# Энергия топлива. Удельная теплота сгорания Физика · 8 класс · Тепловые процессы Источник: https://razlozheno.ru/subject/fizika/8/energiya-topliva-udelnaya-teplota-sgoraniya Откуда берётся тепло при горении, чем одно топливо «богаче» другого и как посчитать, сколько теплоты выделится, если сжечь известную массу топлива. ## Чему научишься - Объяснить, что такое горение топлива и откуда берётся выделяющаяся энергия - Назвать, что показывает удельная теплота сгорания $q$, и найти её значение для топлива в таблице - Вычислять количество теплоты $Q = qm$ при сгорании топлива и находить массу топлива по нужному $Q$ ## С чего начать Тебе разрешили унести в поход ровно 1 кг топлива. Выбор: порох, сухие дрова или бензин. Что возьмёшь — и во сколько раз больше тепла получишь по сравнению с другими? ## 1. Что происходит, когда топливо горит *Откуда в костре и в двигателе берётся тепло* Подкинул дров в костёр — стало жарче. Откуда это тепло? Дрова не «излучают» его сами по себе: тепло появляется, пока они горят. Значит, дело в самом горении. Горение топлива — это химическая реакция: одни вещества превращаются в другие, и при этом выделяется энергия. Чаще всего в реакции участвует кислород. Многие виды топлива содержат углерод. Атомы углерода в таком топливе соединяются с кислородом воздуха, и получается углекислый газ. *Рисунок: Два красных шарика с буквой O и один зелёный шарик с буквой C; красная стрелка вниз показывает, как они соединяются в группу из трёх шариков.* Представь, что атомы топлива и кислорода были «разведены по углам», а в реакции собрались в новые компактные группы. Такая перестройка и отдаёт энергию — её мы чувствуем как тепло. Топливо вроде «пропало», но на самом деле превратилось в другие вещества, а энергия из него перешла в теплоту. **Главное про горение** При горении одни вещества превращаются в другие и выделяется энергия. Чем больше топлива сгорело, тем больше выделилось теплоты, и ещё это зависит от рода топлива. **Проверь себя:** Из каких атомов состоит молекула углекислого газа, которая получается при горении углерода топлива в воздухе? **Ответ:** Из одного атома углерода и двух атомов кислорода. ### Проверь себя **Что происходит с веществами при получении энергии с использованием топлива в процессе горения?** - Происходит распад ядер атомов углерода с поглощением тепловой энергии. - Происходит механическое смешивание атомов без выделения или поглощения энергии. - Происходит физический процесс изменения агрегатного состояния без образования новых веществ. - Происходит химическая реакция, при которой одни вещества превращаются в другие с выделением энергии. — верно > Горение топлива представляет собой химическую реакцию взаимодействия компонентов топлива (например, углерода) с кислородом, при которой образуются новые вещества и выделяется теплота. **Какое вещество образуется при соединении каждого атома углерода с двумя атомами кислорода в процессе горения топлива?** - Молекула углекислого газа — верно - Молекула воды - Молекула угарного газа - Молекула озона > Соединение одного атома углерода и двух атомов кислорода образует химическое соединение $CO_2$ — углекислый газ. **Какой химический элемент является главным горючим компонентом большинства видов топлива, составляя $50\text{--}97\%$ его массы?** - Углерод — верно - Азот - Кислород - Водород > Согласно тексту учебника, именно углерод является главным горючим элементом большинства видов топлива, с содержанием от 50% до 97% по весу. **К какому виду топлива относятся искусственная нефть и искусственный газ, получаемые путем переработки угля?