(Fig. 14.1 - Valor calórico
capacidade de combustível)
Preste atenção ao poder calorífico (calor específico de combustão) dos diferentes tipos de combustível, compare os indicadores. O poder calorífico de um combustível caracteriza a quantidade de calor liberada durante a combustão completa de um combustível com peso de 1 kg ou volume de 1 m³ (1 l). O poder calorífico mais comum é medido em J/kg (J/m³; J/L). Quanto maior o calor específico de combustão do combustível, menor o seu consumo. Portanto, o poder calorífico é uma das características mais significativas do combustível.
O calor específico de combustão de cada tipo de combustível depende de:
- De seus componentes combustíveis (carbono, hidrogênio, enxofre combustível volátil, etc.).
- De seu teor de umidade e cinzas.
| Tabela 4 - Calor específico de combustão de diversos transportadores de energia, análise comparativa de custos. | |||||||||
| Tipo de transportador de energia | Valor calórico | Volumétrico densidade da matéria (ρ=m/V) | Preço unitário combustível de referência | Coef. ação útil (eficiência) sistemas aquecimento, % | Preço por 1 kWh | Sistemas implementados | |||
| MJ | kWh | ||||||||
| (1MJ=0,278kWh) | |||||||||
| Eletricidade | - | 1,0 kWh | - | 3,70 esfregar. por kWh | 98% | 3,78 rublos | Aquecimento, abastecimento de água quente (DHW), ar condicionado, cozinha | ||
| Metano (CH4, temperatura ponto de ebulição: -161,6 °C) | 39,8 MJ/m³ | 11,1 kWh/m³ | 0,72 kg/m³ | 5,20 esfregar. por m³ | 94% | 0,50 esfregar. | |||
| Propano (C3H8, temperatura ponto de ebulição: -42,1 °C) | 46,34 MJ/kg | 23,63 MJ/l | 12,88 kWh/kg | 6,57 kWh/l | 0,51 kg/l | 18,00 esfregar. corredor | 94% | 2,91 esfregar. | Aquecimento, abastecimento de água quente (DHW), cozedura, alimentação de reserva e energia permanente, fossa séptica autónoma (esgoto), aquecedores infravermelhos exteriores, churrasqueiras exteriores, lareiras, saunas, iluminação de design |
| Butano C4H10, temperatura ponto de ebulição: -0,5 °C) | 47,20 MJ/kg | 27,38 MJ/l | 13,12 kWh/kg | 7,61 kWh/l | 0,58 kg/l | 14,00 esfregar. corredor | 94% | 1,96 esfregar. | Aquecimento, abastecimento de água quente (DHW), cozedura, alimentação de reserva e energia permanente, fossa séptica autónoma (esgoto), aquecedores infravermelhos exteriores, churrasqueiras exteriores, lareiras, saunas, iluminação de design |
| propano butano (GLP - liquefeito gás hidrocarboneto) | 46,8 MJ/kg | 25,3 MJ/l | 13,0 kWh/kg | 7,0 kWh/l | 0,54 kg/l | 16,00 esfregar. corredor | 94% | 2,42 rublos | Aquecimento, abastecimento de água quente (DHW), cozedura, alimentação de reserva e energia permanente, fossa séptica autónoma (esgoto), aquecedores infravermelhos exteriores, churrasqueiras exteriores, lareiras, saunas, iluminação de design |
| Combustível diesel | 42,7 MJ/kg | 11,9 kWh/kg | 0,85 kg/l | 30,00 esfregar. por kg | 92% | 2,75 esfregar. | Aquecimento (aquecimento de água e geração de eletricidade são muito caros) | ||
| Lenha (bétula, umidade - 12%) | 15,0 MJ/kg | 4,2 kWh/kg | 0,47-0,72 kg/dm³ | 3,00 esfregar. por kg | 90% | 0,80 esfregar. | Aquecimento (inconveniente para cozinhar alimentos, quase impossível obter água quente) | ||
| Carvão | 22,0 MJ/kg | 6,1 kWh/kg | 1200-1500 kg/m³ | 7,70 esfregar. por kg | 90% | 1,40 esfregar. | Aquecimento | ||
| Gás MAPP (mistura de gás liquefeito de petróleo - 56% com metil acetileno-propadieno - 44%) | 89,6 MJ/kg | 24,9 kWh/m³ | 0,1137 kg/dm³ | -R. por m³ | 0% | Aquecimento, abastecimento de água quente (DHW), cozedura, alimentação de reserva e energia permanente, fossa séptica autónoma (esgoto), aquecedores infravermelhos exteriores, churrasqueiras exteriores, lareiras, saunas, iluminação de design | |||
(Fig. 14.2 - Calor específico de combustão)
De acordo com a tabela "Valor calorífico específico de vários transportadores de energia, análise comparativa de custos", o propano-butano (gás hidrocarboneto liquefeito) é inferior em benefícios econômicos e perspectivas de utilização apenas de gás natural (metano). No entanto, deve-se atentar para a tendência de aumento inevitável do custo do gás principal, hoje significativamente subestimado. Analistas preveem uma inevitável reorganização do setor, que levará a um aumento significativo no preço do gás natural, talvez até superando o custo do óleo diesel.
