, которая характеризует эффективность простых механизмов - коэффициент полезного действия (КПД). Только давайте вспомним, что называлось коэффициентом полезного действия простого механизма - рычага, блок или что-то такого.
КПД - это отношение полезной работы, совершенной самим механизмом к работе, затраченной на то, чтобы этот механизм привести в действие.
А у нас, что является уже не затраченной работой, а затраченным количеством теплоты? Количество теплоты, которое выделилось при сгорании. Значит, когда мы хотим охарактеризовать нагреватель вместо затраченной работы мы используем количество теплоты, которое затрачено в результате сгорания. Т.е выделилось при сгорании. Ну а вместо полезной работы мы будем использовать количество теплоты, которое пошло на нагревание интересующего нас тела, например воды в чайнике.
И так давайте запишем, что такое коэффициент полезного действия нагревателя.
Коэффициент полезного действия нагревателя (КПД) - это физическая величина равная отношению количества теплоты, полученной нагреваемым телом к количеству теплоты, выделившийся при полном сгорании топлива.
Сразу стоит отметить, что это не совсем универсальное определение, потому что бывают нагреватели, которые работают не только за счет сгорания топлива, а бывают электрические нагреватели, которых сейчас большинство. И в таком случае вместо теплоты сгорания стояла бы количество теплоты, которое выделилось бы в результате работы электрического тока. Об этом мы будем позже разговаривать. КПД при желании можно измерять в процентах, а можно в долях. Можно указать, что КПД нагревателя составляет 0,4 или 40% - это одно и то же. Мы в дальнейшем в условиях задач всегда будем писать в долях, чтобы проценты нас не запутали. То, что мы сейчас узнали достаточно для того, чтобы нам начать решать задачи. И так первая задача на определение выделившегося тепла при сгорании смеси бензина и спирта.
Следующая задача на определение количества воды за счет полного сгорания бензина.
И так на этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.