Полная и полезная энергия топлива
Выбери массу, теплоту сгорания и КПД. Проследи разделение энергии на полезный нагрев и остальные передачи.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Полное сгорание, q задано на килограмм. Значения являются учебными параметрами; модель не оценивает выбросы и пригодность конкретного топлива.
Энергия химического превращения
При горении топливо взаимодействует с окислителем, обычно кислородом воздуха. Химическая энергия системы преобразуется; выделившаяся энергия увеличивает внутреннюю энергию продуктов реакции и передаётся окружающим телам. Энергия не возникает из ничего.
Количество выделяемой теплоты зависит от вида и количества топлива и от полноты сгорания. В школьной формуле предполагается полное сгорание. В реальном устройстве влажность топлива и режим работы могут заметно изменить полезный результат.
Топливо и окислитель
Исходная химическая система
Реакция
Преобразование энергии
Нагрев
Продукты реакции и окружающие тела
Горение преобразует химическую энергию системы.
Почему сырые дрова дают меньше полезного нагрева?
Часть массы составляет вода, а часть энергии расходуется на её нагревание и испарение. Поэтому сравнение только общей массы сырых и сухих дров неполно.
Смысл величины q
Удельная теплота сгорания q показывает энергию, выделяющуюся при полном сгорании 1 кг топлива. При массовом определении её единица — Дж/кг. Количество теплоты Q = qm. Числа q берут из таблицы для соответствующего топлива и условий.
Иногда для газообразного топлива приводят энергию на единицу объёма, в Дж/м³. Тогда используют Q = qV с объёмом при указанных условиях. Нельзя умножать значение в Дж/кг на кубические метры или смешивать две табличные величины.
| Задано в таблице | Количество топлива | Формула |
|---|---|---|
| q в Дж/кг | Масса m, кг | Q = qm |
| q в Дж/м³ | Объём V, м³ | Q = qV |
Единицы q определяют, нужно подставлять массу или объём топлива.
Почему 1 м³ газа и 1 кг газа нельзя считать одинаковыми порциями?
Связь задаётся плотностью: m = ρV. Плотность газа зависит от давления и температуры, поэтому объём требует указания условий.
Горение древесины
При горении химическая энергия системы переходит в другие формы.
Jerry Cobb · CC BY-SA 2.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Металлический чайник
До воды доходит лишь часть выделившейся энергии: это учитывают КПД.
পাপৰি বৰা · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Выделилось и использовано
Допустим, q = 10 МДж/кг и сгорело 0,2 кг топлива. Тогда Q = 2 МДж. Если полезно использовано 40 %, воде или другому полезному объекту передано 0,8 МДж. Остальная энергия не исчезла: она ушла с горячими газами и в окружающую среду.
КПД η = Qпол/Qзат. При вычислении η в долях 40 % записывают как 0,40. Для требуемого полезного нагрева массу находят из m = Qпол/(ηq). Модель отдельно показывает полный и полезный потоки энергии.
Полное выделение
Q = qm
Полезная часть
Qпол = ηqm
Требуемая масса
m = Qпол/(ηq)
Для полезного нагрева нужно учитывать КПД, а не только теплоту сгорания.
Удвоится ли полезная энергия при удвоении массы топлива?
В идеализированной модели при постоянных q и η — да. В реальной печи КПД может меняться с загрузкой и режимом горения.
Как сравнить варианты корректно
Сначала выбери одинаковый полезный результат, например нагрев определённой массы воды на 40 °C. Затем сравни q, КПД установки и необходимую массу. Высокое q само по себе не делает топливо лучшим по всем признакам.
Нужно учитывать продукты горения, доступность, устройство оборудования и безопасность. В конспекте сравнение выполняется численно; самостоятельные опыты с горючими газами и огнём не требуются. Экономия полезной энергии уменьшает требуемое количество топлива при прочих равных.
Потребность
Сколько энергии должен получить объект?
Установка
Какая доля энергии используется полезно?
Топливо
Каковы q и необходимые условия применения?
Выбор топлива требует сравнения всей системы, а не одной табличной величины.
Куда направлять улучшение: только на более высокое q?
Можно также уменьшить потери, улучшить теплоизоляцию или снизить ненужные затраты. Эти меры уменьшают расход при прежнем топливе.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 8 класс», § 7. Тема и содержание сверены с файлом «8 класс. Физика — § 07. Удельная теплота.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Число частиц, размеры и цвета учебных схем условны.