Assim, o gás liquefeito de petróleo, cujo custo permanecerá praticamente inalterado, permanece extremamente promissor - a solução ideal para sistemas autônomos de gaseificação.
máquinas térmicas na termodinâmica, são motores térmicos que operam periodicamente e máquinas de refrigeração (termocompressores). Uma variedade de máquinas de refrigeração são bombas de calor.
Dispositivos que realizam trabalho mecânico devido à energia interna do combustível são chamados de motores térmicos (motores térmicos). Os seguintes componentes são necessários para a operação de uma máquina térmica: 1) uma fonte de calor com um nível de temperatura mais alto t1, 2) uma fonte de calor com um nível de temperatura mais baixo t2, 3) um fluido de trabalho. Em outras palavras: quaisquer motores térmicos (motores térmicos) consistem em aquecedor, refrigerador e meio de trabalho .
Como corpo de trabalho gás ou vapor, pois são altamente compressíveis e, dependendo do tipo de motor, pode haver combustível (gasolina, querosene), vapor de água, etc. O aquecedor transfere uma certa quantidade de calor (Q1) para o fluido de trabalho , e sua energia interna aumenta devido a essa energia interna, o trabalho mecânico (A) é realizado, então o fluido de trabalho emite uma certa quantidade de calor para o refrigerador (Q2) e esfria até a temperatura inicial. O esquema descrito representa o ciclo de operação do motor e é geral; em motores reais, vários dispositivos podem desempenhar o papel de aquecedor e refrigerador. O ambiente pode servir como uma geladeira.
Como no motor parte da energia do fluido de trabalho é transferida para o refrigerador, fica claro que nem toda a energia recebida por ele do aquecedor vai para o trabalho. Respectivamente, eficiência motor (eficiência) é igual à razão entre o trabalho realizado (A) e a quantidade de calor recebida por ele do aquecedor (Q1):
Motor de combustão interna (ICE)
Existem dois tipos de motores de combustão interna (ICE): carburador e diesel. Em um motor de carburador, a mistura de trabalho (uma mistura de combustível com ar) é preparada fora do motor em um dispositivo especial e a partir dela entra no motor. Em um motor diesel, a mistura de combustível é preparada no próprio motor.
O ICE consiste em cilindro
, em que se move pistão
; o cilindro tem duas válvulas
, através de um dos quais a mistura combustível é admitida no cilindro, e através do outro, os gases de escape são liberados do cilindro. Pistão usando mecanismo de manivela
conecta com Virabrequim
, que entra em rotação durante o movimento de translação do pistão. O cilindro é fechado com uma tampa.
O ciclo de operação do motor de combustão interna inclui quatro barras: admissão, compressão, curso, escape. Durante a admissão, o pistão se move para baixo, a pressão no cilindro diminui e uma mistura combustível (em um motor de carburador) ou ar (em um motor a diesel) entra pela válvula. A válvula está fechada neste momento. No final da entrada da mistura combustível, a válvula fecha.
