Сборник задач по физике Курс лекций по физике Оптика Кинематика Теплопроводность

Лекции по физике теория газов

Источники энергии и топливные ресурсы.

Топливом называется горючее вещество, используемое в качестве источника получения теплоты в энергетических, промышленных и отопительных установках.

Основные требование к топливу: оно должно встречаться в природе в достаточно больших количествах, быть доступным для добычи, выделять большое количество тепла, сохранять свои свойства при длительном хранении, быть транспортабельным и др.

В зависимости от типа реакций, в результате которых выделяется теплота из топлива, различают органическое и ядерное топливо.

Мы будем рассматривать только органические топлива, применяемые в промышленности и энергетике, разговора о ядерном топливе не будет.

В настоящее время и по прогнозам до 2030 г. органическое топливо является основным источником энергии (теплоты) для промышленного использования.

В органических топливах теплота выделяется в результате химической реакции окисления его горючих частей при участии кислорода, а в ядерных топливах – в результате распада деления ядер тяжелых элементов (урана, плутония и т.д.).

Классификация топлива может быть проведена по различным признакам. По методу получения: естественное (дрова, торф, каменный уголь, нефть) и искусственное (кокс, бензин, генераторный газ). По агрегатному состоянию топлива разделяются на твердые, жидкие и газообразные (каменные угли, торф, горючие сланцы; керосин, дизельное топливо, мазут; природный горючий газ, коксовый газ и др.).

Классификация органических топлив по агрегатному состоянию. Молекулярные спектры. Молекула является квантовой системой; она описывается уравнением Шредингера, учитывающим движение электронов в молекуле, колебания атомов молекулы, вращение молекулы. Решение этого уравнения - очень сложная задача, которая обычно разбивается на две: для электронов и ядер.

Топливо

Агрегатное состояние

 

Твердое

Жидкое

Газообразное

Природное

Дрова, торф, бурые и каменные угли, антрацит, горючие сланцы

Нефть

Природный газ

Искусственное

Древесный уголь, полукокс, кокс, угольные и торфяные брикеты

Мазут, керосин, бензин, соляровое масло, газойль, печное топливо

Газы нефтяной, коксовый, генераторный, доменный, газ подземной газофикации

Ископаемые твердые топлива (за исключением сланцев) являются продуктами разложения органической массы растений. Самое молодое из них – торф, представляет собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений.

Следующими по "возрасту" являются бурые угли – землистая или черная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется ("выветривается") и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них – антрацитов – претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твердостью. Наша страна располагает громаднейшими запасами топлива: угля – 57 % мировых запасов, нефти – 30 %, газа – 27 %. Добыча всех видов топлива непрерывно растет.

Характерно, что топливный баланс страны постоянно изменяется в сторону увеличения добычи нефти и особенно газа, так как добыча, транспортировка и сжигание их намного экономичней

Твердые и жидкие топлива состоят из горючих (углерода - С, водорода - Н, летучей серы - Sл == Sор + Sк) и негорючих (азота - N и кислорода - О) элементов и балласта (золы - А, влаги - W).

Углерод С – основной горючий элемент топлива, содержится в нем в виде органических соединений типа СN. При сгорании одного килограмма С выделяется 33,9 МДж тепла. Правда, и это надо хорошо запомнить, при неправильной организации процесса горения (обычно при недостатке воздуха) продуктом сгорания является очень токсичный оксид углерода СО и выделяется всего только 9,2 МДж теплоты. Углерод содержится в топливе от 40 до 95 % (солома и антрацит). С увеличением геологического возраста топлива содержание С увеличивается.

Водород при сгорании выделяет вчетверо больше тепла, чем углерод. Содержится он в виде углеводородных соединений СmHn, во внутренней влаге топлива.

Кислород О находится в химических соединениях с горючими элементами. Связывая часть водорода, он тем самым обесценивает топливо. Кислород участвует в горении, в топливах обычно содержится 1 … 30 % кислорода. Азот – инертный газ, содержится 1 … 6 %. Азот является весьма вредным компонентом, поскольку при сгорании азотсодержащих соединений в высокотемпературных топках образуются очень токсичные оксиды NO и NO2. Зола А – негорючий остаток, полученный после полного сгорания топлива. Это смесь различных минеральных веществ, находящихся в топливе: глины, кремнезема, окислов железа, извести и т.д. Каменный уголь содержит 4 … 25 % золы, дрова 0,6 %. Зольность жидких топлив зависит от количества растворенных в нем солей и наличия механических примесей. Газы сгорают без остатка.

Влага W является вредной примесью топлива, так как уменьшает долю горючих веществ в одном килограмме топлива. Часть тепла, выделяемого при сгорании топлива тратится на испарение влаги. Влага топлива состоит из внешней и внутренней. И если первая зависит от условий добычи, транспортирования и хранения топлива, то внутренняя влага зависит только от свойств самого топлива. Она заполняет микроскопические поры топлива и не может быть удалена простым высушиванием. Чтобы удалить внутреннюю влагу топлива, его нагревают до температуры t = 103 … 110 °С и выдерживают примерно четыре часа. Влаги в топливах содержится обычно 5 … 60 %.

Элементарный состав твердого и жидкого топлива дается в процентах к массе 1 кг топлива.

При этом различают рабочую, сухую, горючую и органическую массу топлива.
Рабочая масса – это масса и состав топливо, в котором поступает к потребителю и подвергается сжиганию.

Молярная теплоемкость идеального газа:

Изохорная 

Изобарная .

Первое начало термодинамики

  

Работа расширения газа при процессе:

Изобарном  ,

Изотермическом ,

адиабатном

 ,

где .

Уравнение Пуассона (уравнение адиабатного процесса)

, .

. Тепловое движение. Беспорядочное (хаотическое) движение частиц, из которых состоит тело, называется тепловым движением. Его главные особенности: " беспорядочность; " огромное количество частиц, участвующих в этом движении. При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается, а при понижении - уменьшается.
На главную