Удельная теплота сгорания – формула, единицы измерения, обозначение

Что такое удельная теплота сгорания?

Удельная теплота сгорания q — это физическая величина равная количеству тепла, выделяющегося при полном сгорания 1 кг топлива.

Формула удельной теплоты сгорания выглядит так:

q=Q/m

где:

Q — количество теплоты выделевшееся при сгорании топлива, Дж;

m — масса топлива, кг.

Единицей измерения q в интернациональной системе единиц СИ является Дж/кг.

q=Дж/кг

Для обозначения больших величин q часто используются внесистемные единицы энергии: килоджоули (кДж), мегаджоули (МДж) и гигаджоули (ГДж).

Значения q для разных веществ определяют экспериментально.

Зная q, можно вычислить количество тепла Q, которое получится в результате сжигания топлива массой m:

Q=q * m

Мы уже знаем, что при горении выделяется теплота (тепловая энергия).

Количество теплоты, которое мы получим при сгорании, будет отличаться для разных видов топлива. Одно топливо будет выделять больше энергии, другое – меньше.

Чтобы сравнивать горючие вещества между собой, удобно сжигать 1 килограмм топлива и измерять выделяемое количество теплоты.

Примечание: Не путайте теплоту и температуру. Теплота – это тепловая энергия. Любую энергию измеряют в Джоулях. А температуру измеряют в градусах.

Тепловая энергия, которая выделяется при полном сгорании 1 кг топлива, называется удельной теплотой сгорания. Ее обозначают маленькой латинской буквой q.

Примечание: Удельная теплота сгорания —  это тепловая энергия, которая выделяется при полном сгорании 1 кг. топлива. Ранее мы уже сталкивались с удельными величинами (ссылка).

Удельную теплоту сгорания некоторых веществ можно найти в справочнике физики.

Как измеряют удельную теплоту сгорания

Для измерения q используют приборы, которые называются калориметрами (calor – тепло, metreo – измеряю).

Контейнер с порцией топлива сжигается внутри прибора. Контейнер помещен в воду с известной массой. В результате горения выделившееся тепло нагревает воду. Величина массы воды и изменение ее температуры позволяют вычислить теплоту сгорания. Далее q определяется по вышеприведенной формуле.

Где можно найти значения q

Информацию о величинах удельной теплоты сгорания для конкретных видов топлива можно найти в технических справочниках или в их электронных версиях на интернет-ресурсах. Обычно они приводятся в виде такой таблицы:

Удельная теплота сгорания, q

Вещество	МДж/кг	Вещество	МДж/кг
Торф	8,1	Дизельное топливо	42,7
Дрова	10,2	Керосин	44,0
Уголь бурый	15,0	Бензин	48,0
Уголь каменный	29,3	Пропан	47,5
Нефть	41,3	Метан	50,11

Ресурсы разведанных, современных видов топлива ограничены. Поэтому в будущем на смену им придут другие источники энергии:

• атомные, использующие энергию ядерных реакций;
• солнечные, преобразовывающие энергию солнечных лучей в тепло и электричество;
• ветряные;
• геотермальные, использующие тепло природных горячих источников.

Как связаны количество теплоты и удельная теплота сгорания — формула

Мы можем посчитать количество теплоты, выделенной при сгорании, когда нам известны:

• удельная теплота сгорания топлива и
• количество килограммов вещества.

Примечание: Если умножить удельную теплоту сгорания (large q ) на количество килограммов m сгоревшего вещества, то можно вычислить общее количество теплоты (large Q ), выделившейся при сгорании топлива.

Откуда берется тепло в процессе горения?

Сам по себе процесс сгорания топлива — это химическая, окислительная реакция. Большинство видов топлива содержит большое количество углерода С, водорода H, серы S и других веществ. Во время горения атомы C, H, и S соединяется с атомами кислорода О2, в результате чего получается молекулы СО, СО2, Н2О, SO2. При этом происходит выделение большого количества тепловой энергии, которую люди научились использовать в своих целях.

Рис. 1. Виды топлива: уголь, торф, нефть, газ.

Основной вклад в выделение тепла дает углерод C. Второй по количеству тепла вклад вносит водород H.

Рис. 2. Атомы углерода вступают в реакцию с атомами кислорода.

Теплотворность твердых материалов

К этой категории относится древесина, торф, кокс, горючие сланцы, брикетное и пылевидное топливо. Основная составная часть твердого топлива — углерод.

Особенности разных пород дерева

Максимальная эффективность от использования дров достигается при условии соблюдения двух условий — сухости древесины и медленном процессе горения.

