Удельная теплота сгорания топлива: бензина, керосина, дизельного топлива, газов

Любой энергетический ресурс обладает определенными характеристиками, определяющими его пригодность и качество. Одной из важнейших таких характеристик выступает удельная теплота сгорания — количественная мера тепловой энергии, высвобождаемой при полном окислении единицы массы (для жидких и твердых веществ) или объема (для газообразных соединений) топлива.

Почему это значение имеет столь важное значение, в чем заключается разница между высшей и низшей теплотой сгорания, а также как влияет температура воспламенения — обо всем этом расскажет данная публикация.

Содержание:

• Суть удельной теплоты сгорания
• Стандартные значения удельной теплоты сгорания
• Низшая и высшая теплота сгорания: в чем разница?
• Методика расчета низшей теплоты сгорания
• Удельная теплота сгорания бензина
• Удельная теплота сгорания керосина
• Удельная теплота сгорания дизельного топлива
• Таблица удельной теплоты сгорания различных видов топлива

Суть удельной теплоты сгорания

В процессе полного окисления топливо высвобождает строго определенное количество тепловой энергии. Чем выше тепловая отдача на килограмм или литр топлива (в данном материале основной акцент сделан на жидкие виды), тем значительнее его энергетическая ценность, что, в свою очередь, делает его более экономичным в эксплуатации.

В физике данное соотношение описывается формулой Q = q × m, где Q — общее количество выделенного тепла (в Джоулях), q — удельная теплота сгорания (Дж/кг или Дж/м³), а m — масса топлива. Повышенное значение q указывает на большую теплоотдачу при сгорании, что напрямую влияет на производительность двигателя.

Стандартные значения удельной теплоты сгорания

Путем обширных лабораторных исследований установлены справочные значения удельной теплоты для большинства популярных видов топлива: жидких, твердых и газообразных. Для жидких топливных смесей данный параметр, как правило, варьируется в пределах 43–46 МДж/кг.

Низшая и высшая теплота сгорания: в чем разница?

Для корректной оценки тепловых характеристик необходимо разграничить понятия высшей и низшей теплоты сгорания.

Высшая теплота сгорания — это полное количество тепловой энергии, выделяющееся при полном окислении топлива, включая конденсацию водяного пара, возникающего в процессе охлаждения. При сгорании топливо выделяет влагу за счет водорода, содержащегося в его структуре. Под действием высокой температуры вода переходит в пар, а при последующем охлаждении снова становится жидкостью, высвобождая дополнительную энергию.

Низшая теплота сгорания не учитывает фазовый переход пара в жидкость, исключая, таким образом, скрытую теплоту. В научной практике именно низшая теплота принимается за основу — 100%, в то время как высшая учитывает весь потенциал при максимальном энергопереносе.

Методика расчета низшей теплоты сгорания

Так как точное измерение низшей теплоты сгорания представляет методологическую трудность, ее величину вычисляют как разность между высшей теплотой и энергией, связанной с образованием пара. Для каждого вида топлива данный показатель был получен в результате системных лабораторных опытов и занесен в справочные таблицы.

Знание табличного значения q позволяет объективно сравнивать эффективность различных видов топлива. Так, 1 литр бензина по энергоемкости примерно соответствует 1,3 м³ природного газа.

Удельная теплота сгорания бензина

Теплотворная способность бензина определяется исключительно его химической формулой, а не октановым числом. Чем выше содержание водорода в составе, тем больше образуется пара, что снижает общий показатель теплоты сгорания и, соответственно, КПД топлива.

Для бензина данный параметр, определенный экспериментально, составляет 43,5–44,5 МДж/кг. Так, для он равен 43,6 МДж/кг, а авиационный бензин Б-70 (по ГОСТу) обладает более высоким значением — 44,1 МДж/кг, что свидетельствует о его превосходной энергоэффективности.

На практике простому водителю трудно ощутить влияние теплоты сгорания на работу двигателя, но при наличии в топливе минеральных примесей и неокисляемых частиц наблюдается заметное снижение тепловой отдачи.

Сера, содержащаяся в некоторых марках топлива, также негативно влияет на значение q — она образует агрессивные газы, провоцирующие коррозию и загрязнение, как двигателя, так и окружающей среды. Поэтому стоит выбирать качественное топливо, очищенное от примесей, и заправляться только на авторитетных АЗС.

Удельная теплота сгорания керосина

Керосин — это углеводородное соединение с разветвленной или линейной цепочкой, обогащенное добавками, что делает его универсальным топливом для различных нужд, включая авиацию.

Однако из-за сложного состава — в него входят четыре типа углеводородов — удельная теплота керосина может колебаться. При расчетах ориентируются на температуру начала горения, которая для керосина составляет +215 °C. Чем ближе фактическая температура воспламенения к этой отметке, тем выше теплопроводность, а значит — и теплота сгорания. При +200 °C теплоемкость достигает 2900 Дж/кг·К. В среднем же значение теплоты сгорания для керосина колеблется в районе 43 МДж/кг.

Тепловые характеристики керосина определяют его эффективность в двигателях, где важна не только температура, но и давление в камере сгорания. Здесь наблюдаются адиабатические процессы, при которых отсутствует теплообмен с окружающей средой, что повышает КПД.

Поэтому для оценки свойств керосина часто используют удельную теплоемкость при постоянном объеме — это соотношение остается стабильным, и на его основе можно рассчитывать реактивную тягу и скорость выхлопа.

Удельная теплота сгорания дизельного топлива

Основной показатель эффективности дизельного топлива — это величина удельной теплоты сгорания: чем она выше, тем меньший объем топлива расходуется. Это делает дизель экономически привлекательным.

Исследования показали, что теплота сгорания дизеля варьируется от 39,2 до 43,3 МДж/кг в зависимости от его состава и страны-производителя. Как правило, учитывается низшая теплота сгорания — она исключает энергию, скрытую в образующихся парах и водородных соединениях.

Энергетическая эффективность двигателя на дизеле зависит от вязкости топлива. Меньшая вязкость способствует более высокой температуре воспламенения и, соответственно, большей теплосъемности.

Таблица удельной теплоты сгорания различных видов топлива