- Экзотермические и эндотермические химические реакции
- Удельная теплота сгорания топлива
- Примеры решения задач
- знать определения: экзотермическая и эндотермическая реакция, удельная теплота сгорания топлива
- уметь отличать экзотермические и эндотермические реакции; находить количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива
- В чём заключается главное отличие между химическими и физическими процессами?
- Что такое удельная теплоёмкость вещества?
- Что удерживает молекулы в веществе?
Экзотермические и эндотермические химические реакции
Известно, что процессы, в которых вещества меняют своё внутреннее строение, сопровождаются протеканием химических реакций. Меняется ли внутренняя энергия в результате таких процессов?
Результатом химической реакции может быть разрушение молекулы вещества. Вы уже знаете, что все молекулы вещества притягиваются друг к другу, следовательно, чтобы разрушить эти связи, необходимо сообщить достаточное количество энергии. Сообщить системе энергию можно двумя способами: совершить над ней работу или передать тепло посредством теплопередачи. Реакции, сопровождающиеся поглощением тепловой энергии, называются эндотермическими.
Эндотермическая реакция — это химическая реакция, в которой термодинамическая система поглощает тепловую энергию.
Если же химическая реакция сопровождается образованием новой молекулы, наблюдается противоположная ситуация: в этом случае система выделяет тепло в окружающую среду. Если при этом система не совершает работу, то такие реакции называются экзотермическими.
Экзотермическая реакция — это химическая реакция, в которой термодинамическая система выделяет тепловую энергию.
Удельная теплота сгорания топлива
Простым примером экзотермической реакции является процесс горения топлива.
Очевидно, что количество теплоты, выделяемое в данном процессе, прямо пропорционально массе топлива: чем больше масса сжигаемого угля, тем больше тепла мы получим при его сгорании.
С другой стороны, при сжигании бензина и дров одинаковой массы в первом случае полученное количество теплоты будет практически в пять раз больше. Это связано с тем, что все вещества имеют разное молекулярное строение, поэтому выделяемое количество теплоты также будет различным. Физическая величина, характеризующая количество энергии, которое можно получить, сжигая то или иное топливо, называется удельная теплота сгорания топлива q.
Удельная теплота сгорания топлива — это количество теплоты, выделяемое при полном сгорании 1 кг данного вещества.
Удельная теплота сгорания топлива q измеряется в джоуль на килограмм (Дж/кг). Понятно, что чем больше величина q, тем больше энергии Q можно получить при сжигании топлива. В таблице 1 приведены значения удельной теплоты сгорания различных веществ.
Таблица 1. Удельная теплоты сгорания топлива некоторых веществ
|
Вещество
|
Удельная теплота сгорания, МДж/кг
|
Вещество
|
Удельная теплота сгорания, МДж/кг
|
|
водород
|
120
|
спирт
|
27
|
|
порох
|
3,8
|
антрацит
|
30
|
|
сухие дрова
|
10
|
бензин
|
46
|
|
торф
|
14
|
нефть
|
44
|
|
каменный уголь
|
27
|
природный газ
|
44
|
|
древесный уголь
|
34
|
керосин
|
46
|
Из таблицы 1 видно, что при сжигании 1 кг каменного угля выделится 27 МДж теплоты. Тогда при сжигании 2 кг того же топлива выделится 54 МДж теплоты.
Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива Q, находится как произведение удельной теплоты сгорания топлива и массы данного топлива:
.
Примеры решения задач
Пример 1
Определить, какое количество бензина нужно сжечь, чтобы получить 138 МДж теплоты.
Решение
В данной задаче необходимо найти массу бензина, выразим её из формулы выше:
.
Найдем значение удельной теплоты сгорания бензина из таблицы 1:
.
Рассчитаем искомую массу вещества:
.
Ответ: .
Пример 2
Определить, какое количество сухих дров нужно сжечь, чтобы нагреть 2 кг воды на 50 °С?
Решение
1. Известно, что количество теплоты, необходимое для нагревания, можно найти по следующей формуле:
,
где — удельная теплоёмкость воды; m1 — масса воды; Δt — разность температур — насколько градусов нагрелась вода.
2. Количество теплоты, которое можно получить при сжигании топлива, рассчитывается по формуле:
,
где — удельная теплота сгорания дров; m2 — искомая масса дров.
3. В данной задаче всё тепло, получаемое при сжигании сухих дров Q2, расходуется на нагревание воды, следовательно, Q1 = Q2.
Подставим в это равенство полученные формулы и выразим массу дров:
.
Ответ: .
Упражнение 1
1. Сколько тепла выделится при сгорании а) 1 кг водорода; б) 200 г бензина; в) 3 т нефти?
2. Сколько каменного угля нужно сжечь, чтобы нагреть до кипения 5 л воды, взятой при температуре 20 °С?
3. На сколько градусов можно нагреть 100 г меди, если сжечь 1 г сухих дров?
Контрольные вопросы
1. Чем отличаются эндотермические и экзотермические реакции?
2. Что такое удельная теплота сгорания топлива?
3. Как найти количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива?
Упражнение 1
1. а) 120 МДж; б) 9,2 МДж; в) 132 ГДж
2. 62 г
3. 250 °С