Куски дерева распиливают или рубят на отрезки длиной до 25-30 см, чтобы дрова удобно загружались в топку

Идеальными для дровяного печного отопления считаются дубовые, березовые, ясеневые бруски. Хорошими показателями характеризуется боярышник, лещина. А вот у хвойных пород теплотворность низкая, но высокая скорость горения.

Как горят разные породы:

1. Бук, березу, ясень, лещину сложно растопить, но они способны гореть сырыми из-за низкого содержания влажности.
2. Ольха с осиной не образуют сажи и «умеют» удалять ее из дымохода.
3. Береза требует достаточного количества воздуха в топке, иначе будет дымить и оседать смолой на стенках трубы.
4. Сосна содержит больше смолы, чем ель, поэтому искрит и горит жарче.
5. Груша и яблоня легче других раскалывается и отлично горит.
6. Кедр постепенно превращается в тлеющий уголь.
7. Вишня и вяз дымит, а платан сложно расколоть.
8. Липа с тополем быстро прогорают.

Показатели ТСТ разных пород сильно зависят от плотности конкретных пород. 1 кубометр дров эквивалентен примерно 200 литрам жидкого топлива и 200 м3 природного газа. Древесина и дрова относятся к категории с низкой энергоэффективностью.

Таблица объёмной теплотворности дров (удельная теплота сгорания объемная) при влажности древесины 20%

Порода дерева	Объёмная удельная теплотворная способность дров. 1 дм3=1л
	ккал/дм3	кДж/дм3	кВт*ч/дм3	Градация теплотворности по ГОСТ 3243-88
Берёза	1389-2240	5816-9379	1,62-2,61	Первая группа по ГОСТ 3243-88: берёза, бук, ясень, граб, ильм, вяз, клён, дуб, лиственница
бук	1258-2133	5276-8931	1,46-2,48
ясень	1403-2194	5874-9186	1,63-2,55
граб	1654-2148	6925-8994	1,92-2,5
ильм	1282-2341	5368-9802	1,49-2,72
вяз	1282-2341	5368-9802	1,49-2,72
клён	1503-2277	6293-9534	1,75-2,65
дуб	1538-2429	6400-10170	1,79-2,82
лиственница	1084-2207	4539-9241	1,26-2,57
сосна	1282-2130	5368-8918	1,49-2,48	Вторая группа по ГОСТ 3243-88: сосна, ольха
ольха	1122-1744	4698-7302	1,30-2,03
ель	1068-1974	4472-8265	1,24-2,30	Третья группа по ГОСТ 3243-88: ель, кедр, пихта, осина, липа, тополь, ива
кедр	1312-2237	5493-9366	1,53-2,60
пихта	1068-1974	4472-8265	1,24-2,30
осина	1002-1729	4195-7239	1,17-2,01
липа	1046-1775	4380-7432	1,22-2,06
тополь	839-1370	3515-5736	0,98-1,59
ива	1128-1840	4723-7704	1,31-2,14

Влияние возраста на свойства угля

Уголь является природным материалом растительного происхождения. Добывается он из осадочных пород. В этом топливе содержится углерод и другие химические элементы.

Кроме типа на теплоту сгорания угля оказывает влияние и возраст материала. Бурый относится к молодой категории, за ним следует каменный, а самым старшим считается антрацит.

По возрасту горючего определяется и влажность: чем моложе уголь, тем больше в нем содержание влаги. Которая также влияет на свойства этого типа топлива

Процесс горения угля сопровождается выделением веществ, загрязняющих окружающую среду, колосники котла при этом покрываются шлаком. Еще один неблагоприятный фактор для атмосферы — наличие серы в составе топлива. Этот элемент при соприкосновении с воздухом трансформируется в серную кислоту.

Производителям удается максимально снизить содержание серы в угле. В результате ТСТ отличается даже в пределах одного вида. Влияет на показатели и география добычи. Как твердое топливо может использоваться не только чистый уголь, но и брикетированный шлак.

Наибольшая топливная способность наблюдается у коксующегося угля. Хорошими характеристиками обладает и каменный, древесный, бурый уголь, антрацит.

Природный каменный материал

Этот вид топлива возник гораздо раньше, нежели бурый уголь. Большие пласты материала расположены под землёй на глубине 3 километра. В его составе содержится до 97% чистого углерода, а вот количество летучих примесей находится в пределах 35%. Что касается влажности, то в каменном угле её не больше чем 15%. А это положительно влияет на теплоэффективность ископаемого.

В идеальных условиях удельная теплота сгорания каменного угля находится в пределах 2100°C. Но в обычной отопительной печи такой материал сжигается максимум при 1000°C.

