Спецвыпуск

Топливо. Теплота сгорания. 8-й класс

··· Спецвыпуск Республики Коми ···

С.П.ТУГОЛУКОВА,
Эжвинская гимназия, г. Сыктывкар, Республика Коми

Топливо. Теплота сгорания топлива

Урок изучения нового материала. 8-й класс

 

Цель урока: углубить знания учащихся о топливе, ввести понятие теплоты сгорания топлива и КПД тепловых машин, сформулировать основные требования к топливу; формировать экологическую грамотность, основы безопасности жизнедеятельности; развивать умение анализировать, сравнивать, обобщать, делать выводы, устанавливать связь между элементами содержания ранее изученного материала на уроках химии, географии и физики; развивать наблюдательность и внимание.

Ход урока

I. МОТИВАЦИЯ

Демонстрирую 4-минутный фильм (запись тележурнала «Планета Земля») о важнейших видах топлива – он подскажет детям тему сегодняшнего урока. Уголь и нефть – важные виды топлива, из-за них возникают войны и сменяются режимы (вспомним, например, события в Ираке). Нефть – мощный стимул развития технической мысли. В фильме рассказывается, как замена в промышленности китового жира нефтью спасла китов.

Учитель. Когда нам нужно получить некоторое количество теплоты (чтобы вскипятить воду, приготовить еду в походе, протопить дом или поехать на автомобиле), мы используем газ, дерево, уголь, бензин. Всё это – самые распространённые виды топлива.

II. ЦЕЛЕПОЛАГАНИЕ

Учитель. А приходилось ли вам задумываться, что такое топливо? Что именно вы хотели бы узнать о топливе? Что такое топливо? Какие виды топлива бывают? Чем отличаются одни виды топлива от других? Какие требования нужно предъявить к топливу? (Выслушивает ответы учеников.) Запишем тему урока: «Топливо. Теплота сгорания топлива».

На первый взгляд, кажется, что в качестве топлива можно использовать любое горючее вещество. Их очень много, например: твёрдые – уголь, сера, фосфор, некоторые металлы; жидкие – нефть, бензин, спирт, ацетон; газообразные – водород, метан, пропан, ацетилен. Все они при сгорании выделяют тепло. Казалось бы, это всё, что требуется от топлива. Но есть ещё другие важные качества, которые горючее вещество делают именно топливом.

Вы не раз наблюдали горение газа, дров, нефти. Давайте проведём опыт и посмотрим, как горят разные виды топлива: нефть, дерево, спирт и парафин (зажигает свечу, спиртовку, лучину и вату, смоченную нефтью). Что общего и в чём различия горения каждого вида топлива?

Ученик. При горении топлива выделяется тепло, образуются продукты сгорания. Нефть, сгорая, выделяет особенно много копоти и сажи, а это естественно влияет на окружающую среду.

Учитель. Да, при сгорании любых веществ образуются другие вещества – продукты сгорания. Например, при сгорании дров остаётся зола и выделяется углекислый, угарный и другие газы. Обойтись без продуктов сгорания нельзя, но можно из всех горючих веществ выбрать те, продукты сгорания которых наносят как можно меньше вреда человеку и окружающей среде. Такое топливо – экологически чистое. К сожалению, этому требованию в наибольшей мере удовлетворяет только водород. Откройте с. 112 учебника*. Анализируя таблицу, скажите, какую информацию о топливе даёт эта таблица?

Ученик. В таблице приведены сведения о химическом составе некоторых видов топлива. Все виды топлива содержат углерод и водород. Процент содержания в топливе углерода и водорода выше, чем других элементов.

Учитель. Из курса химии вам уже известно, что при полном окислении углерода образуется углекислый газ, а при окислении водорода – водяной пар:

С + О₂ = СО₂ + Q;

2H₂ + O₂ = 2H₂O.

Эти продукты сгорания безвредны для человека.

А вот содержание серы и азота в составе топлива приводит к образованию оксидов, вредных для человека и животных. Даже специально очищенные виды топлива при сгорании выделяют определённое количество вредных веществ. Поэтому сегодня предъявляются строгие требования к топливу: при его использовании должно выделяться как можно меньше вредных продуктов сгорания. Кроме того, предусматриваются специальные меры по улавливанию вредных веществ фильтрами. Итак, что такое топливо? Какие горючие вещества могут быть топливом?

Ученик. Топливо – это горючее вещество, дающее тепло, являющееся источником энергии. Топливом может быть горючее вещество, продукты сгорания которого безвредны.

Учитель. Но главное предназначение топлива – давать тепло! Значит, чем больше выделяется тепла при его сгорании, тем лучше. Какая неточность допущена в последней фразе?

Ученик. Сравнивать количества теплоты, выделяющиеся при сгорании разных видов топлива, можно только при условии, что сгорели одинаковые массы.

Учитель. Правильно, я ничего не сказала о массе топлива. Рассмотрите зрительный ряд на с. 113. Какую информацию вы извлекли?

Ученик. Разные виды топлива массой 1 кг при полном сгорании выделяют разное количество теплоты.

Учитель. Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива, называется теплотой сгорания топлива. Теплота сгорания обозначается латинской буквой q и измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг). Рассмотрите таблицу на с. 113. Какая информация там дана?

