Энергия топлива - Тепловые процессы

Физический словарик

Реакция (от лат. rе - приставка, обозначающая повторное, возобновляемое, обратное действие, противодействие, и лат. actio - действие) - действие, возникающее в ответ на то или иное воздействие.

Экзотермический (от греч. ехо - снаружи, вне и греч. therme - тепло) - теплоотдающий.

Историческая справка

Получение и освоение огня - заметная страница в истории цивилизации. Археологи установили, что остаткам первых костров около 400 тыс. лет. Тогда огонь получали случайно (от молнии), поддерживали и берегли. Позднее (около 300 тыс. лет назад) безвестные гении научились добывать огонь трением, а еще позднее изобрели огниво, которым и пользовались до XIX в. Спички появились в 1855 г.

Сегодня внутренняя энергия топлива используется так широко и разнообразно, что ощущается острая нехватка угля, нефти, газа. Чрезвычайно важным становится рациональное, экономное использование топлива. По самым оптимистичным прогнозам разведанных запасов хватит лишь на 500 лет.

Изобретение пороха и огнестрельного оружия - великие открытия в истории техники. Историки утверждают, что дымный порох - смесь 7 5 % селитры, 10 % серы и 15 % угля - впервые был получен в Китае задолго до того, как стал известен в Европе. Такая смесь способна быстро и устойчиво гореть при очень высоком давлении, образуя большое количество газов. Китайцы использовали ее для запуска ракет во время праздничных фейерверков.

В XII в. порох узнали арабы. Они изобрели легкое огнестрельное оружие - заряжавшиеся порохом железные трубки. В Европе огнестрельное оружие появилось в XIV в. Это были толстые, гладкие внутри железные трубы, закрепленные на деревянных станках - лафетах - и стрелявшие ядрами.

После того как в XV-XVI вв. изобрели зернистый порох, а стволы орудий начали отливать из бронзы и чугуна, артиллерия превратилась в достаточно подвижное, мощное и грозное оружие, пригодное для полевых сражений и для осады крепостей.

Схема для запоминания расчета количества теплоты, массы вещества, удельной теплоты сгорания топлива

Задачи иа перевод единиц измерения в СИ

23,1 кДж = 23 100 Дж

240 г = 0,24 кг

13 МДж/кг = 13 000 000 Дж/кг

4,35 МВт = 4 350 000 Вт

0,34 т = 340 кг

230 см³ = 0,00023 м³

57 л = 0,057м³

0,78 МДж = 780 000 Дж

3 800 кДж/кг = 3 800 000 Дж/кг

Качественные задачи и вопросы

1. Какое вещество при сжигании выделяет больше всего энергии? (Водород.)

2. Какое вещество выгоднее использовать в походе в зимний период для разогрева пищи: порох или спирт? (Спирт)

3. Что показывает удельная теплота сгорания топлива? (Удельная теплота сгорания показывает, сколько энергии выделяется при сжигании 1 кг вещества.)

4. Удельная теплота сгорания водорода 120 МДж/кг Что означает это число? (При сжигании 1 кг водорода выделяется 120 МДж энергии.)

Задачи для любителей литературы

1. «Затем он (Бегемот) плеснул вниз бензином, и этот бензин сам собою вспыхнул, выбросив волну пламени до самого потолка. Загорелось как- то необыкновенно, быстро и сильно, как не бывает даже при бензине. Сейчас же задымились обои, загорелась сорванная гардина на полу, и начали тлеть рамы в разбитых окнах» (М. А. Булгаков. Мастер и Маргарита).

Расскажите, какие превращения энергии происходят при процессе горения? (При процессе горения химическая энергия топлива превращается во внутреннюю энергию газов (кинетическую энергию движения молекул и атомов и энергию их взаимодействия).)

2. «Пришли к первосвященнику, - продолжал он, - Иисуса стали допрашивать, а работники тем временем развели среди двора огонь, потому что было холодно, и грелись» (А. П. Чехов. Студент).

Сколько энергии выделится при полном сгорании 2 кг сухих дров? (При горении внутренняя энергия топлива превращается во внутреннюю энергию молекул и атомов воздуха. При сгорании 2 кг дров выделится 20 МДж энергии.)

По пословицам и поговоркам

3. Горели дрова жарко - было в бане парко, дров не стало - и все пропало.

Каков физический смысл происшедшего? (Пока горят дрова, выделяется энергия и температура повышается, как только перестает выделяться энергия от горения дров, температура в бане начинает понижаться, так как есть связь с внешней средой, и часть энергии уходит на ее обогрев.)

По загадкам

4. Дерево даешь - съедает,

От воды - умирает. (Огонь.)

