Химия. Для школьников старших классов и поступающих в вузы
Химия. Для школьников старших классов и поступающих в вузы
ОглавлениеВВЕДЕНИЕГлава I.  § 1. Предмет химии. Важнейшие понятия и законы химии Основные стехиометрические законы химии ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 2. Строение атома Электронные конфигурации атомов Ядро атома и радиоактивные превращения ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 3. Строение молекул. Химическая связь. Валентность элементов ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 4. Агрегатные состояния вещества Характерные свойства газов, жидкостей и твердых тел Газообразное состояние. Газовые законы ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 5. Закономерности протекания химических реакций Химическая кинетика Химическое равновесие ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 6. Растворы. Электролитическая диссоциация. Гидролиз солей Электролиты и электролитическая диссоциация Гидролиз солей ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 7. Классификация химических реакций. Окислительно-восстановительные процессы. Электролиз Окислительно-восстановительные реакции Электролиз ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ Глава II.  НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ§ 8. Номенклатура, классификация неорганических веществ. Свойства и способы получения Оксиды Основания (гидроксиды металлов) Кислоты Соли § 9. Водород. Галогены и их соединения Галогены и их соединения ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 10. Подгруппа кислорода Сера и ее соединения ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 11. Подгруппа азота Фосфор и его соединения ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 12. Подгруппа углерода Углерод и его соединения Кремний и его соединения ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 13. Свойства s-элементов (щелочных и щелочноземельных металлов) и их соединений ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 14. Алюминий — типичный р-металл Соединения алюминия и их свойства ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 15. Главные переходные металлы (d-элементы) и их соединения Химические свойства d-элементов ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ Глава III. ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ § 17. Основные понятия и закономерности в органической химии.  Предмет органической химииКлассификация и номенклатура органических соединений Изомерия органических соединений Взаимное влияние атомов в молекуле и реакционная способность органических соединений Общая характеристика органических реакций ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 18. Предельные (насыщенные) углеводороды Циклоалканы ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 19. Алкены. Диеновые углеводороды Диеновые углеводороды (алкадиены) ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 20. Алкины ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 21. Ароматические углеводороды (арены) ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 22. Спирты и фенолы Многоатомные спирты Фенолы ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 23. Карбонильные соединения — альдегиды и кетоны ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ § 24. Карбоновые кислоты. Сложные эфиры. Жиры Сложные эфиры. Жиры ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ Глава 4. ОСНОВНЫЕ ПРИЕМЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Определение молекулярной формулы веществ Определение состава и разделение смесей Задачи на газовые законы Способы выражения концентрации растворов Ионные реакции в растворах Задачи на окислительно-восстановительные реакции Разные задачи ПРОГРАММА ПО ХИМИИ ДЛЯ ПОСТУПАЮЩИХ В УНИВЕРСИТЕТЫ ОТВЕТЫ Рекомендуемая литература |
Удельная теплота сгорания — формула и обозначения
Покажем, как применять знание физики в жизни
Начать учиться
Погреться у батареи зимой и заварить чаёк не получилось бы, если бы человечество не научилось использовать энергию.
Виды топлива
Человеку очень нужно тепло для всех процессов жизнедеятельности: например, для обогрева жилища, готовки, плавления металлов и получения других видов энергии. Чтобы получать тепло и свет, человек использует топливо. Когда люди впервые добыли огонь, без топлива тоже не обошлось — им послужила древесина.
Топливо — это любое вещество, выделяющее энергию в ходе сгорания.
Существует четыре группы видов топлива:
- твердое топливо,
- жидкое топливо,
- газообразное топливо.
На самом деле есть еще четвертая группа — ядерное топливо, но в этом случае механизм получения энергии другой. О нем мы рассказали в статье про ядерный реактор.
К твердому топливу относятся:
- древесина,
- горючие сланцы,
- уголь,
- торф.
Ископаемые твердые виды топлива, кроме сланцев, являются продуктом разложения органической массы растений. Торф — самый молодой из них, он представляет собой плотную массу, которая образовалась из перегнивших болотных растений. Уже не такие молодые (скажем, средних лет 🤣) бурые угли — это темная однородная масса, которая окисляется и рассыпается на свежем воздухе. Горючие сланцы — полезные ископаемые, дающие смолу. Каменные угли — ребята с повышенной прочностью и небольшой пористостью.
Жидкое топливо — это, например, бензин или нефть. Газообразное — это смесь, содержащая в себе водород и окись углерода.
Пятерка по физике у тебя в кармане!
Решай домашку по физике на изи. Подробные решения помогут разобраться в сложной теме и получить пятерку!