Уровень теплоотдачи варьируется в пределах 7 тыс. ккал/кг. Стоит отметить, что этот вид топлива плохо поддаётся разжиганию, так как для этих целей нужно нагреть печь до 400°C.

Этот материал не подойдет для разжигания

Как показывает практика, именно каменный уголь чаще всего используется обычными гражданами для обогрева домов, дач и зданий иного назначения.

Характеристика керосина как топлива

Горением называют процесс бурного окисления веществ с выделением тепла. Как правило, в реакции участвует кислород, содержащийся в воздухе. Во время сжигания углеводородов образуются такие основные продукты горения:

• углекислый газ;
• водяной пар;
• сажа.

Количество энергии, генерируемое во время сгорания топлива, зависит от его вида, условий сжигания, массы или объёма. Энергия измеряется в джоулях или калориях. Удельной (на единицу измерения количества вещества) теплотой сгорания называют энергию, полученную при сжигании единицы топлива:

• молярная (например, Дж/моль);
• массовая (например, Дж/кг);
• объёмная (например, ккал/л).

В большинстве случаев для оценки газообразных, жидких и твёрдых топлив оперируют показателем массовой теплоты сгорания, выраженной в Дж/кг.

Во время сжигания углевода образуется несколько элементов, например, сажа

Значение теплоты сгорания будет зависеть от того, брались ли в учёт процессы, происходящие с водой во время сгорания. Испарение влаги — энергоёмкий процесс, а учёт теплоотдачи при конденсации этих паров также способен повлиять на результат.

Результат замеров, производимых до того, как сконденсированный пар вернёт энергию в систему, называют низшей теплотой сгорания, а показатель, полученный после конденсации паров, называется высшей теплотой. Углеводородные двигатели не могут использовать дополнительную энергию водяного пара в выхлопе, поэтому показатель нетто актуален для производителей моторов и встречается в справочниках чаще.

Нередко при указании теплотворной способности не уточняют о том, какая из величин имеется в виду, что может привести к путанице. Сориентироваться помогает знание того, что в РФ традиционно принято указывать низшую.

Низшая теплота сгорания – важный показатель

Следует отметить, что для некоторых видов топлива разделение на энергию нетто и брутто не имеет смысла, так как они не образуют воду во время горения. В отношении керосина это неактуально, поскольку содержание углеводородов в нём велико. При сравнительно невысокой плотности (между 780 кг/м³ и 810 кг/м³) его теплотворная способность аналогична этому же показателю у дизельного топлива и составляет:

• низшая — 43,1 МДж/кг;
• высшая — 46,2 МДж/кг.

Сравнение с другими видами горючего

Рассматриваемый показатель очень удобен для оценки потенциального количества тепла, содержащегося в топливе. Например, теплота сгорания бензина на единицу массы сопоставима с таким же показателем у керосина, но первый значительно плотнее. Как следствие, в таком же сравнении литр бензина содержит меньше энергии.

Удельная теплота сгорания нефти как смеси углеводородов зависит от её плотности, которая непостоянна для различных месторождений (43-46 МДж/кг). Расчётные методы позволяют с высокой точностью определить это значение, если есть исходные данные о её составе.

Усреднённо показатели для некоторых видов горючих жидкостей, входящих в состав нефти, выглядят так (в МДж/кг):

• дизельное топливо — 42-44;
• бензин — 43-45;
• керосин — 43-44.

Калорийность твёрдых видов горючего, таких как торф и уголь, имеет больший разбег. Это связано с тем, что их состав может сильно отличаться как по содержанию несгораемых веществ, так и по калорийности углеводородов. Например, теплотворная способность торфа различных типов может колебаться в пределах 8-24 МДж/кг, а каменного угля — 13-36 МДж/кг. Среди распространённых газов большой теплотворностью отличается водород — 120 МДж/кг. Следующий по удельной теплоте сгорания — метан (50 МДж/кг).

Это интересно: торфяные брикеты для отопления.

Можно сказать, что керосин — топливо, выдержавшее испытание временем именно благодаря сравнительно высокой энергоёмкости при низкой цене. Его применение не только экономически оправдано, но и в некоторых случаях безальтернативно.

Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)

В таблице представлены значения удельной теплоты сгорания сухого твердого топлива в размерности МДж/кг. Топливо в таблице расположено по названию в алфавитном порядке.

Наибольшей теплотворной способностью из рассмотренных твердых видов топлива обладает коксующийся уголь — его удельная теплота сгорания равна 36,3 МДж/кг (или в единицах СИ 36,3·106 Дж/кг). Кроме того высокая теплота сгорания свойственна каменному углю, антрациту, древесному углю и углю бурому.