** - Искусственное топливо — верно - Естественное жидкое топливо - Возобновляемое биотопливо - Первичное природное топливо > Топливо, получаемое технологическим путём из других горючих ископаемых (например, из угля), относится к искусственным видам топлива. ## 2. Удельная теплота сгорания: у каждого топлива свой «запас» тепла *Что показывает $q$ и как по ней посчитать теплоту* Одинаковая ли теплота выделится у 1 кг дров и у 1 кг бензина? Нет. Количество теплоты прямо пропорционально массе топлива, но ещё зависит от того, что именно горит. Чтобы сравнивать топливо честно, берут одну и ту же порцию — 1 кг — и смотрят, сколько тепла она даёт. **Удельная теплота сгорания** Удельная теплота сгорания — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 1 кг топлива. Аналогия: представь, что у каждого килограмма топлива есть своя «коробка тепла» — $q$ показывает, сколько теплоты лежит в одной такой коробке. Мнемоника: «удельная» = «на единицу массы», значит $q$ — тепло на 1 кг. Обозначения: $q$ — удельная теплота сгорания топлива; $Q$ — количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива; $m$ — масса топлива. Единица $q$ — джоуль на килограмм (Дж/кг). **Определение $q$ через теплоту и массу** $q = \frac{Q}{m}$. Аналогия: делим всю полученную теплоту на число килограммов, чтобы узнать, сколько приходится на 1 кг. Мнемоника: «$q$ — это $Q$ на массу». **Количество теплоты при сгорании топлива** $Q = qm$, где $Q$ — теплота (Дж), $q$ — удельная теплота сгорания (Дж/кг), $m$ — масса топлива (кг). Аналогия: $q$ — тепло из одного килограмма, а $m$ — сколько таких килограммов сгорело, поэтому складываем одинаковые порции. Мнемоника: «тепло = на килограмм × килограммы». **Как это понять и запомнить** Представь, что в каждом килограмме топлива спрятан «мешок с теплом», и $q$ — размер этого мешка. У дров мешок маленький, у бензина больше. Сожжёшь 3 кг — получишь 3 мешка, то есть теплоты втрое больше. Поэтому $Q = qm$: размер мешка умножаем на их число. Оговорка: мешок «открывается» целиком только при полном сгорании. Запомнить: дрова — «единица» ($1{,}0 \cdot 10^7$ Дж/кг), бензин примерно в 4,6 раза богаче. Самопроверка: масса всегда в килограммах, а $Q$ получается в джоулях; если массу удвоили, $Q$ тоже должно удвоиться. Значение $q$ зависит от химического состава топлива и находится опытным путём: его не вычисляют из головы, а измеряют, сжигая топливо, и заносят в таблицу. **Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива, $q$, $10^7$ Дж/кг** | Топливо | $q$, $10^7$ Дж/кг | | --- | --- | | Порох | $0{,}38$ | | Дрова сухие | $1{,}0$ | | Торф | $1{,}4$ | | Каменный уголь | $2{,}7$ | | Спирт | $2{,}7$ | | Антрацит | $3{,}0$ | | Древесный уголь | $3{,}4$ | | Природный газ | $4{,}4$ | | Нефть | $4{,}4$ | | Бензин | $4{,}6$ | | Керосин | $4{,}6$ | | Водород | $12$ | Смотри на таблицу как на рейтинг «богатства»: у водорода $q$ больше всех, у пороха из этого списка меньше всех. Например, бензин отдаёт на килограмм примерно в 4,6 раза больше теплоты, чем сухие дрова. **Пример: Сколько теплоты даст 2 кг бензина** 1. Из таблицы: для бензина $q = 4{,}6 \cdot 10^7$ Дж/кг. Масса $m = 2$ кг. 2. Применяем формулу: $Q = qm = 4{,}6 \cdot 10^7 \cdot 2$. 3. Считаем: $Q = 9{,}2 \cdot 10^7$ Дж. **Проверь себя:** Сколько теплоты выделится при полном сгорании 5 кг сухих дров? **Ответ:** $Q = qm = 1{,}0 \cdot 10^7 \cdot 5 = 5 \cdot 10^7$ Дж. ### Проверь себя **Какая физическая величина называется удельной теплотой сгорания топлива?** - Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании $1 \text{ кг}$ топлива. — верно - Время, за которое полностью сгорает $1 \text{ кг}$ данного вида топлива. - Количество теплоты, необходимое для нагревания $1 \text{ кг}$ топлива до температуры его воспламенения. - Величина, показывающая массу топлива, необходимую для нагревания $1 \text{ кг}$ воды на $1 \, ^\circ\text{C}$. > По определению удельная теплота сгорания рассчитывается на единицу массы топлива ($1 \text{ кг}$) при условии его полного сгорания. **В каких единицах в Международной системе единиц (СИ) измеряется удельная теплота сгорания топлива?** - $\frac{\text{Дж}}{^\circ\text{C}}$ - $\frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$ — верно - $\frac{\text{Вт}}{\text{кг}}$ - $\text{Дж} \cdot \text{кг}$ > Так как удельная теплота сгорания вычисляется по формуле $q = \frac{Q}{m}$, её единица определяется отношением джоуля к килограмму. **Удельная теплота сгорания торфа равна $1{,}4 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$. Что означают эти данные?** - Каждый килограмм торфа выделяет $1{,}4 \cdot 10^7 \text{ Дж}$ энергии за $1 \text{ секунду}$ горения. - Для полного сжигания $1{,}4 \text{ кг}$ торфа требуется затратить $10^7 \text{ Дж}$ теплоты. - При сгорании $1 \text{ кг}$ торфа его температура поднимается на $1{,}4 \cdot 10^7 \, ^\circ\text{C}$. - При полном сгорании торфа массой $1 \text{ кг}$ выделяется $1{,}4 \cdot 10^7 \text{ Дж}$ энергии. — верно > Числовое значение удельной теплоты сгорания показывают количество джоулей теплоты, получаемое при полном сгорании одного килограмма этого вещества. **При сгорании какой из двух одинаковых масс топлива — каменного угля ($q = 2{,}7 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$) или нефти ($q = 4{,}4 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$) — выделится большее количество теплоты?** - Выделится одинаковое количество теплоты, так как их массы равны. - Нефти, так как её удельная теплота сгорания больше. — верно - Каменного угля, так как это твёрдое вещество. - Каменного угля, так как углерод в нём сгорает быстрее. > При равной массе $m$ количество выделившейся теплоты $Q = q m$ тем больше, чем больше удельная теплота сгорания $q$. **Для каких двух видов топлива отношение удельных теплот сгорания составляет $q_1 = 3 q_2$ согласно приведенным в тексте табличным данным?** - Бензин ($4{,}6 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$) и каменный уголь ($2{,}7 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$) - Древесный уголь ($3{,}4 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$) и торф ($1{,}4 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$) - Антрацит ($3{,}0 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$) и сухие дрова ($1{,}0 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$) — верно - Водород ($12 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$) и природный газ ($4{,}4 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$) > Удельная теплота сгорания антрацита ($3{,}0 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$) ровно в 3 раза больше, чем у сухих дров ($1{,}0 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$). ## 3. Считаем топливо: от массы к теплоте и обратно *Единицы, обратная задача и куда девается энергия* Практических задач две. В первой известна масса топлива, нужно найти теплоту — это $Q = qm$. Во второй известна нужная теплота, нужно найти массу. Тогда формулу просто «переворачиваем»: из $Q = qm$ получаем $m = \frac{Q}{q}$. **Пример: Сколько торфа нужно сжечь, чтобы получить $2{,}8 \cdot 10^7$ Дж** 1. Из таблицы: для торфа $q = 1{,}4 \cdot 10^7$ Дж/кг. Нужно $Q = 2{,}8 \cdot 10^7$ Дж. 2. Выражаем массу: $m = \frac{Q}{q}$. 