Durante o segundo curso, o pistão sobe, as válvulas são fechadas e a mistura de trabalho ou ar é comprimido. Ao mesmo tempo, a temperatura do gás aumenta: a mistura combustível no motor do carburador aquece até 300-350 °C e o ar no motor diesel - até 500-600 °C. No final do curso de compressão, uma faísca salta no motor do carburador e a mistura combustível inflama. Em um motor diesel, o combustível é injetado no cilindro e a mistura resultante se inflama espontaneamente.
Quando a mistura combustível é queimada, o gás se expande e empurra o pistão e o virabrequim conectado a ele, realizando trabalho mecânico. Isso faz com que o gás esfrie.
Quando o pistão atinge seu ponto mais baixo, a pressão nele diminuirá. Quando o pistão sobe, a válvula abre e o gás de escape é liberado. No final deste ciclo, a válvula fecha.
Turbina a vapor
Turbina a vapor representa o disco montado em um eixo no qual as lâminas são fixadas. O vapor entra nas lâminas. O vapor aquecido a 600 °C é enviado para o bico e se expande nele. Quando o vapor se expande, sua energia interna é convertida em energia cinética do movimento direcionado do jato de vapor. Um jato de vapor entra nas pás da turbina a partir do bocal e transfere parte de sua energia cinética para elas, fazendo com que a turbina gire. Normalmente, as turbinas têm vários discos, cada um dos quais recebe uma parte da energia do vapor. A rotação do disco é transmitida ao eixo, ao qual está conectado o gerador de corrente elétrica.
Quando diferentes combustíveis de mesma massa são queimados, diferentes quantidades de calor são liberadas. Por exemplo, é bem conhecido que o gás natural é um combustível energeticamente mais eficiente do que a lenha. Isso significa que, para obter a mesma quantidade de calor, a massa de lenha a ser queimada deve ser significativamente maior que a massa de gás natural. Consequentemente, vários tipos de combustível do ponto de vista energético são caracterizados por uma quantidade chamada calor específico de combustão do combustível .
Valor de aquecimento específico do combustível- uma quantidade física que mostra a quantidade de calor liberada durante a combustão completa de um combustível de 1 kg.
O calor específico de combustão é indicado pela letra q , sua unidade é 1J/kg.
O valor do calor específico é determinado experimentalmente. O maior calor específico de combustão é hidrogênio , o menor - pó .
O calor específico de combustão do óleo é 4,4 * 10 7 J/kg. Isso significa que com a combustão completa de 1 kg de óleo, a quantidade de calor 4,4 * 10 7 J é liberada. No caso geral, se a massa de combustível for igual a m , então a quantidade de calor Q liberada durante sua combustão completa é igual ao produto do calor específico de combustão do combustível q pelo seu peso:
Q = qm.
Sinopse de uma lição de física na 8ª série "Máquinas de Calor. GELO. Valor calorífico específico”.
A humanidade, ao longo de sua evolução, aprendeu a obter energia térmica queimando diferentes tipos de combustível. O exemplo mais simples é um fogo feito de madeira, que foi aceso por povos primitivos, e desde então turfa, carvão, gasolina, petróleo, gás natural são todos os tipos de combustível, pela queima que uma pessoa recebe energia térmica. Então, qual é o calor específico de combustão?
De onde vem o calor durante a combustão?
O próprio processo de combustão do combustível é uma reação química e oxidativa. A maioria dos combustíveis contém grandes quantidades de carbono C, hidrogênio H, enxofre S e outras substâncias. Durante a combustão, os átomos de C, H e S combinam-se com átomos de oxigênio de O 2, resultando em moléculas de CO, CO 2, H 2 O, SO 2. Nesse caso, uma grande quantidade de energia térmica é liberada, que as pessoas aprenderam a usar para seus próprios fins.
Arroz. 1. Tipos de combustível: carvão, turfa, petróleo, gás.
A principal contribuição para a liberação de calor é feita pelo carbono C. A segunda maior contribuição é feita pelo hidrogênio H.
Arroz. 2. Os átomos de carbono reagem com os átomos de oxigênio.
Qual é o calor específico de combustão?