К топливам с низкой энергоэффективностью можно отнести древесину, дрова, порох, фрезторф, горючие сланцы. Например, удельная теплота сгорания дров составляет 8,4…12,5, а пороха — всего 3,8 МДж/кг.

Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)ТопливоУдельная теплота сгорания, МДж/кг

Антрацит	26,8…34,8
Древесные гранулы (пиллеты)	18,5
Дрова сухие	8,4…11
Дрова березовые сухие	12,5
Кокс газовый	26,9
Кокс доменный	30,4
Полукокс	27,3
Порох	3,8
Сланец	4,6…9
Сланцы горючие	5,9…15
Твердое ракетное топливо	4,2…10,5
Торф	16,3
Торф волокнистый	21,8
Торф фрезерный	8,1…10,5
Торфяная крошка	10,8
Уголь бурый	13…25
Уголь бурый (брикеты)	20,2
Уголь бурый (пыль)	25
Уголь донецкий	19,7…24
Уголь древесный	31,5…34,4
Уголь каменный	27
Уголь коксующийся	36,3
Уголь кузнецкий	22,8…25,1
Уголь челябинский	12,8
Уголь экибастузский	16,7
Фрезторф	8,1
Шлак	27,5

Бурый уголь

Бурый уголь — самая молодая твёрдая горная порода, которая образовалась около 50 млн лет назад из торфа или лигнита. По своей сути, это «недозревший» каменный уголь.

Это полезное ископаемое получило своё название из-за цвета – оттенки варьируются от буро-рыжего до чёрного. Бурый уголь считается топливом низкой степени углефикации (метаморфизма). Он содержит в себе от 50% углерода, но также много летучих веществ, минеральных примесей и влаги, поэтому гораздо легче горит и даёт больше дыма и запаха гари.

В зависимости от влажности, бурый уголь делят на марки 1Б (влажность более 40%), 2Б (30-40%) и 3Б (до 30%). Выход летучих веществ у бурых углей составляет до 50%.

При продолжительном контакте с воздухом бурый уголь имеет свойство терять структуру и растрескиваться. Среди всех видов угля он считается самым некачественным топливом, так как выделяет куда меньше тепла: теплота сгорания составляет всего 4000 — 5500 ккалкг.

Бурый уголь залегает на небольших глубинах (до 1 км), поэтому его гораздо легче и дешевле добывать. Однако в России как топливо он применяется намного реже, чем каменный уголь. Из-за низкой стоимости бурому углю всё же отдают предпочтение некоторые мелкие и частные котельные и ТЭЦ.

В России крупнейшие месторождения бурого угля располагаются в Канско-Ачинском бассейне (Красноярский край). В целом участок обладает запасами почти в 640 млрд т (около 140 млрд т пригодны для разработки открытыми способом).

Богато запасами бурого угля и единственное угольное месторождение в Алтае – Солтонское. Его прогнозируемые запасы составляют 250 млн т.

Около 2 трлн т бурого угля таит в себе Ленский угольный бассейн, расположенный на территории Якутии и Красноярского края. Кроме того, этот вид полезного ископаемого нередко залегает вместе с каменным углём – так, его также получают на месторождениях Минусинского и Кузнецкого угольных бассейнов.

Особенности печи, работающей на угле

Подобное устройство имеет конструктивные особенности, предполагает проведение реакции пиролиза угля. Древесный уголь не относится к полезным ископаемым, он стал продуктом человеческой деятельности.

Температура горения угля составляет 900 градусов, что сопровождается выделением достаточного количества тепловой энергии. Какова технология создания такого удивительного продукта? Суть заключается в определенной обработке древесины, благодаря чему происходит существенное изменение ее структуры, выделение из нее избыточной влаги. Осуществляется подобный процесс в специальных печах. Принцип действия таких устройств базируется на процессе пиролиза. Печь для получения древесного угля состоит из четырех базовых компонентов:

• камеры сгорания;
• укрепленного основания;
• дымохода;
• отсека вторичной переработки.

Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов

Приведена таблица удельной теплоты сгорания некоторых горючих материалов (стройматериалы, древесина, бумага, пластик, солома, резина и т. д.). Следует отметить материалы с высоким тепловыделением при сгорании. К таким материалам можно отнести: каучук различных типов, пенополистирол (пенопласт), полипропилен и полиэтилен.