Ученик. В таблице дана теплота сгорания основных видов топлива. Наибольшая теплота сгорания – у водорода, 119,7  Дж/кг, а наименьшая – у дров, 12,3 МДж/кг.

Учитель. Найдите теплоту сгорания природного газа, прочитайте и скажите, что значит это число.

Ученик. Теплота сгорания природного газа равна 45,6 МДж/кг. Это число означает, что при полном сгорании 1 кг газа выделяется количество теплоты 45,6 МДж.

Учитель. Найдите теплоту сгорания водорода.

Ученик. При полном сгорании 1 кг водорода выделяется количество теплоты 119,7 МДж, что примерно в 10 раз больше, чем при сгорании 1 кг дров (12,3 МДж).

Учитель. Сопоставьте сведения о составе и теплоте сгорания топлива разных видов. Выскажите предположения о том, какие химические элементы в составе топлива определяют преимущественно величину теплоты сгорания.

Ученик. Анализируя таблицы, мы видим, что количество теплоты сгорания топлива определяется преимущественно содержанием углерода и водорода в его составе. Например, природный газ содержит 74,0% углерода и 25,0% водорода. Теплота его сгорания больше, чем у дров и угля.

Учитель. Какого топлива – дерева или бензина – потребуется меньше, чтобы получить необходимое количество теплоты? Почему?

Ученик. Сравнивая теплоту сгорания дерева, 12,3 МДж/кг, и бензина, 44 МДж/кг, мы видим, что для получения необходимого количества теплоты меньше потребуется бензина.

Учитель. А как рассчитать количество теплоты, которое выделится при сгорании не 1 кг, а m кг топлива?

Ученик. Чтобы рассчитать количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании m кг топлива, нужно теплоту сгорания умножить на массу сгоревшего топлива: Q = qm.

Учитель. Верно. А какие ещё требования предъявляются к топливу? Вопросы 1 и 6 помогут вам ответить на этот вопрос.

Ученик. Небольшая температура воспламенения – важное требование к веществу, которое будет использоваться как топливо. Топливом могут стать широко распространённые, сравнительно простые в добыче и удобные для транспортировки вещества.

Учитель. Вспомните и покажите на карте Республики Коми крупнейшие месторождения горючих полезных ископаемых. (Учащиеся перечисляют крупнейшие месторождения.)

Учитель. Итак, сформулируйте основные требования, предъявляемые к топливу:

– большая теплота сгорания;

– отсутствие вредных продуктов сгорания;

– низкая температура воспламенения;

– распространённость в природе;

– сравнительная простота добычи и транспортировки.

Видеофильм напомнил нам, что большинство традиционных видов топлива (таких, как уголь, нефть, торф) образовывались на протяжении целых геологических эпох из останков растений и животных.

Это чаще всего невозобновляемые ресурсы нашей планеты. Вот почему сегодня учёные заняты поисками альтернативных источников тепла и созданием энергосберегающих технологий. В связи с этим каждый нагреватель, тепловой двигатель или даже целая электростанция характеризуются особой величиной, называемой коэффициентом полезного действия. Она показывает, какая часть количества теплоты, выделяющегося при сгорании топлива, расходуется полезно. Коэффициент полезного действия, сокращённо КПД, обозначается буквой греческого алфавита (читается эта). Если, например, при сгорании топлива выделилось Q_затр, а на пользу пошло только только Q_пол, то
= Q_пол/Q_затр· 100%.

III. ЗАКРЕПЛЕНИЕ

1. При полном сгорании 1 кг природного газа выделилось 44 МДж тепла. Какова теплота сгорания топлива?

2. На вопрос учителя, как понимать выражение: «Теплота сгорания керосина равна 46 МДж/кг», – ученик ответил так: «Это значит, что при сгорании керосина выделяется 46 МДж тепла». Правильный ли ответ дал ученик?

3. Почему рачительный хозяин предпочитает покупать берёзовые дрова, а не сосновые? Цена дров за единицу объёма одинакова. (Ответ. Плотность берёзы больше плотности сосны, следовательно, масса берёзовых дров больше при равных объёмах.)

4. Известно, что температура пламени наибольшая в верхней его части. Почему же, спеша нагреть воду в чайнике, увеличивают пламя, открывая кран горелки? (Ответ. Чтобы уменьшить время нагревания воды, ей надо передать большее количество теплоты в единицу времени, т.е. сжечь в единицу времени больше топлива.)

5. Сколько дров понадобится, чтобы истопить кирпичную русскую печь? Масса печи 1,5 т, в процессе протапливания её температура менялась от 100 °С до 700 °С, а КПД равен 25%. (Ответ. 26 кг.)

Домашнее задание. § 21, задача № 1319.

IV. ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ УРОКА

Литература

Степанова Г.Н., Степанов А.П. Сборник вопросов и задач по физике. – СПб.: ООО «Валери- СПД», 2001.

Карцев В.П., Хазановский П.М. Тысячелетия энергетики. – М: Знание, 1984.

Историко-культурный атлас Республики Коми. – М: Дрофа, 1997.

__________________________

*К сожалению, автор не указала учебник, но скорее всего это курс Г.Н.Степановой. – Ред.