O calor específico de combustão q é uma quantidade física igual à quantidade de calor liberada durante a combustão completa de 1 kg de combustível.
A fórmula para o calor específico de combustão é assim:
$$q=(Q\sobre m)$$
Q é a quantidade de calor liberada durante a combustão do combustível, J;
m é a massa de combustível, kg.
A unidade de q no sistema internacional de unidades SI é J/kg.
$$[q]=(J \sobre kg)$$
Para denotar grandes valores de q, as unidades de energia fora do sistema são frequentemente usadas: quilojoules (kJ), megajoules (MJ) e gigajoules (GJ).
Os valores de q para diferentes substâncias são determinados experimentalmente.
Conhecendo q, podemos calcular a quantidade de calor Q, que resultará da combustão do combustível de massa m:
Como é medido o calor específico de combustão?
Para medir q, são utilizados aparelhos chamados calorímetros (calor - calor, metro - medida).
Um recipiente com uma porção de combustível é queimado dentro do aparelho. O recipiente é colocado em água com uma massa conhecida. Como resultado da combustão, o calor liberado aquece a água. O valor da massa de água e a mudança em sua temperatura nos permitem calcular o calor de combustão. Em seguida, q é determinado pela fórmula acima.
Arroz. 3. Medição do calor específico de combustão.
Onde encontrar valores de q
Informações sobre os valores de calor específico de combustão para tipos específicos de combustível podem ser encontradas em livros de referência técnica ou em suas versões eletrônicas em recursos da Internet. Eles geralmente são apresentados na forma de uma tabela como esta:
Calor específico de combustão, q
Os recursos de tipos modernos de combustível explorados são limitados. Portanto, no futuro eles serão substituídos por outras fontes de energia:
- atômica, usando a energia das reações nucleares;
- solar, convertendo a energia da luz solar em calor e eletricidade;
- vento;
- geotérmica, usando o calor de fontes termais naturais.
O que aprendemos?
Assim, aprendemos por que muito calor é liberado durante a combustão do combustível. Para calcular a quantidade de calor liberada durante a combustão de uma certa massa m de combustível, é necessário conhecer o valor q - o calor específico de combustão desse combustível. Os valores de q foram determinados experimentalmente por métodos de calorimetria e são fornecidos em livros de referência.
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Nesta lição, aprenderemos a calcular a quantidade de calor que o combustível libera durante a combustão. Além disso, considere as características do combustível - o calor específico de combustão.
Como toda a nossa vida é baseada no movimento, e o movimento é principalmente baseado na combustão de combustível, o estudo deste tópico é muito importante para a compreensão do tema "Fenômenos térmicos".
Depois de estudar as questões relacionadas à quantidade de calor e capacidade de calor específico, passamos à consideração a quantidade de calor liberada durante a combustão do combustível.
Definição
Combustível- uma substância que em alguns processos (combustão, reações nucleares) libera calor. É uma fonte de energia.
Combustível acontece sólido, líquido e gasoso(Figura 1).
Arroz. 1. Tipos de combustível
- Os combustíveis sólidos são carvão e turfa.
- Os combustíveis líquidos são óleo, gasolina e outros produtos petrolíferos.
- Os combustíveis gasosos incluem gás natural.
- Separadamente, pode-se destacar um muito comum ultimamente Combustível nuclear.
A combustão de combustível é um processo químico que é oxidativo. Durante a combustão, os átomos de carbono se combinam com os átomos de oxigênio para formar moléculas. Como resultado, a energia é liberada, que uma pessoa usa para seus próprios propósitos (Fig. 2).
Arroz. 2. Formação de dióxido de carbono
Para caracterizar o combustível, tal característica é utilizada como valor calórico. O valor calorífico mostra quanto calor é liberado durante a combustão do combustível (Fig. 3). Na física calorífica, o conceito corresponde calor específico de combustão de uma substância.
Arroz. 3. Calor específico de combustão
Definição
Calor específico de combustão- a quantidade física que caracteriza o combustível é numericamente igual à quantidade de calor que é liberada durante a combustão completa do combustível.
O calor específico de combustão é geralmente indicado pela letra . Unidades:
Em unidades de medida, não há , pois a combustão do combustível ocorre a uma temperatura quase constante.
