Удельной теплотой сгорания топлива называется физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании одного килограмма топлива.

Обозначается она буквой «q».

Единица её измерения: Дж/кг.

Значение удельной теплоты сгорания топлива определяют экспериментально, с помощью довольно сложных приборов, а потом заносят в таблицу:

Числовое значение удельной теплоты сгорания показывает, какое количество теплоты выделяется при сгорании 1 кг топлива.

Например, из таблицы видно, что при сгорании 1 кг газообразного водорода выделяется 120 000 000 Дж теплоты.

А при сгорании 1 кг пороха — всего 3 800 000 Дж теплоты.

Очевидно, что если сгорает не 1 кг пороха, а, например, 5 кг, то при его полном сгорании выделиться в 5 раз больше теплоты, то есть 19 000 000 Дж.

Поэтому в общем случае количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива, равно произведению удельной теплоты его сгорания и массы:

Q = qm

Задача 1. Сколько сухих дров нужно сжечь, чтобы получить такое же количество теплоты, которое выделяется при сгорании 1 кг природного газа?

Задача 2. Определите массу спирта, которую нужно сжечь для того, чтобы нагреть 3 л воды на 50 ^оС. Считать, что вся теплота, выделяемая при сгорании спирта, идёт на нагревание воды.

Задача 3. Определите массу бурого угля, который надо сжечь, чтобы нагреть воду массой 20 кг от 20 ^оС до 100 ^оC. Считать, что на нагревание воды идет 20% теплоты от сгорания топлива.

8.8 Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

 

На одном из первых уроков мы уже затрагивали явления превращения одной формы энергии в другую. Давайте вспомним некоторые из них.

В примере с мячом мы выясняли, что при его падении потенциальная энергия превращалась в кинетическую и наоборот.

Мы говорили и о том, что полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий. Если поверхность Земли взять за нулевую высоту, то полная механическая энергия будет оставаться постоянной в каждый момент времени. Это есть закон сохранения механической энергии. Но данный закон справедлив только при отсутствии сил сопротивления, таких, как сила трения, например.

Также, мы уже знаем, что остывающее тело отдаёт ровно столько энергии, сколько получает нагревающееся тело, с которым оно взаимодействует.

Теперь мы уже знаем, что энергия не просто превращается, но и сохраняется, какие бы процессы ни происходили.

Для примера, рассмотрим лыжника, который скатывается с вершины холма.

В начале своего движения он обладал потенциальной энергией, так как находился на определённой высоте от поверхности земли. Под действием силы притяжения, он съезжает с холма, набрав при этом некоторую скорость. В результате, часть потенциальной энергии превратилась в кинетическую энергию. Также, каким бы скользким ни был снег, присутствие силы трения неизбежно. В результате часть энергии передастся лыжам, а часть — снегу, с которым был непосредственный контакт.

Кроме того, существует сила сопротивления воздуха, которая также способствует потерям энергии.

Другой пример сохранения энергии — это кипячение воды на костре. Значительная часть тепловой энергии костра передаётся окружающей среде посредством излучения.

Также, люди, находящиеся рядом с костром, греются, то есть поглощают энергию. Часть энергии передаётся котлу и воде, которая нагревается. Часть воды превращается в пар, и в результате конвекции энергия переносится в верхние слои воздуха. И так далее.

Взятие во внимание всех подобных факторов приведёт к очень сложным расчётам.

Однако, если эти расчёты будут выполнены достаточно щепетильно, то мы получим знак точного равенства между суммами начальной и конечной энергий.

Изучение многих явлений превращения одного вида энергии в другой привело учёных к открытию одного из главных законов природы — закона сохранения и превращения энергии. Согласно ему, во всех явлениях, которые протекают в природе, энергия не возникает из ничего, и никуда не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой так, что её значение при этом сохраняется.

Для иллюстрации данного закона природы, рассмотрим превращение энергии, которую приносят нам солнечные лучи.

Все с детства знают, что Солнце является важнейшим источником света и тепла для нашей планеты. Без солнечной энергии, не было бы жизни на Земле. И люди, и животные, и растения — все нуждаются в солнечной энергии.

Большой непрерывный круговорот воды в природе тоже совершается за счёт энергии Солнца. Вода, с поверхности мирового океана, испаряется. Образовавшийся пар в результате конвекции переносится в верхние слои воздуха, где остывая, превращается в облака. Образовавшиеся облака, гонимые потоками ветра, разносятся в различные места на планете и, в конце концов, выпадают в виде дождя или снега. Эти осадки питают реки, которые снова несут свои воды в моря и океаны.

А в растениях, при поглощении ими солнечной энергии, происходят сложные химические реакции, в результате которых растения способны вырабатывать кислород, которым мы с вами дышим.