Какие виды топлива, помимо дерева, вы знаете? (Топливо бывает твердое, жидкое и газообразное. Дерево относится к твердым видам топлива, так же как и каменный уголь, торф и др. К жидким видам топлива относятся нефть и ее производные: бензин, керосин, мазут и т. д. К газообразным видам топлива относятся природный газ, водород, а также другие горючие газы.)

5. Что за чудо: синий дом,

Окна светлые кругом,

Носит обувь из резины

И питается бензином? (Автобус.)

Сколько энергии выделяется при сгорании в двигателе автобуса 50 л бензина? Сколько энергии при этом выбрасывается в атмосферу, если полезная часть составляет 25 %? (1 610 МДж, из них 1207,5 МДж выбрасывается впустую.)

Задача для любителей географии

Японская автомобильная фирма «Мазда» в первой половине 1990-х гг. сконструировала и испытала первый в мире автомобиль с водородным двигателем. Он может преодолевать без дозаправки 230 км и развивать скорость до 170 км/ч. Автомобиль снабжен не обычным, а роторным двигателем мощностью в 130 л. с. В 1996 г. германский автомобильный концерн «Даймлер-Бенц» выпустил автомобиль на водородных топливных элементах.

В чем преимущество водорода как топлива? (Удельная теплота сгорания водорода в несколько раз больше, чему других видов топлива. При сгорании водорода не выделяются ядовитые вещества.)

Задача для любителей биологии

Удельная теплота сгорания пищевых продуктов, Дж/кг

Хлеб ржаной 8 880

Говядина 7 524

Кефир 2 700

Молоко 2 800

Сельдь 12 900

Среди необычных растений выделяется неопалимая купина. Поднесите к ней горящую спичку, и куст вспыхнет ярким пламенем. Вспыхнет и тут же гаснет. Зеленые листья при этом остаются не тронутыми огнем. Секрет неопалимой купины давно раскрыт - это эфироносное растение. Листья его выделяют летучие вещества, которые вспыхивают словно порох и горят. А если вы прикоснетесь к этим листьям голой рукой, то мелкие эфирные капельки обожгут кожу. Горящее и несгорающее растение, конечно же, почиталось как чудесное, священное. Недаром о неопалимом кустарнике рассказывает Библия.

Сколько энергии выделяется при горении 1 г эфира? (47,5 Дж.)

Физический эксперимент

Наблюдение за процессом горения веществ (в присутствии взрослых).

Приборы и материалы: пробирки с одинаковым объемом воды, сухой спирт, бензин в горелке, спирт в горелке, термометр.

Задание: отмерьте одинаковые массы бензина, спирта и сухого спирта. Аккуратно сжигая одинаковые количества горючего, проследите, как изменяется температура в нагреваемых пробирках. Оцените количество теплоты, полученное пробиркой с водой. Сделайте вывод.

Сжигаемое вещество	Температура воды, °С		Масса воды, кг	Количество теплоты, полученное пробиркой, Дж
	начальная	конечная
Бензин	20	30	0,1	4 200
Спирт	20	24	0,1	1 680
Сухой спирт	20	26	0,1	2 520

Вывод: самая большая удельная теплота сгорания - у бензина, минимальная —у спирта.

Проверка знаний и умений.

Индивидуальные карточки-задания

1	2
1. Какое количество теплоты выделится при сжигании 2 т нефти? (88 ГДж.) 2. Как будет происходить конвекция около сосуда с сжиженным водородом, если поверхность сосуда открыта? 3. На сколько градусов нагреются 2 л воды, если им передать все тепло от горения 20 г сухих дров? (На ≈ 24 °С.)	1. Какую массу природного газа необходимо сжечь, чтобы получить 8,8 МДж энергии? (0,2 кг.) 2. Можно ли термос временно использовать как холодильник? (Да.) 3. Какую массу олова можно нагреть на 100 °С, если передать олову всю энергию, выделившуюся при горении 200 г спирта? (235 кг.)
3	4
1. При горении 200 г вещества выделилось 2,8 МДж энергии. Что это за вещество? (Торф.) 2. Тела какого цвета плохо поглощают солнечную энергию? (Тела белого, светлого цвета.) 3. Сколько дров необходимо сжечь, чтобы нагреть воду массой 5 кг на 50 °С? (Примерно 81 г.)	1. Какое количество теплоты выделится при горении 100 л нефти? (3,52 ГДж) 2. Как происходит нагревание воды в кастрюле, поставленной на газовый примус? (Теплые струи воды поднимаются вверх, а холодные опускаются вниз.) 3. Сколько спирта необходимо сжечь, чтобы нагреть стальную деталь массой 500 г от 20 до 120 °С? (≈ 0,9г)