Тепловые машины в термодинамике — это периодически действующие тепловые двигатели и холодильные машины (термокомпрессоры). Разновидностью холодильных машин являются тепловые насосы.

Устройства, совершающие механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми машинами (тепловыми двигателями). Для функционирования тепловой машины необходимы следующие составляющие: 1) источник тепла с более высоким температурным уровнем t1, 2) источник тепла с более низким температурным уровнем t2, 3) рабочее тело. Иначе сказать: любые тепловые машины (тепловые двигатели) состоят из нагревателя, холодильника и рабочего тела .

В качестве рабочего тела используются газ или пар, поскольку они хорошо сжимаются, и в зависимости от типа двигателя может быть топливо (бензин, керосин), водяной пар и пр. Нагреватель передаёт рабочему телу некоторое количество теплоты (Q1), и его внутренняя энергия увеличивается, за счёт этой внутренней энергии совершается механическая работа (А), затем рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты холодильнику (Q2) и охлаждается при этом до начальной температуры. Описанная схема представляет цикл работы двигателя и является общей, в реальных двигателях роль нагревателя и холодильника могут выполнять различные устройства. Холодильником может служить окружающая среда.

Поскольку в двигателе часть энергии рабочего тела передается холодильнику, то понятно, что не вся полученная им от нагревателя энергия идет на совершение работы. Соответственно, коэффициент полезного действия двигателя (КПД) равен отношению совершенной работы (А) к количеству теплоты, полученному им от нагревателя (Q1):

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Существует два типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): карбюраторный и дизельный . В карбюраторном двигателе рабочая смесь (смесь топлива с воздухом) готовится вне двигателя в специальном устройстве и из него поступает в двигатель. В дизельном двигателе горючая смесь готовится в самом двигателе.

ДВС состоит из цилиндра , в котором перемещается поршень ; в цилиндре имеются два клапана , через один из которых горючая смесь впускается в цилиндр, а через другой отработавшие газы выпускаются из цилиндра. Поршень с помощью кривошипно-шатунного механизма соединяется с коленчатым валом , который приходит во вращение при поступательном движении поршня. Цилиндр закрыт крышкой.

Цикл работы ДВС включает четыре такта : впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Во время впуска поршень движется вниз, давление в цилиндре уменьшается, и в него через клапан поступает горючая смесь (в карбюраторном двигателе) или воздух (в дизельном двигателе). Клапан в это время закрыт. В конце впуска горючей смеси закрывается клапан.

Во время второго такта поршень движется вверх, клапаны закрыты, и рабочая смесь или воздух сжимаются. При этом температура газа повышается: горючая смесь в карбюраторном двигателе нагревается до 300- 350 °С, а воздух в дизельном двигателе - до 500-600 °С. В конце такта сжатия в карбюраторном двигателе проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется. В дизельном двигателе в цилиндр впрыскивается топливо, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется.

При сгорании горючей смеси газ расширяется и толкает поршень и соединенный с ним коленчатый вал, совершая механическую работу. Это приводит к тому, что газ охлаждается.

Когда поршень придёт в нижнюю точку, давление в нём уменьшится. При движении поршня вверх открывается клапан, и происходит выпуск отработавшего газа. В конце этого такта клапан закрывается.

Паровая турбина

Паровая турбина представляет собой насаженный на вал диск, на котором укреплены лопасти. На лопасти поступает пар. Пар, нагретый до 600 °С, направляется в сопло и в нём расширяется. При расширении пара происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Струя пара поступает из сопла на лопасти турбины и передаёт им часть своей кинетической энергии, приводя турбину во вращение. Обычно турбины имеют несколько дисков, каждому из которых передаётся часть энергии пара. Вращение диска передаётся валу, с которым соединён генератор электрического тока.

При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива .

Удельная теплота сгорания топлива - физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг.

Известно, что источником энергии, которая используется в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в быту, является топливо. Это уголь, нефть, торф, дрова, природный газ и др. При сгорании топлива выделяется энергия. Попытаемся выяснить, за счёт чего выделяется при этом энергия.

Вспомним строение молекулы воды (рис. 16, а). Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Если молекулу воды разделить на атомы, то при этом необходимо преодолеть силы притяжения между атомами, т. е. совершить работу, а значит, затратить энергию. И наоборот, если атомы соединяются в молекулу, энергия выделяется.

Использование топлива основано как раз на явлении выделения энергии при соединении атомов. Так, например, атомы углерода, содержащиеся в топливе, при горении соединяются с двумя атомами кислорода (рис. 16, б). При этом образуется молекула оксида углерода - углекислого газа - и выделяется энергия.