Удельная теплота сгорания топлива
Удельная теплота сгорания определяет энергетическую ценность топлива. Эта величина фигурирует в формуле количества теплоты, выделяемого при сгорании топлива.
Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива Q = qm Q — количество теплоты [Дж] q — удельная теплота сгорания [Дж/м3] m — масса [кг] |
Удельная теплота сгорания — это табличная величина, которая показывает, какое количество энергии выделится при сгорании 1 кг топлива.
Ниже представлены таблицы с некоторыми значениями удельной теплоты сгорания.
Твердое топливо
Вещество | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
Бурый уголь | 9,3 |
Древесный уголь | 29,7 |
Сухие дрова | 8,3 |
Древесные чурки | 15,0 |
Каменный уголь марки А-I | 20,5 |
Каменный уголь марки А-II | 30,3 |
Кокс | 30,3 |
Порох | 3,0 |
Торф | 15,0 |
Жидкое топливо
Вещество | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
Бензин, нефть | |
Дизельное топливо | 42,0 |
Керосин | 43,0 |
Мазут | 40,0 |
Этиловый спирт | 27,0 |
Газообразное топливо
Вещество | Удельная теплота сгорания, МДж/м³ |
|---|---|
Водород | 120,8 |
Генераторный газ | 5,5 |
Коксовый газ | 16,4 |
Природный газ | 35,5 |
Светильный газ | 21,0 |
Решение задач
Задачка простая
В топке паровой машины сгорело 50 кг каменного угля, удельная теплота сгорания которого равна 30 МДж/кг.
Какое количество теплоты выделилось в этом процессе?
Решение
В условии задачи есть все необходимые данные, поэтому переводим их в СИ и подставляем в формулу.
СИ — международная система единиц. «Перевести в СИ» означает перевести все величины в метры, секунды и другие единицы измерения без приставок. Исключение — килограмм с приставкой «кило».
Переводим удельную теплоту сгорания в СИ:
30 МДж/кг = 30 000 000 Дж/кг
Подставляем значения в формулу:
Q = qm = 30 000 000 50 = 1 500 000 000 = 1500 МДж
Ответ: в процессе сгорания выделилось 1500 МДж.
Задачка сложная
Сколько килограммов воды можно нагреть на спиртовке при температуре 30°С, если сжечь в ней 21 грамм спирта? КПД спиртовки равен 30%.
Удельная теплота сгорания спирта — 2,9·107 Дж/кг.
Удельная теплоемкость воды — 4200 Дж/(кг·°С).
Решение
кг
Ответ: можно нагреть 1,45 кг воды.
Попробуйте подготовку к ЕГЭ по физике онлайн с опытным преподавателем в Skysmart!
Карина Хачатурян
К предыдущей статье
129.5K
Ускорение свободного падения
К следующей статье
Фотон
Получите индивидуальный план обучения физике на бесплатном вводном уроке
На вводном уроке с методистом
Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению
Расскажем, как проходят занятия
Подберём курс
Центр данных по альтернативным видам топлива: основы водорода
Водород (H 2 ) — это альтернативное топливо, которое можно производить из различных внутренних ресурсов.
Хотя рынок водорода в качестве транспортного топлива находится в зачаточном состоянии, правительство и промышленность работают над экологически чистым, экономичным и безопасным производством и распространением водорода для широкого использования в электромобилях на топливных элементах (FCEV). Легкие FCEV теперь доступны в ограниченных количествах для потребительского рынка в локализованных регионах внутри страны и по всему миру. Рынок также развивается для автобусов, погрузочно-разгрузочного оборудования (например, вилочных погрузчиков), наземного вспомогательного оборудования, грузовиков средней и большой грузоподъемности, морских судов и стационарных приложений. Дополнительные сведения см. в разделе о свойствах топлива и в Центре ресурсов по анализу водорода.
В окружающей среде много водорода. Он хранится в воде (H 2 O), углеводородах (таких как метан, CH 4 ) и других органических веществах. Одной из проблем использования водорода в качестве топлива является его эффективное извлечение из этих соединений.
В настоящее время паровой риформинг — сочетание высокотемпературного пара с природным газом для извлечения водорода — составляет большую часть водорода, производимого в Соединенных Штатах. Водород также можно получить из воды путем электролиза. Это более энергоемко, но может быть сделано с использованием возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнце, и избегая вредных выбросов, связанных с другими видами производства энергии.
Почти весь водород, ежегодно производимый в Соединенных Штатах, используется для очистки нефти, обработки металлов, производства удобрений и переработки пищевых продуктов.
