Контрольні запитання
1. Які види палива ви знаєте?
Паливо буває трьох агрегатних станів:
- Тверде: кам’яне вугілля, торф, дрова, сухе пальне.
- Рідке: нафта, гас, бензин, дизельне паливо.
- Газоподібне: природний газ, пропан, бутан.
Також його поділяють на природне (вугілля, нафта, дрова) та штучне (бензин, порох, етиловий спирт).
2. Опишіть дослід на підтвердження того, що під час горіння різних видів палива виділяється різна кількість теплоти.
Беремо дві спиртівки: одну зі спиртом, іншу — з гасом. Над ними закріплюємо однакові банки з рівною кількістю води. Спалюємо рівно по 1 г кожного палива (це контролюємо за допомогою терезів). Вимірюємо температуру води й бачимо, що вода над гасом нагрілася сильніше. Це доводить, що 1 г гасу виділяє більше енергії, ніж 1 г спирту.
3. Дайте означення питомої теплоти згоряння палива. У яких одиницях її вимірюють?
Питома теплота згоряння палива — це фізична величина, яка показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згорянні 1 кг цього палива. Її позначають літерою $q$. Одиниця вимірювання в СІ — джоуль на кілограм (Дж/кг).
4. Як обчислити кількість теплоти, що виділяється в процесі повного згоряння палива?
Щоб знайти цю кількість теплоти ($Q$), треба питому теплоту згоряння цього палива ($q$) помножити на масу палива ($m$):
$Q = q \cdot m$
5. Як визначити ККД нагрівника?
ККД (коефіцієнт корисної дії) нагрівника визначають як відношення корисно спожитої теплоти ($Q_{\text{кор}}$) до всієї теплоти, що могла виділитися при повному згорянні палива ($Q_{\text{повна}}$). Зазвичай результат подають у відсотках:
$\eta = \dfrac{Q_{\text{кор}}}{Q_{\text{повна}}} \cdot 100\%$
де $Q_{\text{повна}} = q \cdot m$.
Вправа 23
1. Питома теплота згоряння пороху набагато менша від питомої теплоти згоряння дров. Чому ж тоді сірник, який горить у вашій руці, є досить безпечним, а коли спалахує та сама маса пороху, то можна серйозно постраждати?
Питома теплота згоряння пороху дійсно менша (близько 3 МДж/кг) порівняно з дровами (8,3 МДж/кг). Однак головна відмінність полягає не в кількості енергії, а у швидкості її виділення. Порох згоряє миттєво, викидаючи всю енергію за частки секунди, що створює величезний тиск і температуру. Сірник же горить повільно протягом кількох секунд, енергія виділяється поступово, тому шкіра встигає відводити тепло без опіків.
2. Яка кількість теплоти виділиться під час повного згоряння кам’яного вугілля масою 10 кг?
Дано:
- $m = 10$ кг
- $q = 27 \cdot 10^6$ Дж/кг (питома теплота згоряння кам’яного вугілля)
Знайти:
$Q = ?$
Розв’язання:
Використаємо формулу кількості теплоти при згорянні палива:
$$Q = q \cdot m$$
Підставимо значення:
$$Q = 27 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг} \cdot 10 \text{ кг} = 270 \cdot 10^6 \text{ Дж} = 270 \text{ МДж}$$
Відповідь: 270 МДж
3. У процесі повного згоряння гасу виділилося 92 кДж теплоти. Якою була маса гасу?
Дано:
- $Q = 92$ кДж $= 92 \cdot 10^3$ Дж
- $q = 46 \cdot 10^6$ Дж/кг (питома теплота згоряння гасу)
Знайти:
$m = ?$
Розв’язання:
З формули $Q = q \cdot m$ виразимо масу:
$$m = \dfrac{Q}{q}$$
Підставимо значення:
$$m = \dfrac{92 \cdot 10^3 \text{ Дж}}{46 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг}} = 0{,}002 \text{ кг} = 2 \text{ г}$$
Відповідь: 2 г
4. На спиртівці нагріли 300 г води від 15 до 75 °С. Визначте ККД нагрівника, якщо на нагрівання витрачено 8 г спирту.