Рис. 16. Строение молекул:
a - воды; б - соединение атома углерода и двух атомов кислорода в молекулу углекислого газа

При расчёте двигателей инженеру необходимо точно знать, какое количество теплоты может выделить сжигаемое топливо. Для этого надо опытным путём определить, какое количество теплоты выделится при полном сгорании одной и той же массы топлива разных видов.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.

Удельная теплота сгорания обозначается буквой q. Единицей удельной теплоты сгорания является 1 Дж / кг.

Удельную теплоту сгорания определяют на опыте с помощью довольно сложных приборов.

Результаты опытных данных приведены в таблице 2.

Таблица 2

Из этой таблицы видно, что удельная теплота сгорания, например, бензина 4,6 10 7 Дж / кг.

Это значит, что при полном сгорании бензина массой 1 кг выделяется 4,6 10 7 Дж энергии.

Общее количество теплоты Q, выделяемое при сгорании m кг топлива, вычисляется по формуле

Вопросы

1. Что такое удельная теплота сгорания топлива?
2. В каких единицах измеряют удельную теплоту сгорания топлива?
3. Что означает выражение «удельная теплота сгорания топлива равна 1,4 10 7 Дж / кг? Как вычисляют количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива?

Упражнение 9

1. Какое количество теплоты выделяется при полном сгорании древесного угля массой 15 кг; спирта массой 200 г?
2. Сколько теплоты выделится при полном сгорании нефти, масса которой 2,5 т; керосина, объём которого равен 2 л, а плотность 800 кг / м 3 ?
3. При полном сгорании сухих дров выделилось 50 000 кДж энергии. Какая масса дров сгорела?

Задание

Используя таблицу 2, постройте столбчатую диаграмму для удельной теплоты сгорания дров, спирта, нефти, водорода, выбрав масштаб следующим образом: ширина прямоугольника - 1 клетка, высота 2 мм соответствует 10 Дж.

Что такое топливо?

Это один компонент либо смесь веществ, которые способны к химическим превращениям, связанным с выделением тепла. Разные виды топлива отличаются количественным содержанием в них окислителя, который применяется для выделения тепловой энергии.

В широком смысле топливо является энергоносителем, то есть, потенциальным видов потенциальной энергии.

Классификация

В настоящее время виды топлива подразделяют по агрегатному состоянию на жидкое, твердое, газообразное.

К твердому природному виду причисляют каменный и дрова, антрацит. Брикеты, кокс, термоантрацит это разновидности искусственного твердого топлива.

К жидкостям причисляются вещества, имеющие в составе вещества органического происхождения. Основными их компонентами являются: кислород, углерод, азот, водород, сера. Искусственным жидким топливом будут разнообразные смолы, мазут.

Является смесью разнообразных газов: этилена, метана, пропана, бутана. Помимо них в составе газообразного топлива есть углекислый и угарный газы, сероводород, азот, водяной пар, кислород.

Показатели топлива

Основной показатель сгорания. Формула для определения теплотворной способности рассматривается в термохимии. выделяют «условного топлива», которое подразумевает теплоту сгорания 1 килограмма антрацита.

Бытовое печное топливо предназначается для сжигания в отопительных устройствах незначительной мощности, которые находятся в жилых помещениях, теплогенераторах, применяемых в сельском хозяйстве для сушки кормов, консервирования.

Удельная теплота сгорания топлива - это такая величина, что демонстрирует количество теплоты, которое образуется при полном сгорании топлива объемом 1 м 3 либо массой один килограмм.

Для измерения этой величины используют Дж/кг, Дж/м 3 , калория/м 3 . Чтобы определить теплоту сгорания, используют метода калориметрии.

При увеличении удельной теплоты сгорания топлива, снижается удельный расход топлива, а коэффициент полезного действия остается неизменной величиной.

Теплота сгорания веществ является количеством энергии, выделяющейся при окислении твердого, жидкого, газообразного вещества.

Она определяется химическим составом, а также агрегатным состоянием сгораемого вещества.

Особенности продуктов сгорания

Высшая и низшая теплота сгорания связана с агрегатным состоянием воды в получаемых после сгорания топлива веществах.

Высшая теплота сгорания это количество теплоты, выделяемое при полном сгорании вещества. В эту величину включают и теплоту конденсации водяного пара.

Низшая рабочая теплота сгорания является той величиной, что соответствует выделению тепла при сгорании без учета теплоты конденсации водяных паров.

