Когда вы заправляете автомобиль, включаете газовую плиту или разжигаете костёр, вы используете химическую энергию, запасённую в топливе. При сгорании эта энергия выделяется в виде тепла — и именно её мы называем теплотой сгорания. Чтобы оценить, сколько энергии даст тот или иной вид топлива, физики используют простую, но универсальную формулу: Q = q·m. Сегодня мы разберём, что такое удельная теплота сгорания, почему одни виды топлива «горячее» других, научимся рассчитывать, сколько дров нужно для обогрева дома, и увидим, как эта формула лежит в основе энергетики, транспорта и даже космических полётов.
Шаг 1. Что происходит при сгорании топлива?
Сгорание — это химическая реакция окисления, при которой молекулы топлива (углеводороды, водород, древесина и др.) соединяются с кислородом, образуя новые вещества (CO₂, H₂O и др.) и выделяя тепло.
Это тепло можно использовать для:
- нагрева воды,
- получения пара для турбин,
- создания тяги в ракетных двигателях.
Шаг 2. Формула теплоты сгорания
Q = q · m
где:
- Q — количество теплоты, выделившееся при полном сгорании топлива (в джоулях, Дж),
- q — удельная теплота сгорания топлива (в Дж/кг),
- m — масса сгоревшего топлива (в килограммах, кг).
Если топливо измеряется в объёме (например, бензин в литрах), используется q в Дж/м³, и формула: Q = q · V.
Шаг 3. Что такое удельная теплота сгорания (q)?
Это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива.
Примеры (в МДж/кг):
- Дрова (сухие): q ≈ 10–15 МДж/кг,
- Уголь: q ≈ 25–30 МДж/кг,
- Бензин: q ≈ 44–46 МДж/кг,
- Природный газ (метан): q ≈ 50 МДж/кг,
- Водород: q ≈ 120 МДж/кг — самый энергоёмкий!
Высокая q водорода делает его перспективным топливом для ракет и «зелёной» энергетики.
Шаг 4. Пример расчёта
Сколько теплоты выделится при сгорании 5 кг сухих дров?
Дано:
m = 5 кг
q = 12 МДж/кг = 12 000 000 Дж/кг
Решение:
Q = q · m = 12 000 000 · 5 = 60 000 000 Дж = 60 МДж
Этой энергии хватит, чтобы:
- нагреть 180 литров воды от 20 °C до кипения (Q = c·m·ΔT = 4180·180·80 ≈ 60 МДж),
- или проехать на автомобиле около 1.5 км (если КПД двигателя 25%).
Шаг 5. Сравнение топлива
Сравним, сколько энергии даёт 1 кг разных видов топлива:
- Дрова: 12 МДж,
- Бензин: 45 МДж → в 3.75 раза больше,
- Водород: 120 МДж → в 10 раз больше, чем дрова!
Поэтому для дальних космических миссий используют жидкий водород — максимальная энергия при минимальной массе.
Шаг 6. Реальный КПД и потери
Формула Q = q·m даёт полное количество выделившейся теплоты.
Но в реальных системах не вся энергия идёт на полезную работу:
- В костре: КПД ≈ 10–15%,
- В газовой плите: КПД ≈ 40–50%,
- В ДВС: КПД ≈ 20–35%,
- В ТЭЦ: КПД ≈ 40–60%.
Полезная энергия: Q_полезная = η · q · m, где η — КПД.
Шаг 7. Распространённые ошибки
❌ Ошибка 1: путать теплоту сгорания с теплотой парообразования или плавления.
→ q — для химической реакции, λ и L — для фазовых переходов.
❌ Ошибка 2: забывать, что сгорание должно быть полным.
→ При недостатке кислорода выделяется меньше тепла и образуется угарный газ (CO).
❌ Ошибка 3: использовать q в МДж/кг, а m — в граммах, без перевода.
→ 1 кг = 1000 г!
Шаг 8. Где применяется формула?
- Энергетика: расчёт расхода угля на электростанциях.
- Транспорт: определение запаса хода автомобиля или самолёта.
- Строительство: подбор котла по теплопотерям дома.
- Экология: оценка выбросов CO₂ на единицу энергии (q помогает сравнить «грязные» и «чистые» топлива).
Шаг 9. Формулы для копирования
- Q = q * m
- q = Q / m
- m = Q / q
- Q_полезная = eta * q * m
- Для газов: Q = q * V (q в Дж/м³)
Теплота сгорания — это мера «энергетической ценности» топлива. Она определяет, сколько километров проедет ваш автомобиль, сколько часов будет гореть костёр и сколько мегаватт выработает электростанция. А теперь представьте: вы смотрите на бензоколонку и думаете: «В этом баке 50 кг бензина — 2250 МДж энергии! Этого хватит, чтобы поднять грузовик на Эверест 20 раз!» Друг спрашивает: «Ты что, с бензином на «ты»?» — а вы отвечаете: «Нет, просто знаю, что Q = qm». Он смотрит на бак… и впервые в жизни выключает двигатель на светофоре. Видимо, решил, что каждый джоуль — на вес золота.