Теплота сгорания
Теплота сгорания — это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы массы или объёма топлива (или иного горючего вещества) в условиях его окисления кислородом. Является важнейшей энергетической характеристикой топлива, определяющей его теплотворную способность и эффективность использования в теплоэнергетике, двигателестроении и промышленности. В технике и физике различают высшую (полную) и низшую (рабочую) теплоту сгорания, которые отличаются учётом теплоты конденсации водяного пара, образующегося при горении.
Физическая сущность и определение
Теплота сгорания (обозначается обычно \( Q \) или \( H_c \)) представляет собой энергию, выделяющуюся в ходе экзотермической химической реакции горения. Для органических топлив (углеводородов, угля, древесины) основными продуктами сгорания являются углекислый газ (\( CO_2 \)) и вода (\( H_2O \)). В случае неорганических горючих веществ (например, водорода, серы, алюминия) продуктами могут быть оксиды соответствующих элементов.
Согласно закону Гесса, теплота сгорания вещества равна разности между энтальпией образования продуктов реакции и энтальпией образования исходного вещества (с учётом стехиометрических коэффициентов). Экспериментально её определяют с помощью калориметрической бомбы (калориметра сгорания), где навеску вещества сжигают в атмосфере чистого кислорода под давлением, а выделившееся тепло измеряют по нагреву калориметрической жидкости (обычно воды).
Высшая и низшая теплота сгорания
Высшая теплота сгорания (\( Q_в \))
Высшая теплота сгорания (также называемая полной или калориметрической) — это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы топлива с учётом конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания. Вода, образующаяся при горении водорода, входящего в состав топлива, а также влага самого топлива, переходит в жидкое состояние, выделяя дополнительную теплоту парообразования. Высшая теплота сгорания измеряется в калориметрической бомбе, где пар конденсируется.
Низшая теплота сгорания (\( Q_н \))
Низшая теплота сгорания (рабочая) — это количество теплоты, которое реально может быть использовано в тепловых установках, где водяной пар удаляется вместе с дымовыми газами, не конденсируясь. Она меньше высшей на величину теплоты, затраченной на испарение влаги топлива и воды, образующейся при сгорании водорода. В технике для большинства видов топлива (особенно твёрдого и газообразного) используется именно низшая теплота сгорания, так как в реальных условиях конденсация пара в дымовых трубах не происходит (температура уходящих газов выше точки росы).
Формула пересчёта для твёрдого и жидкого топлива (приближённо): \[ Q_н = Q_в - 25,1 \cdot (9H + W) \] где \( H \) — массовая доля водорода в топливе (%), \( W \) — массовая доля влаги (%), а 25,1 МДж/кг — теплота парообразования воды (приведённая к 1 кг).
Единицы измерения
В Международной системе единиц (СИ) теплота сгорания выражается в джоулях на килограмм (Дж/кг) или в джоулях на кубический метр (Дж/м³) для газов. На практике часто используют кратные единицы:
- МДж/кг (мегаджоуль на килограмм) — для твёрдого и жидкого топлива.
- МДж/м³ или кДж/м³ — для газообразного топлива.
- ккал/кг (килокалория на килограмм) — в теплотехнике и быту (1 ккал = 4,1868 кДж).
- БТЕ/фунт (британская тепловая единица на фунт) — в англоязычных странах.
Классификация видов топлива по теплоте сгорания
Твёрдое топливо
Теплота сгорания твёрдого топлива сильно зависит от его состава, влажности и зольности. Для сравнения различных видов топлива используется понятие условного топлива — единицы учёта, теплота сгорания которого принята равной 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).
| Вид топлива | Низшая теплота сгорания (МДж/кг) |
|---|---|
| Антрацит | 30–34 |
| Каменный уголь | 25–33 |
| Бурый уголь | 10–20 |
| Торф (влажный) | 8–15 |
| Дрова (сухие) | 14–16 |
| Кокс | 28–30 |
Жидкое топливо
Жидкие углеводороды обладают высокой теплотой сгорания, что делает их удобными для транспорта и хранения.