Скрытой теплотой конденсации считают величину энергии конденсации водяного пара.

Математическая взаимосвязь

Высшая и низшая теплота сгорания связаны следующим соотношением:

Q B = Q H + k(W + 9H)

где W - количество по массе (в %) воды в горючем веществе;

H-количество водорода (% по массе) в горючем веществе;

k - коэффициент, составляющий величину 6 ккал/кг

Способы проведения вычислений

Высшая и низшая теплота сгорания определяется двумя основными методами: расчетным и экспериментальным.

Для проведения экспериментальных вычислений применяют калориметры. Сначала сжигают в нем навеску топлива. Теплота, которая будет при этом выделяться, полностью поглощается водой. Имея представление о массе воды, можно определить по изменению ее температуры, величину ее теплоты сгорания.

Данная методика считается простой и эффективной, она предполагает только владение информацией о данных технического анализа.

В расчетной методике высшая и низшая теплота сгорания вычисляется по формуле Менделеева.

Q p H = 339C p +1030H p -109(O p -S p) - 25 W p (кДж/ кг)

Оно учитывает содержание углерода, кислорода, водорода, водяного пара, серы в рабочем составе (в процентах). Количество теплоты при сгорании определяется с учетом условного топлива.

Теплота сгорания газа позволяет проводить предварительные расчеты, выявлять эффективность применения определенного вида топлива.

Особенности происхождения

Для того чтобы понять, сколько теплоты выделяется при сгорании определенного топлива, необходимо иметь представление об его происхождении.

В природе есть разные варианты твердого топлива, которые отличаются между собой составом и свойствами.

Его образование осуществляется через несколько стадий. Сначала образуется торф, затем получается бурый и каменный уголь, потом формируется антрацит. В качестве основных источников образования твердого топлива выступают листья, древесина, хвоя. Отмирая, части растений при воздействии воздуха, разрушаются грибками, образуют торф. Его скопление превращается в бурую массу, потом получается бурый газ.

При высоком давлении и температуре, бурый газ переходит в каменный уголь, потом топливо накапливается в виде антрацита.

Помимо органической массы, в топливе есть дополнительный балласт. Органической считают ту часть, что образовалась из органических веществ: водорода, углерода, азота, кислорода. Помимо этих химических элементов, в его составе есть балласта: влага, зола.

Топочная техника предполагает выделение рабочей, сухой, а также горючей массы сжигаемого топлива. Рабочей массой называют топливо в исходном виде, поступающем к потребителю. Сухая масса - это состав, в котором отсутствует вода.

Состав

Самыми ценными компонентами считаются углерод и водород.

Эти элементы содержатся в любом виде топлива. В торфе и древесине процентное содержание углерода достигает 58 процентов, в каменном и буром угле - 80%, а в антраците оно достигает 95 процентов по массе. В зависимости от этого показателя меняется количество теплоты, выделяемой при сгорании топлива. Водород это второй по важности элемент любого топлива. Связываясь с кислородом, он образует влагу, которая существенно снижает тепловую ценность любого топлива.

Его процентное содержание колеблется от 3,8 в горючих сланцах до 11 в мазуте. В качестве балласта выступает кислород, входящий в состав топлива.

Он не является теплообразующим химическим элементом, поэтому негативно отражается на величине теплоты его сгорания. Сгорание азота, содержащегося в свободном либо связанном виде в продуктах сгорания, считается вредными примесями, поэтому его количество четко лимитируется.

Сера входит в состав топлива в виде сульфатов, сульфидов, а также в качестве сернистых газов. При гидратации оксиды серы образуют серную кислоту, которая разрушает котельное оборудование, негативно воздействует на растительность и живые организмы.

Именно поэтому сера является тем химическим элементом, присутствие которого в природном топливе является крайне нежелательным. При попадании внутрь рабочего помещения, сернистые соединения вызывают существенные отравления обслуживающего персонала.

Выделяют три вида золы в зависимости от ее происхождения:

• первичную;
• вторичную;
• третичную.

Первичный вид формируется из минеральных веществ, которые содержатся в растениях. Вторичная зола образуется как результат попадания во время пластообразования растительных остатков песком и землей.

Третичная зола оказывается в составе топлива в процессе добычи, хранения, а также его транспортировки. При существенном отложении золы происходит уменьшение теплопередачи на поверхности нагрева котельного агрегата, снижает величину теплопередачи к воде от газов. Огромное количество золы негативно отражается на процессе эксплуатации котла.

