Теплота сгорания

Теплота́ сгора́ния — количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания. В системе СИ: Дж/кг. Также довольно часто используются внесистемные единицы измерения: кДж/кг, МДж/кг и ккал/кг.

Для её измерения пользуются методами калориметрии. Теплота сгорания определяется химическим составом горючего вещества. Содержащиеся в горючем веществе химические элементы обозначаются принятыми символами С, Н, О, N, S, а зола и вода — символами А и W соответственно.

Виды теплоты сгорания

Теплота сгорания может быть отнесена к рабочей массе горючего вещества $Q^{P}$, то есть к горючему веществу в том виде, в каком оно поступает к потребителю; к сухой массе вещества $Q^{C}$; к горючей массе вещества $Q^{\Gamma }$, то есть к горючему веществу, не содержащему влаги и золы.

Различают высшую ($Q_{B}$) и низшую ($Q_{H}$) теплоту сгорания.

Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.

где k — коэффициент, равный 25 кДж/кг (6 ккал/кг); W — количество воды в горючем веществе, % (по массе); Н — количество водорода в горючем веществе, % (по массе).

Расчёт теплоты сгорания

Таким образом, высшая теплота сгорания — это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема (для газа) горючего вещества и охлаждении продуктов сгорания до температуры точки росы. В теплотехнических расчетах высшая теплота сгорания принимается как 100 %. Скрытая теплота сгорания газа — это теплота, которая выделяется при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Теоретически она может достигать 11 %.

На практике не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации, и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (QHp), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в веществе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Низшая теплота сгорания для жидкого и твердого вещества определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):

$Q_{H}^{P}=Q_{B}^{P}-2514\cdot ((9H^{P}+W^{P})/100)$

или

$Q_{H}^{P}=Q_{B}^{P}-600\cdot ((9H^{P}+W^{P})/100)$, где:
2514 — теплота парообразования при температуре 0 °C и атмосферном давлении, кДж/кг;
$H^{P}$ и $W^{P}$ — содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;
9 — коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.

Теплота сгорания является наиболее важной характеристикой топлива, так как определяет количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг). 1 ккал = 4,1868 или 4,19 кДж.

Низшая теплота сгорания определяется экспериментально для каждого вещества и является справочной величиной. Также её можно определить для твердых и жидких материалов, при известном элементарном составе, расчётным способом в соответствии с формулой Д. И. Менделеева, кДж/кг или ккал/кг:

$Q_{H}^{P}=339\cdot C^{P}+1256\cdot H^{P}-109\cdot (O^{P}-S_{L}^{P})-25.14\cdot (9\cdot H^{P}+W^{P})$

или

$Q_{H}^{P}=81\cdot C^{P}+246\cdot H^{P}-26\cdot (O^{P}+S_{L}^{P})-6\cdot W^{P}$, где:

$C_{P}$, $H_{P}$, $O_{P}$, $S_{L}^{P}$, $W_{P}$ — содержание в рабочей массе топлива углерода, водорода, кислорода, летучей серы и влаги в % (по массе).

Для сравнительных расчётов используется так называемое условное топливо, имеющее удельную теплоту сгорания, равную 29308 кДж/кг (7000 ккал/кг).

В России тепловые расчёты (например, расчёт тепловой нагрузки для определения категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности) обычно ведут по низшей теплоте сгорания; в США, Великобритании, Франции — по высшей. В Великобритании и США до внедрения метрической системы мер удельная теплота сгорания измерялась в британских тепловых единицах (BTU) на фунт (lb) (1Btu/lb = 2,326 кДж/кг).

Вещества и материалы	Низшая теплота сгорания при постоянном давлении $Q_{H}^{P}$, МДж/кг
Бензин	41,87
Керосин	42,9—43,12
Бумага(книги, журналы)	13,4
Древесина (бруски W = 14%)	13,8
Каучук натуральный	44,73—44,8
Линолеум поливинилхлоридный	14,31
Резина	33,52
Волокно штапельное	13,8
Полиэтилен	47,14
Полистирол	39
Хлопок разрыхленный	15,7

Самые высокие значения теплоты сгорания природных газов из различных источников

Данные получены Международным энергетическим агентством.

• Алжир: 42 000 кДж/м³
• Бангладеш: 36 000 кДж/м³
• Белоруссия: 33 000 кДж/м³
• Великобритания: 39 710 кДж/м³
• Вьетнам: 45 520 кДж/м³
• Канада: 38 200 кДж/м³
• Индонезия: 40 600 кДж/м³
• Нидерланды: 33 320 кДж/м³
• Норвегия: 39 877 кДж/м³
• Россия: 38 231 кДж/м³
• Саудовская Аравия: 38 000 кДж/м³
• США: 38 416 кДж/м³
• Узбекистан: 37 889 кДж/м³

Необходимое количество электроэнергии для работы лампочки мощностью 100 Вт в течение 1 года

Количество топлива, необходимого для получения указанной ниже электроэнергии, рассчитано при 100 % эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую. Так как большинство электрогенерирующих установок и распределительных систем достигают эффективности (КПД) порядка 30—35 %, фактическое количество топлива, используемого для питания лампочки мощностью 100 Вт, будет приблизительно в три раза больше указанного количества.

• 228,5 кг древесины (при 20 % влажности)
• 88,5 кг угля (антрацит малозольный)
• 72,1 кг керосина
• 79,2 м³ природного газа (используя усредненную величину 40000 кДж/м³)
• 63 кг метана
• 26 кг водорода
• 0,04 г урана (энергия, выделяющаяся при цепной ядерной реакции)
• 1,75*10⁻⁵ г антивещества (энергия, выделяющаяся при аннигиляции).

Литература

• Физический энциклопедический словарь
• Большая Советская энциклопедия
• Пособие по применению НПБ 105-95 «Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности»

См. также

• Внутренняя энергия
• Горение
• Пожар
• Экзотермическая реакция
• Удельная теплота сгорания