O calor específico de combustão é determinado empiricamente usando instrumentos sofisticados. No entanto, existem tabelas especiais para resolver problemas. Abaixo damos os valores do calor específico de combustão para alguns tipos de combustível.
|
Substância |
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Tabela 4. Calor específico de combustão de algumas substâncias
A partir dos valores fornecidos, pode-se ver que durante a combustão uma grande quantidade de calor é liberada, portanto, as unidades de medida (megajoules) e (gigajoules) são usadas.
Para calcular a quantidade de calor que é liberada durante a combustão do combustível, a seguinte fórmula é usada:
Aqui: - massa de combustível (kg), - calor específico de combustão de combustível ().
Em conclusão, notamos que a maior parte do combustível que é usado pela humanidade é armazenado com a ajuda da energia solar. Carvão, petróleo, gás - tudo isso foi formado na Terra devido à influência do Sol (Fig. 4).
Arroz. 4. Formação de combustível
Na próxima lição, falaremos sobre a lei de conservação e transformação de energia em processos mecânicos e térmicos.
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Trabalho de casa
Quando uma certa quantidade de combustível é queimada, uma quantidade mensurável de calor é liberada. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades, o valor é expresso em Joules por kg ou m 3. Mas os parâmetros também podem ser calculados em kcal ou kW. Se o valor estiver relacionado à unidade de medida do combustível, ele é chamado de específico.
Qual é o poder calorífico de diferentes combustíveis? Qual é o valor do indicador para substâncias líquidas, sólidas e gasosas? As respostas a essas perguntas estão detalhadas no artigo. Além disso, preparamos uma tabela mostrando o calor específico de combustão dos materiais - esta informação será útil na escolha de um tipo de combustível de alta energia.
A liberação de energia durante a combustão deve ser caracterizada por dois parâmetros: alta eficiência e ausência de produção de substâncias nocivas.
Combustível artificial é obtido no processo de processamento natural -. Independentemente do estado de agregação, as substâncias em sua composição química possuem uma parte combustível e uma parte não combustível. O primeiro é carbono e hidrogênio. O segundo consiste em água, sais minerais, nitrogênio, oxigênio, metais.
De acordo com o estado de agregação, o combustível é dividido em líquido, sólido e gasoso. Cada grupo se ramifica em um subgrupo natural e artificial (+)
Ao queimar 1 kg dessa "mistura", uma quantidade diferente de energia é liberada. O quanto dessa energia será liberada depende das proporções desses elementos - a parte combustível, umidade, teor de cinzas e outros componentes.
O calor de combustão do combustível (HCT) é formado a partir de dois níveis - superior e inferior. O primeiro indicador é obtido devido à condensação da água, no segundo esse fator não é levado em consideração.
O menor TCT é necessário para calcular a necessidade de combustível e seu custo, com a ajuda de tais indicadores, os balanços de calor são compilados e a eficiência das instalações operadas a combustível é determinada.
TST pode ser calculado analiticamente ou experimentalmente. Se a composição química do combustível for conhecida, a fórmula de Mendeleev é aplicada. Os procedimentos experimentais são baseados na medição real do calor durante a combustão do combustível.
Nesses casos, é usada uma bomba de combustão especial - uma bomba calorimétrica junto com um calorímetro e um termostato.
As características dos cálculos são individuais para cada tipo de combustível. Exemplo: TCT em motores de combustão interna é calculado a partir do menor valor, pois o líquido não condensa nos cilindros.
Parâmetros de substâncias líquidas
Materiais líquidos, como os sólidos, são decompostos nos seguintes componentes: carbono, hidrogênio, enxofre, oxigênio, nitrogênio. A percentagem é expressa em peso.
O lastro de combustível orgânico interno é formado por oxigênio e nitrogênio; esses componentes não queimam e são incluídos na composição condicionalmente. O lastro externo é formado por umidade e cinzas.
O alto calor específico de combustão é observado na gasolina. Dependendo da marca, é 43-44 MJ.