В заключение

Существенное влияние на процесс горения любого вида топлива оказывают летучие вещества. Чем больше их выход, тем объемнее будет объем фронта пламени. Например, каменный уголь, торф, легко загораются, процесс сопровождается незначительными потерями тепла. Кокс, который остается после удаления летучих примесей, в своем составе имеет только минеральные и углеродные соединения. В зависимости от особенностей топлива, величина количества теплоты существенно изменяется.

В зависимости от химического состава выделяют три стадии формирования твердого топлива: торфяную, буроугольную, каменноугольную.

Натуральную древесину применяют в небольших котельных установках. В основном используют щепу, опилки, горбыли, кору, сами дрова применяют в незначительных количествах. В зависимости от породы древесины величина выделяемой теплоты существенно изменяется.

По мере снижения теплоты сгорания, дрова приобретают определенные преимущества: быструю воспламеняемость, минимальную зольность, отсутствие следов серы.

Достоверная информация о составе природного либо синтетического топлива, его теплотворной способности, является отличным способом проведения термохимических вычислений.

В настоящее время появляется реальная возможность выявления тех основных вариантов твердого, газообразного, жидкого топлива, которые станут самыми эффективными и недорогими в использовании в определенной ситуации.

Достаточно часто в учет принимается теплотворная способность топлива при выборе отопительных приборов для домов и дач, при выборе систем отопления для квартиры. Данный параметр важен и при выборе топливных систем для автомобилей (при переходе с жидкого топлива на газ или электричество).

Стоит отметить, что на данный момент многие научные организации, научно-исследовательские институты, лаборатории и даже специализированные компании занимаются разработкой систем, которые способны повысить данный параметр и позволят более оптимально использовать выделяемую при сгорании энергию. Обычно это достигается путем повышения коэффициента полезного действия установки.

Наличие подобного параметра связано с тем, что разные типы выделяют разное количество теплоты (энергии) в процессе сгорания, что особенно актуально для промышленных установок и котельных, поскольку подбор оптимального вида позволит сэкономить значительное количество финансовых средств на работе промышленных установок.

Ниже будет приведено определение теплотворной способности топлива, будет рассмотрено, что такое удельная теплота сгорания топлива и приведены значения некоторых энергоресурсов (удельная теплота сгорания дров, угля, нефтепродуктов).

Под теплотворной способностью различных видов энергоресурсов понимают то, какое количество тепловой энергии (килокалории) будет на выходе при сгорании одной единицы топливного материала. Для определения данного параметра используется специальный прибор, который называют калориметром. Есть и другое приспособление — калориметрическая бомба.

В измерительных приборах одной единицей топливного материала нагревают воду, в результате чего получают водяной пар. Далее пар конденсируется, переходя полностью в жидкое состояние, что называют конденсацией. При этом пар полностью отдает тепловую энергию измерительному прибору. Однако недостатком таких измерительных приборов является то, что тепловая энергия, которая выходит при сгорании топлива, измеряется не вся. Это связано с тем, что при парообразовании количество тепловой энергии больше, чем при конденсации. Это делает невозможным измерить всю выделяемую энергию. К недостаткам приборов стоит отнести и не идеальную теплопроводность материалов, из которых они изготавливаются, что тоже снижает реальный показатель сгорания. Данные критерии достаточно важны для лабораторных исследований, однако при измерениях для практических целей ими пренебрегают. При работе промышленных установок эти потери увеличиваются за счет КПД (не 100%).

При этом показатели, которые получились в калориметрической бомбе (где процесс измерения точнее, чем в калориметре), называются высшим значением теплотворной способности топливного материала.

Показатели калориметра — низшая теплота сгорания топлива, которая отличается от высшей значением 600х(9Н+W)/100, где Н и W — количество содержащегося водорода и влаги в единице конкретного топливного материала. Следует помнить, что по американским стандартам для расчетов применяется высшее значения, а для стран с метрической системой — низшее. На данный момент стоит вопрос о переходе метрической системы на высший показатель, поскольку он рядом ученых признан более оптимальным.