Хотя производство водорода может привести к выбросам, влияющим на качество воздуха, в зависимости от источника, FCEV, работающий на водороде, выбрасывает в выхлоп только водяной пар и теплый воздух и считается транспортным средством с нулевым уровнем выбросов. Основные исследования и разработки направлены на то, чтобы сделать эти автомобили и их инфраструктуру практичными для широкого использования.
Это привело к выпуску серийных автомобилей малой грузоподъемности для розничных потребителей, а также к первоначальному внедрению автобусов и грузовиков средней и большой грузоподъемности в Калифорнии и доступности автопарка в северо-восточных штатах.
Узнайте больше о водороде и топливных элементах в офисе технологий водорода и топливных элементов.
Водород считается альтернативным топливом в соответствии с Законом об энергетической политике 1992 года. Интерес к водороду как к альтернативному транспортному топливу обусловлен его способностью питать топливные элементы в автомобилях с нулевым уровнем выбросов, его потенциалом для внутреннего производства и быстрым время наполнения и высокая эффективность. На самом деле топливный элемент в паре с электродвигателем в два-три раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания, работающего на бензине. Водород также может служить топливом для двигателей внутреннего сгорания. Однако, в отличие от FCEV, они производят выбросы выхлопных газов и менее эффективны.
Узнайте больше о топливных элементах.
Энергия 2,2 фунта (1 кг) газообразного водорода примерно такая же, как энергия 1 галлона (6,2 фунта, 2,8 кг) бензина. Поскольку водород имеет низкую объемную плотность энергии, он хранится на борту транспортного средства в виде сжатого газа, чтобы обеспечить запас хода обычных транспортных средств. В большинстве современных приложений используются резервуары высокого давления, способные хранить водород при давлении 5000 или 10000 фунтов на квадратный дюйм (psi). Например, FCEV, производимые производителями автомобилей и доступные в дилерских центрах, имеют баки на 10 000 фунтов на квадратный дюйм. Розничные заправочные колонки, которые в основном расположены на автозаправочных станциях, могут заполнить эти баки примерно за 5 минут. В электрических автобусах на топливных элементах в настоящее время используются баки на 5000 фунтов на квадратный дюйм, которые заполняются за 10–15 минут. Другие способы хранения водорода находятся в стадии разработки, включая химическое связывание водорода с таким материалом, как гидрид металла или низкотемпературные сорбирующие материалы.
Узнайте больше о хранении водорода.
Данные с розничных заправочных станций, собранные и проанализированные Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, показывают, что среднее время, затрачиваемое на заправку FCEV, составляет менее 4 минут.
Калифорния лидирует в стране по строительству водородных заправочных станций для FCEV. По состоянию на середину 2021 года для публики были открыты 47 розничных водородных станций в Калифорнии, а также одна на Гавайях, а еще 55 находились на различных стадиях строительства или планирования в Калифорнии. Эти станции обслуживают более 8000 FCEV. Калифорния продолжает выделять средства на строительство водородной инфраструктуры в рамках своей Программы чистого транспорта. Калифорнийская энергетическая комиссия уполномочена выделять до 20 миллионов долларов в год до 2023 года и инвестирует в первые 100 общественных станций для поддержки и поощрения этих автомобилей с нулевым уровнем выбросов. Кроме того, в северо-восточных штатах запланировано открытие 14 АЗС, причем некоторые из них уже обслуживают клиентов автопарка.
Производители автомобилей предлагают FCEV только тем потребителям, которые живут в регионах, где есть водородные станции. Неторговые станции в Калифорнии и по всей стране также продолжают обслуживать парки FCEV, включая автобусы. Многие распределительные центры используют водород в качестве топлива для погрузочно-разгрузочных машин в своей обычной работе. Кроме того, было сделано несколько объявлений о производстве транспортных средств большой грузоподъемности, таких как магистральные грузовики, для которых потребуются заправочные станции гораздо большей мощности, чем существующие станции малой грузоподъемности. Найдите водородные заправочные станции по всей территории Соединенных Штатов.
Хранилище водорода | Департамент энергетики
Управление технологий водорода и топливных элементов
Управление по технологиям водорода и топливных элементов (HFTO) разрабатывает бортовые автомобильные системы хранения водорода, которые обеспечивают запас хода более 300 миль при соблюдении требований по стоимости, безопасности и производительности._3.jpg)
Зачем изучать хранение водорода
Хранение водорода является ключевой технологией для продвижения технологий использования водорода и топливных элементов в приложениях, включая стационарные источники энергии, портативные источники питания и транспорт. Водород имеет самую высокую энергию на массу любого топлива; однако его низкая плотность при температуре окружающей среды приводит к низкой энергии на единицу объема, поэтому требуется разработка передовых методов хранения, которые могут обеспечить более высокую плотность энергии.