Удельная теплота сгорания некоторых горючих материаловТопливоУдельная теплота сгорания, МДж/кг

Бумага	17,6
Дерматин	21,5
Древесина (бруски влажностью 14 %)	13,8
Древесина в штабелях	16,6
Древесина дубовая	19,9
Древесина еловая	20,3
Древесина зеленая	6,3
Древесина сосновая	20,9
Капрон	31,1
Карболитовые изделия	26,9
Картон	16,5
Каучук бутадиенстирольный СКС-30АР	43,9
Каучук натуральный	44,8
Каучук синтетический	40,2
Каучук СКС	43,9
Каучук хлоропреновый	28
Линолеум поливинилхлоридный	14,3
Линолеум поливинилхлоридный двухслойный	17,9
Линолеум поливинилхлоридный на войлочной основе	16,6
Линолеум поливинилхлоридный на теплой основе	17,6
Линолеум поливинилхлоридный на тканевой основе	20,3
Линолеум резиновый (релин)	27,2
Парафин твердый	11,2
Пенопласт ПХВ-1	19,5
Пенопласт ФС-7	24,4
Пенопласт ФФ	31,4
Пенополистирол ПСБ-С	41,6
Пенополиуретан	24,3
Плита древесноволокнистая	20,9
Поливинилхлорид (ПВХ)	20,7
Поликарбонат	31
Полипропилен	45,7
Полистирол	39
Полиэтилен высокого давления	47
Полиэтилен низкого давления	46,7
Резина	33,5
Рубероид	29,5
Сажа канальная	28,3
Сено	16,7
Солома	17
Стекло органическое (оргстекло)	27,7
Текстолит	20,9
Толь	16
Тротил	15
Хлопок	17,5
Целлюлоза	16,4
Шерсть и шерстяные волокна	23,1

Факторы, влияющие на температуру горения

Температура горения дров в печи зависит не только от породы древесины. Значимыми факторами также являются влажность дров и сила тяги, которая обусловлена конструкцией теплового агрегата.

Правила сжигания

Когда потребитель знакомится с температурой горения того или иного угля, ему нужно учитывать, что производители указывают только те цифры, которые являются актуальными для идеальных условий. Конечно, в обычном бытовом котле или печи воссоздать необходимые параметры просто невозможно. Современные теплогенераторы из металла или кирпича просто не рассчитаны на столь высокие температуры, так как основной теплоноситель в системе может быстро закипеть. Именно поэтому параметры сгорания того или иного топлива определяются режимом его сжигания.

Иными словами, все зависит от интенсивности подачи воздуха. Как ископаемый, так и древесный уголь хорошо нагревает помещение, если уровень поступления кислорода достигает 100%. Чтобы ограничить воздушный поток, можно использовать специальную заслонку/задвижку. Такой подход позволяет создать наиболее благоприятные условия сгорания заправленного топлива (до 950˚С).

Если уголь используется в твердотопливном котле, тогда нельзя допустить вскипание теплоносителя. Основная опасность связана с тем, что предохранительный клапан может просто не сработать, а это чревато большим взрывом. К тому же смесь воды и горячего пара плохо воздействует на функциональные способности циркуляционного насоса. Специалистами были разработаны два наиболее эффективных способа, которые позволяют контролировать процесс горения:

1. Дроблённое или порошковое топливо должно поступать в котёл исключительно в дозированном объёме (действует та же схема, что и в пиллетных устройствах).
2. Основной энергоноситель загружается в топку, после чего регулируется интенсивность подачи воздуха.

[spoiler title=”Источники”]

• https://mastack.ru/utilities/heating/udelnaya-teplota-sgoraniya-topliva-i-goryuchih-materialov-tablitsy-energii-topliva.html
• https://formulki.ru/molekulyarka/gorenie-energiya-topliva-i-udelnaya-teplota-sgoraniya
• https://obrazovaka.ru/fizika/udelnaya-teplota-sgoraniya-formula.html
• https://sovet-ingenera.com/otoplenie/o-drugoe/teplotvornost-razlichnyx-vidov-topliva.html
• https://dpva.ru/Guide/GuidePhysics/GuidePhysicsHeatAndTemperature/ComnustionEnergy/WoodWetDryCombustion/
• https://kaminguru.com/kotel/teplota-sgoranija-uglja.html
• https://kaminguru.com/kotel/opredelenie-teploty-sgoranija-kerosina.html
• https://uteplitel-minol.ru/pechi-kaminy/teplota-sgoraniya-drov.html
• https://drova-pil.ru/kaminy-i-pechi/temperatura-goreniya-topliva-tablica.html
• https://ProfiTeplo.com/toplivo/35-temperatura-goreniya-drov.html

[/spoiler]