Значения для разных видов топливного материала

Часто многих людей интересует значение удельной теплоты сгорания топлива для того или иного вида энергоносителя, при этом довольно часто людей интересует теплотворная способность дров. Особенно актуально это стало в последнее время, когда пошла мода на классические печи в домах. Теплотворная способность дров у разных пород древесины разная, достаточно часто приводится усредненное значение. Ниже приведем значения для следующих видов топливного материала:

1. Теплотворная способность дров (березовых, хвойных) составляет в среднем 14,5-15,5 МДж/кг. Такой же показатель теплоотдачи имеет и бурый уголь.
2. Теплоотдача каменного угля составляет 22 МДж/кг.
3. Данное значение для торфа колеблется в пределах 8-15 МДж/кг.
4. Значение для топливных брикетов находится в пределах 18,5-21 МДж/кг.
5. Газ, который подается в жилые дома, имеет показатель 45,5 МДж/кг.
6. Для баллонного газа (пропан-бутана) показатель составляет 36 МДж/кг.
7. Дизельное топливо имеет показатель 42,8 МДж/кг.
8. Для разных марок бензина значение колеблется в пределах 42-45 МДж/кг.

Удельные значения

Для ряда топливного материала подсчитаны удельные значения сгорания. Это физические величины, которые показывают количество тепловой энергии, образующееся в результате сгорания одной единицы. Обычно измеряется в джоулях на килограмм (либо метр кубический). В США значения приводятся в калориях на килограмм. Данные коэффициенты — это теплоотдача. Их измеряют лабораторно, после чего данные заносятся в специальные таблицы, которые общедоступны. Чем выше теплоотдача энергоресурса (тепло, которое дает сгорание топлива), тем более эффективным считается топливо. То есть в одной и той же установке с одним КПД расход будет меньшим у того топлива, которое имеет более высокое значение теплоотдачи.

Удельная теплота сгорания топлива практически всегда используется при конструкторских расчетах (при проектировании различного оборудования), а также при определении отопительных систем и оборудования для дома, квартиры, дачи и т.д.

Всем известно, что в нашей жизни огромную роль играет использование топлива. Топливо применяют практически в любой отрасли современной промышленности. Особенно часто применяется топливо, полученное из нефти: бензин, керосин, соляр и другие. Также применяют горючие газы (метан и другие).

Откуда берется энергия у топлива

Известно, что молекулы состоят из атомов . Для того, чтобы разделить какую либо молекулу (например, молекулу воды) на составляющие её атомы, требуется затратить энергию (на преодоление сил притяжения атомов). Опыты показывают, что при соединении атомов в молекулу (это и происходит при сжигании топлива) энергия, напротив, выделяется.

Как известно, существует ещё и ядерное топливо, но мы не будем здесь говорить о нём.

При сгорании топлива выделяется энергия. Чаще всего это тепловая энергия . Опыты показывают, что количество выделившейся энергии прямо пропорционально количеству сгоревшего топлива.

Удельная теплота сгорания

Для расчёта этой энергии используют физическую величину, называемую удельная теплота сгорания топлива. Удельная теплота сгорания топлива показывает, какая энергия выделяется при сгорании единичной массы топлива.

Её обозначают латинской буквой q. В системе СИ единица измерения этой величины Дж/кг. Отметим, что каждое топливо имеет собственную удельную теплоту сгорания. Эта величина измерена практически для всех видов топлива и при решении задач определяется по таблицам.

Например, удельная теплота сгорания бензина 46 000 000 Дж/кг, керосина такая же, этилового спирта 27 000 000 Дж/кг. Нетрудно понять, что энергия, выделившаяся при сгорании топлива, равна произведению массы этого топлива и удельной теплоты сгорания топлива:

Рассмотрим примеры

Рассмотрим пример. 10 граммов этилового спирта сгорело в спиртовке за 10 минут. Найдите мощность спиртовки.

Решение. Найдём количество теплоты, выделившееся при сгорании спирта:

Q = q*m; Q = 27 000 000 Дж/кг * 10 г = 27 000 000 Дж/кг * 0,01 кг = 270 000 Дж.

Найдём мощность спиртовки:

N = Q / t = 270 000 Дж / 10 мин = 270 000 Дж / 600 с = 450 Вт.

Рассмотрим более сложный пример. Алюминиевую кастрюлю массой m1, заполненную водой массой m2, нагрели с помощью примуса от температуры t1 до температуры t2 (00С < t1 < t2

Решение.

Найдём количество теплоты, полученное алюминием:

Q1 = c1 * m1 * (t1 t2);

найдём количество теплоты, полученное водой:

Q2 = c2 * m2 * (t1 t2);

найдём количество теплоты, полученное кастрюлей с водой:

найдём количество теплоты, отданное сгоревшим бензином:

Q4 = Q3 / k * 100 = (Q1 + Q2) / k * 100 =

(c1 * m1 * (t1 t2) + c2 * m2 * (t1 t2)) / k * 100;