| Вид топлива | Низшая теплота сгорания (МДж/кг) |
|---|---|
| Бензин | 44–46 |
| Дизельное топливо | 42–44 |
| Керосин | 43–44 |
| Мазут | 39–41 |
| Нефть сырая | 41–43 |
Газообразное топливо
Для газов теплота сгорания обычно указывается на 1 м³ при нормальных условиях (0 °C, 101,325 кПа).
| Вид топлива | Низшая теплота сгорания (МДж/м³) |
|---|---|
| Природный газ (метан) | 33–36 |
| Пропан | 88–93 |
| Бутан | 115–120 |
| Водород | 10,8 (на м³) / 120 (на кг) |
| Коксовый газ | 16–20 |
Теплота сгорания различных веществ
Помимо традиционных топлив, теплота сгорания важна для оценки энергетической ценности пищевых продуктов (в диетологии — калорийность), взрывчатых веществ, ракетного топлива и биомассы. Например:
- Водород — самый калорийный по массе вид топлива (около 120 МДж/кг), но имеет низкую плотность.
- Метанол — около 22 МДж/кг.
- Этанол — около 30 МДж/кг.
- Древесный уголь — около 30 МДж/кг.
- Пищевые жиры — около 37–39 МДж/кг (в пересчёте на физиологическую калорийность).
Методы определения
Экспериментальный (калориметрический)
Наиболее точный метод. Навеску вещества (0,5–1 г) помещают в калориметрическую бомбу из нержавеющей стали, заполняют кислородом под давлением 2–3 МПа и поджигают электрическим запалом. Выделившееся тепло передаётся воде в калориметре; по изменению её температуры вычисляют теплоту сгорания.
Расчётный (по элементному составу)
Для твёрдых и жидких топлив используется формула Д. И. Менделеева (приближённая): \[ Q_н = 339C + 1030H - 109(O - S) - 25W \] где \( C, H, O, S, W \) — массовые доли углерода, водорода, кислорода, серы и влаги в топливе (в процентах). Коэффициенты даны в кДж/кг.
Для газов теплота сгорания рассчитывается по сумме теплот сгорания компонентов (метана, этана, пропана, водорода и т.д.) с учётом их объёмных долей.
Применение в технике и экономике
- Энергетика: при проектировании котельных, тепловых электростанций, газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания теплота сгорания является исходным параметром для расчёта КПД, расхода топлива и тепловых балансов.
- Транспорт: для авиационного и автомобильного топлива теплота сгорания определяет дальность полёта или пробега.
- Экология: при сжигании топлива с низкой теплотой сгорания (например, влажного угля) образуется больше дымовых газов и вредных выбросов на единицу полученной энергии.
- Экономика: теплота сгорания используется для пересчёта различных видов топлива в условное топливо при учёте и планировании энергоресурсов.
Интересные факты
- Самая высокая теплота сгорания среди химических веществ — у бериллия (около 67 МДж/кг) и бора (около 58 МДж/кг), однако их применение ограничено высокой стоимостью и токсичностью.
- Водород, несмотря на рекордную теплоту сгорания на единицу массы, имеет очень низкую объёмную теплоту сгорания (около 10,8 МДж/м³), что затрудняет его хранение и транспортировку.
- В быту теплота сгорания природного газа указывается на газовых счётчиках (обычно в кВт·ч/м³ или МДж/м³) для расчёта оплаты.
Источники
- ГОСТ 147-2013 (ISO 1928:2009) «Топливо твёрдое минеральное. Определение высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания».
- ГОСТ 10062-75 «Газы горючие природные. Метод определения теплоты сгорания».
- Менделеев Д. И. «Основы химии» (том 1, глава о топливе).
- Равич М. Б. «Теплота сгорания топлива» — М.: Энергия, 1978.
- Справочник «Теплотехника» под ред. В. И. Крутова — М.: Энергоатомиздат, 1986.
BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.
На главную BFOmetr →