Indicadores semelhantes do calor específico de combustão também são determinados para querosene de aviação - 42,9 MJ. O óleo diesel também se enquadra na categoria de líderes em termos de poder calorífico - 43,4-43,6 MJ.
Valores de TST relativamente baixos são característicos de combustível de foguete líquido, etilenoglicol. Álcool e acetona diferem no calor específico mínimo de combustão. O seu desempenho é significativamente inferior ao do combustível de motor tradicional.
Propriedades do combustível gasoso
O combustível gasoso consiste em monóxido de carbono, hidrogênio, metano, etano, propano, butano, etileno, benzeno, sulfeto de hidrogênio e outros componentes. Esses números são expressos em porcentagem por volume.
O hidrogênio tem o maior calor de combustão. Ao queimar, um quilograma de uma substância libera 119,83 MJ de calor. Mas tem um alto grau de explosividade.
Altos valores caloríficos também são observados no gás natural.
Eles são iguais a 41-49 MJ por kg. Mas, por exemplo, o metano puro tem um calor de combustão mais alto - 50 MJ por kg.
Tabela comparativa de indicadores
A tabela mostra os valores do calor específico da massa de combustão de combustíveis líquidos, sólidos e gasosos.
| Tipo de combustível | Unidade rev. | Calor específico de combustão | ||
| MJ | kW | kcal | ||
| Lenha: carvalho, bétula, freixo, faia, carpa | kg | 15 | 4,2 | 2500 |
| Lenha: lariço, pinho, abeto | kg | 15,5 | 4,3 | 2500 |
| carvão marrom | kg | 12,98 | 3,6 | 3100 |
| Carvão | kg | 27,00 | 7,5 | 6450 |
| Carvão | kg | 27,26 | 7,5 | 6510 |
| Antracite | kg | 28,05 | 7,8 | 6700 |
| paletes de madeira | kg | 17,17 | 4,7 | 4110 |
| Pelota de palha | kg | 14,51 | 4,0 | 3465 |
| pellet de girassol | kg | 18,09 | 5,0 | 4320 |
| Serragem | kg | 8,37 | 2,3 | 2000 |
| Papel | kg | 16,62 | 4,6 | 3970 |
| Videira | kg | 14,00 | 3,9 | 3345 |
| Gás natural | m 3 | 33,5 | 9,3 | 8000 |
| Gás liquefeito | kg | 45,20 | 12,5 | 10800 |
| Gasolina | kg | 44,00 | 12,2 | 10500 |
| Diz. combustível | kg | 43,12 | 11,9 | 10300 |
| Metano | m 3 | 50,03 | 13,8 | 11950 |
| Hidrogênio | m 3 | 120 | 33,2 | 28700 |
| Querosene | kg | 43.50 | 12 | 10400 |
| óleo combustível | kg | 40,61 | 11,2 | 9700 |
| Óleo | kg | 44,00 | 12,2 | 10500 |
| Propano | m 3 | 45,57 | 12,6 | 10885 |
| Etileno | m 3 | 48,02 | 13,3 | 11470 |
A tabela mostra que o hidrogênio tem as maiores taxas de TST de todas as substâncias, e não apenas das gasosas. Pertence aos combustíveis de alta energia.
O produto da combustão do hidrogênio é a água comum. O processo não emite escória de forno, cinzas, monóxido de carbono e dióxido de carbono, o que torna a substância um combustível ecologicamente correto. Mas é explosivo e tem baixa densidade, então esse combustível é difícil de liquefazer e transportar.
Conclusões e vídeo útil sobre o tema
Sobre o poder calorífico de diferentes tipos de madeira. Comparação de indicadores por m 3 e kg.
O TST é a característica térmica e operacional mais importante do combustível. Este indicador é usado em várias áreas da atividade humana: motores térmicos, usinas de energia, indústria, aquecimento doméstico e culinária.
Os valores calóricos ajudam a comparar diferentes tipos de combustível em termos do grau de energia liberada, calcular a massa necessária de combustível e economizar custos.
Você tem algo a acrescentar ou tem dúvidas sobre o poder calorífico de diferentes tipos de combustível? Você pode deixar comentários sobre a publicação e participar de discussões - o formulário de contato está localizado no bloco inferior.