Как работает хранилище водорода
Водород может храниться физически в виде газа или жидкости. Для хранения водорода в виде газа обычно требуются резервуары высокого давления (давление в резервуаре 350–700 бар [5 000–10 000 фунтов на кв. Дюйм]). Хранение водорода в виде жидкости требует криогенных температур, потому что температура кипения водорода при давлении в одну атмосферу составляет -252,8°C.
Водород также может храниться на поверхности твердых тел (путем адсорбции) или внутри твердых тел (путем абсорбции).
Цели исследований и разработок
HFTO проводит исследования и разработки для усовершенствования технологий систем хранения водорода и разработки новых материалов для хранения водорода. Цель состоит в том, чтобы обеспечить адекватное хранение водорода для выполнения целей Министерства энергетики США (DOE) по хранению водорода для бортовых автомобилей малой грузоподъемности, погрузочно-разгрузочного оборудования и портативных источников энергии. К 2020 году HFTO стремится разработать и проверить бортовые автомобильные системы хранения водорода, достигнув целей, которые позволят платформам транспортных средств, работающих на водороде, соответствовать ожиданиям клиентов в отношении дальности полета, пассажирского и грузового пространства, времени дозаправки и общей производительности автомобиля. Конкретные цели системы включают следующее:
- 1,5 кВтч/кг системы (4,5 мас. % водорода)
- Система 1,0 кВтч/л (0,030 кг водорода/л)
- 10 долларов США/кВтч (333 доллара США/кг запаса водорода).
% водорода)Совместный центр передового опыта по хранению водорода проводит аналитические мероприятия для определения текущего состояния технологий систем хранения на основе материалов.
Консорциум передовых исследований водородных материалов (HyMARC) проводит фундаментальные исследования для понимания взаимодействия водорода с материалами в связи с образованием и выделением водорода из материалов для хранения водорода.
Ссылки по ссылкам содержат подробную информацию о деятельности по хранению водорода, финансируемой Министерством энергетики.
Проблемы
Распределение продаж легковых автомобилей в США в 2010 г. по дальности пробега.
Сравнение удельной энергии (энергии на единицу массы или гравиметрической плотности) и плотности энергии (энергии на единицу объема или объемной плотности) для нескольких видов топлива на основе более низкой теплотворной способности.
Хранение водорода с высокой плотностью является проблемой для стационарных и портативных приложений и остается серьезной проблемой для транспортных приложений. Доступные в настоящее время варианты хранения обычно требуют систем большого объема, которые хранят водород в газообразной форме. Это не так важно для стационарных приложений, где площадь резервуаров со сжатым газом может быть менее критической.
Однако транспортным средствам на топливных элементах требуется достаточное количество водорода, чтобы обеспечить запас хода более 300 миль с возможностью быстрой и легкой дозаправки транспортного средства. В то время как на рынке появилось несколько легких электромобилей на водородных топливных элементах (FCEV), которые способны работать в этом диапазоне, эти автомобили будут полагаться на бортовое хранилище сжатого газа с использованием композитных сосудов высокого давления большого объема. Требуемые большие объемы хранения могут иметь меньшее значение для более крупных транспортных средств, но обеспечение достаточного хранения водорода на всех платформах малой грузоподъемности остается проблемой.
Важность цели по запасу хода в 300 миль можно оценить, взглянув на диаграмму распределения продаж по запасу хода на этой странице, которая показывает, что большинство автомобилей, продаваемых сегодня, способны превысить этот минимум.
Энергоемкость водорода почти в три раза выше, чем у бензина: 120 МДж/кг водорода против 44 МДж/кг бензина. Однако с точки зрения объема ситуация обратная; жидкий водород имеет плотность 8 МДж/л, тогда как бензин имеет плотность 32 МДж/л, как показано на рисунке, сравнивающем плотность энергии топлива на основе более низкой теплотворной способности. Бортовые емкости для хранения водорода в размере 5–13 кг водорода потребуются для обеспечения запаса хода для всего спектра платформ малотоннажных транспортных средств.
Чтобы преодолеть эти проблемы, HFTO следует двум стратегическим направлениям, нацеленным как на краткосрочные, так и на долгосрочные решения. Ближайший путь сосредоточен на хранении сжатого газа с использованием усовершенствованных сосудов под давлением из композитных материалов, армированных волокном, которые способны достигать давления 700 бар, с основным акцентом на снижение стоимости системы.