Мы воспринимаем с вами солнечный свет и тепло как что-то должное и редко задумываемся о том, сколько энергии передаётся нам от Солнца. А её оказывается очень много. Учёные подсчитали, что для замены Солнца человечеству бы понадобилось строительство около 30 000 000 мощных электрических станций.

Конечно же мы пытаемся использовать энергию Солнца в своих целях. Но чтобы детально рассмотреть вопросы, связанные с использованием солнечной энергии, вам предстоит ещё многое чего изучить. Поэтому, эту часть урока мы будем считать ознакомительной.

Итак, давайте познакомимся с некоторыми общеизвестными фактами. Существует так называемая солнечная постоянная — это интенсивность солнечного излучения, которая определяется мощностью излучаемой энергии на квадратный метр:

.

Так за 1 с, через площадь в 1 м² проходит 1367 Дж солнечной энергии. Часть этой энергии поглощается частицами, находящимися в атмосфере, а часть — отражается и уходит обратно в космическое пространство. Помимо этого, интенсивность излучения в тех или иных областях Земли будет зависеть от погоды, от времени суток и от некоторых других факторов. Так что, средняя интенсивность солнечного излучения составляет примерно 34 Вт/м². От этого значения мы и будем отталкиваться.

Давайте посчитаем количество солнечной энергии, которую может собрать солнечная батарея размерами 5 м х 8 м. Значение этой энергии можно найти:

Предположим, что средняя продолжительность светового дня на нашей планете равна 8 ч. Тогда батарея за это время получит:

Для сравнения при сгорании 1 л бензина выделяется:

Дальше предположим, что при преобразовании солнечной энергии в электрическую теряется порядка 90% энергии из-за несовершенства конструкций солнечных батарей:

Но даже при этом, энергии, полученной от солнца за световой день, хватит на работу 3 стоваттных лампочек в течение почти четырёх часов.

Конечно, вы можете сказать, что 1 л бензина стоит значительно дешевле, чем изготовление солнечной батареи, да и работа трёх лампочек — это не очень-то и впечатляющий показатель. Но, ведь, мы сейчас рассмотрели использование только одной батареи. А давайте посчитаем, сколько мы можем получить энергии, если поставим солнечные батареи на крышу дома, площадь которой порядка двухсот квадратных метров:

Смотрите, получается почти 200 МДж энергии. Даже, если мы опять предположим, что эффективность солнечных батарей равна 10%:

Этой энергии хватит на то чтобы постирать белье в стиральной машине, посмотреть фильм по телевизору и обеспечить работу компьютера более чем на сутки.

Можно привести много примеров, но мы приведём только один. Германия, будучи далеко не самой солнечной страной мира, за май 2014 г. используя солнечные батареи выработала около 5 ТВт-ч электроэнергии. Для сравнения, такое количество электроэнергии потребляет целый район многоквартирных домов за 10 лет.

А теперь, давайте рассмотрим, какие есть недостатки и достоинства использования солнечной энергии. Очевидное и важнейшее достоинство солнечной энергии — это то, что для нас Солнце является неисчерпаемым источником энергии. Что бы ни случилось, Солнце светит каждый день, и каждый день мы можем получать от него энергию.

Второе очень важное достоинство этого источника — это общедоступность. Ведь Солнце светит везде и всюду, поэтому, любой человек может использовать эту энергию. В отличие от нефти, газа, каменного угля и других ископаемых, солнечную энергию добывать не нужно.

Ну и, конечно, нельзя не упомянуть о том, что использование солнечной энергии никак не загрязняет окружающую среду. Сегодня проблема экологии стоит довольно остро, поэтому именно сегодня нам стоит задуматься о природных источниках энергии.

Но, в использовании солнечной энергии есть определённые сложности. Во-первых, такой источник всегда зависит от погоды и от времени суток. Во-вторых, сама солнечная батарея — это довольно дорогая конструкция из-за применения в её конструкции редкоземельных металлов, таких, как, например, индий или теллур.

Однако использование альтернативных источников энергии рано или поздно придётся внедрить, поскольку на данный момент, человечество живёт за счёт использования ресурсов планеты, которые, увы, не вечны.

8.9 Агрегатные состояния вещества. Плавление и отвердевание кристаллических тел

 

Вы хорошо знаете, что одно и то же вещество может находиться в трёх агрегатных состояниях: в твёрдом, жидком и газообразном. Эти состояния вещества различаются расположением, характером движения и взаимодействия молекул. При некоторых условиях, например при определённых значениях температуры и давления, вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое. Самым известным таким примером служат вода, лёд и пар.

Лёд Вода Пар