3. Подставляем: $m = \frac{2{,}8 \cdot 10^7}{1{,}4 \cdot 10^7} = 2$ кг. **Пример: Теплота от 500 г спирта** 1. Масса дана в граммах, а $q$ — в Дж/кг. Переводим: $m = 500$ г $= 0{,}5$ кг. 2. Из таблицы: для спирта $q = 2{,}7 \cdot 10^7$ Дж/кг. 3. $Q = qm = 2{,}7 \cdot 10^7 \cdot 0{,}5 = 1{,}35 \cdot 10^7$ Дж. **Неправильно:** Подставить массу в граммах: $Q = 2{,}7 \cdot 10^7 \cdot 500$ — ответ получился в 1000 раз больше. **Правильно:** Сначала перевести массу в килограммы ($500$ г $= 0{,}5$ кг), потому что $q$ измеряется в Дж/кг. Зачем это нужно в школе? Задачи про количество теплоты — основа тепловых явлений, и их спрашивают на ОГЭ: нужно уверенно взять $q$ из таблицы, перевести массу в килограммы и посчитать. **Куда девается энергия при горении** Энергия при сгорании не берётся из ниоткуда и не исчезает: энергия, которая была запасена в топливе, превращается в теплоту. Именно эту теплоту и выражает $Q$. Закон сохранения и превращения энергии применим к тепловым процессам так же, как ко всему остальному. ### Проверь себя **По какой формуле вычисляется количество теплоты $Q$, выделяющееся при полном сгорании топлива массой $m$?** - $Q = \frac{q}{m}$ - $Q = q m$ — верно - $Q = q m^2$ - $Q = \frac{m}{q}$ > Чтобы найти общее количество теплоты, нужно удельную теплоту сгорания $q$ умножить на массу топлива $m$. **Какое количество теплоты выделится при полном сгорании торфа массой $5 \text{ кг}$, если его удельная теплота сгорания равна $1{,}4 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$?** - $2{,}8 \cdot 10^7 \text{ Дж}$ - $7{,}0 \cdot 10^7 \text{ Дж}$ — верно - $3{,}5 \cdot 10^6 \text{ Дж}$ - $0{,}28 \cdot 10^7 \text{ Дж}$ > По формуле $Q = q m$ перемножаем $1{,}4 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}} \cdot 5 \text{ кг} = 7{,}0 \cdot 10^7 \text{ Дж}$. **При полном сгорании $6 \text{ кг}$ топлива выделилось $2{,}76 \cdot 10^8 \text{ Дж}$ теплоты. Какое это топливо согласно приведенным табличным данным?** - Каменный уголь или спирт - Природный газ или нефть - Бензин или керосин — верно - Антрацит > Вычисляя $q = \frac{Q}{m} = \frac{2{,}76 \cdot 10^8 \text{ Дж}}{6 \text{ кг}} = 4{,}6 \cdot 10^7 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$, находим по таблице, что это бензин или керосин. ## Ключевые термины - **Горение топлива** — Химическая реакция, при которой одни вещества превращаются в другие и выделяется энергия. - **Удельная теплота сгорания** — Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 1 кг топлива. ## Итог - Горение — химическая реакция: вещества превращаются в другие, выделяется энергия - Удельная теплота сгорания $q$ — теплота при полном сгорании 1 кг топлива, единица — Дж/кг - Теплота при сгорании: $Q = qm$, масса в килограммах - Массу находим так: $m = \frac{Q}{q}$; значение $q$ берём из таблицы ## Шпаргалка ### Формулы теплоты сгорания - **$Q = qm$** — теплота при полном сгорании топлива - **$q = \frac{Q}{m}$** — удельная теплота сгорания - **$m = \frac{Q}{q}$** — масса топлива по нужной теплоте ### Величины и единицы - **$Q$** — теплота при сгорании, Дж - **$m$** — масса топлива, кг - **Бензин** — $q = 4{,}6 \cdot 10^7$ Дж/кг - **Сухие дрова** — $q = 1{,}0 \cdot 10^7$ Дж/кг - **Водород** — $q = 12 \cdot 10^7$ Дж/кг ### Задача на сгорание топлива 1. **Найти $q$** — взять значение для топлива из таблицы 2. **Перевести массу** — привести граммы к килограммам 3. **Посчитать** — подставить в $Q = qm$ или $m = \frac{Q}{q}$ ## Любопытное - Удельную теплоту сгорания не вычисляют по формуле «из головы»: она определяется химическим составом топлива и находится опытным путём.