Дано:
- $m_{\text{води}} = 300$ г $= 0{,}3$ кг
- $t_1 = 15$ °С
- $t_2 = 75$ °С
- $m_{\text{спирту}} = 8$ г $= 0{,}008$ кг
- $c = 4200$ Дж/(кг·°С)
- $q = 27 \cdot 10^6$ Дж/кг
Знайти:
$\eta = ?$
Розв’язання:
Корисна кількість теплоти, отримана водою:
$$Q_{\text{корисна}} = c \cdot m_{\text{води}} \cdot (t_2 – t_1)$$
$$Q_{\text{корисна}} = 4200 \cdot 0{,}3 \cdot (75 – 15) = 4200 \cdot 0{,}3 \cdot 60 = 75600 \text{ Дж}$$
Витрачена кількість теплоти при згорянні спирту:
$$Q_{\text{витрачена}} = q \cdot m_{\text{спирту}} = 27 \cdot 10^6 \cdot 0{,}008 = 216000 \text{ Дж}$$
ККД нагрівника:
$$\eta = \dfrac{Q_{\text{корисна}}}{Q_{\text{витрачена}}} \cdot 100\% = \dfrac{75600}{216000} \cdot 100\% = 35\%$$
Відповідь: 35%
5. Чайник, що стоїть на газовому пальнику, містить 2 л води за температури 20 °С. Для нагрівання води витратили 42 г природного газу. До якої температури нагрілася вода, якщо вона одержала 40 % тепла, яке може виділитися під час повного згоряння газу?
Дано:
- $V = 2$ л $= 2$ кг (густина води 1 кг/л)
- $t_1 = 20$ °С
- $m_{\text{газу}} = 42$ г $= 0{,}042$ кг
- $\eta = 40\% = 0{,}4$
- $q = 44 \cdot 10^6$ Дж/кг
- $c = 4200$ Дж/(кг·°С)
Знайти:
$t_2 = ?$
Розв’язання:
Витрачена кількість теплоти при згорянні газу:
$$Q_{\text{витрачена}} = q \cdot m_{\text{газу}} = 44 \cdot 10^6 \cdot 0{,}042 = 1848000 \text{ Дж}$$
Корисна кількість теплоти:
$$Q_{\text{корисна}} = \eta \cdot Q_{\text{витрачена}} = 0{,}4 \cdot 1848000 = 739200 \text{ Дж}$$
З формули нагрівання виразимо кінцеву температуру:
$$Q_{\text{корисна}} = c \cdot m_{\text{води}} \cdot (t_2 – t_1)$$
$$t_2 = t_1 + \dfrac{Q_{\text{корисна}}}{c \cdot m_{\text{води}}} = 20 + \dfrac{739200}{4200 \cdot 2} = 20 + \dfrac{739200}{8400} = 20 + 88 = 108 \text{ °С}$$
Оскільки за нормального атмосферного тиску вода кипить при $100^{\circ}\text{C}$, то вода нагріється до $100^{\circ}\text{C}$, закипить, і частина її перетвориться на пару.
Відповідь: Розрахункова температура $108^{\circ}\text{C}$, але фактично вода нагріється до $100^{\circ}\text{C}$ (температури кипіння).
6. Чому під час спалювання сирих дров виділяється менша кількість теплоти, ніж під час спалювання тієї самої маси сухих дров?
Під час спалювання сирих дров виділяється менша кількість теплоти, оскільки частина енергії витрачається на випаровування води, що міститься в деревині. Теплотворна здатність дров сильно залежить від ступеня їх вологості.
7. Уявіть, що вам потрібно визначити ККД нагрівника із сухим пальним. Яке обладнання вам для цього знадобиться? Запишіть план проведення експерименту. За можливості проведіть цей експеримент.
Обладнання:
- Мензурка або мірний стакан (для вимірювання об’єму води)
- Термометр (для вимірювання температури)
- Посудина для нагрівання (калориметр або металева ємність)
- Нагрівник із сухим пальним (спиртівка)
- Ваги (для зважування палива)
- Секундомір (за потреби)
План проведення експерименту:
- Зважити спиртівку з паливом до початку експерименту ($m_1$)
- Виміряти об’єм води мензуркою і перелити у посудину для нагрівання
- Виміряти початкову температуру води ($t_1$)
- Запалити спиртівку і нагрівати воду до певної температури (наприклад, до 60-70 °С)
- Виміряти кінцеву температуру води ($t_2$)
- Зважити спиртівку після експерименту ($m_2$) і знайти масу спаленого палива: $m = m_1 – m_2$
- Обчислити корисну кількість теплоти: $Q_{\text{корисна}} = c \cdot m_{\text{води}} \cdot (t_2 – t_1)$
- Обчислити витрачену кількість теплоти: $Q_{\text{витрачена}} = q \cdot m$
- Визначити ККД: $\eta = \dfrac{Q_{\text{корисна}}}{Q_{\text{витрачена}}} \cdot 100\%$