Теплотворная способность

Для усвоения понятия теплотворной способности топлива фактической полезно сделать следующие вычисления для молекулы СН₄

- 25 % Н – сгорание полное водорода, количество теплоты

0,25  34180 = 8545 ккал

- 75 % С – сгорание углерода (графита)

0,75  7840 = 5880

Итого 14425 ккал

Однако известно, что теплотворная способность метана – 13300 ккал, разница – 14425 – 13300 = 1125 ккал – расходуется на перестройку молекулы метана и кислорода при реакции окисления в СО₂ и Н₂О

Т.о. разница в расчетах объясняется затратами на испарение балластной влаги топлива и влаги, образующейся при сгорании водорода.

В связи с этим все расчеты ведутся не на полное количество тепла, выделяемого при сгорании 1 кг топлива (высшая теплотворная способность), а на выделенное тепло за вычетом тепла, потраченного на парообразование (низшая теплотворная способность топлива).

По данным элементарного состава низшая теплотворная способность топлива (твердого и жидкого) приближенно может быть определена с помощью эмпирической формулы Д.И. Менделеева.

, ккал/кг

Для сухих горючих газов низшая теплотворная способность может быть определена

ккал/нм³

где Н₂, СО, СН₄…Н₂S – объемное содержание, %, соответствующих газов в смеси.

Добыча, потребление и значение ископаемого топлива

Проблемой энергии из года в год занимается все больше специалистов. Решение в глобальном масштабе вопросов, связанных с этой проблемой, становится задачей множества научных учреждений, темой разнообразных семинаров, симпозиумов и конференций, в том числе на уровне ООН. Энергия составляет предмет и цель труда люден самых разнообразных профессий— классического энергетика, геолога и технолога, физика-ядерщика и государственного деятеля. В научных журналах, сборниках трудов и учебниках разных уровней и назначения десятки тысяч страниц заполнены анализом энергетической проблематики с разных точек зрения. Важнейшие главы большей части этой литературы по-прежнему посвящены ископаемому топливу. Это не удивительно — ведь ископаемое топливо пока является «кровью» промышленного производства и основой энергетики. Мир все больше усилий уделяет поискам удовлетворительной альтернативы. Справедливость этих слов убедительно подтверждают, в частности, данные одного из бюллетеней МАГАТЭ (Международного агентства по атомной энергии): сегодня доля ископаемого топлива в мировом потреблении первичной энергии составляет 88,5%, а весьма обоснованные прогнозы на 2000 г. указывают цифру не ниже 65,5%.

Таким образом, ископаемое топливо (различные виды угля, нефть и природный газ) имеет сейчас и сохранит в ближайшие десятилетия жизненно важное значение для человечества.

Об угле человек узнал очень давно, но история техники свидетельствует, что в качестве нового вида топлива его впервые стали использовать приблизительно 900 лет назад в Англии, вблизи теперешнего города Ньюкасл-на-Тайне. А о широкой промышленной добыче угля можно говорить только в связи с развитием выплавки железа, т. е. с конца XVIII в. Что касается нефти, трудно сказать, когда человек впервые с ней познакомился. Установлено, например, что одно из нефтяных месторождений в Китае было известно еще в III в. до н. э. Доказано, что в Древней Месопотамии асфальт использовали в строительстве. Первый завод по переработке нефти в России был построен уже в XVIII в. Однако добыча нефти в крупных масштабах началась только с середины XIX в., причем зачинателями буровой разведки нефти по праву считаются американцы. Качественное и количественное развитие добычи обоих упомянутых видов топлива (а позднее и тем более в будущем — химического сырья) в последнее столетие шло стремительными темпами.

Происхождение ископаемого топлива.

Чтобы лучше понять механизм возникновения ископаемого топлива и место, которое ему принадлежит в энергетической системе Земли, воспользуемся схемой кругооборота  энергии  на  нашей  планете. Вся система состоит из двух частей: динамического потока энергии (на рисунке над поверхностью Земли) и статического количества энергии, т. е. ископаемых топлив, геотермической, ядерной и гравитационной энергии (на рисунке под поверхностью Земли).

На поверхность Земли и ее окружение направлены три основных потока энергии (в тераваттах, 1 ТВт = = 1012Вт):

1) солнечное   излучение   мощностью   174 000 ТВт,

2) тепловой поток изнутри Земли мощностью 32 ТВт,

3) энергия морских приливов мощностью 3 ТВт.

Из диаграммы видно, что 30% солнечного излучения отражается в космическое пространство, т. е. не влияет на энергетический баланс Земли. Но остальные 70% этой энергии, т. е. излучение мощностью около 122 000 ТВт, все же почти в 3500 раз превышают мощность остальных двух видов энергии и составляют, таким образом, решающую часть притока энергии во всей системе. Тепловой поток изнутри Земли к ее поверхности при нормальных температурах непосредственно превращается в тепло. Энергия приливов, как известно,— это ничтожно малая часть суммарной потенциальной и кинетической энергии системы Земля—Луна-Солнце. За счет превращения этой энергии возникают морские приливы и течения; их механическая энергия в свою очередь в результате трения также преобразуется в тепло.

Но вернемся к тем 122 000 ТВт солнечного излучения, которые поглощает земная поверхность. Что происходит в энергетической системе Земли с этим излучением невообразимой мощности?

Одна его часть поглощается атмосферой, океаном и сушей и при низких температурах превращается в тепловую энергию. Другая часть вызывает испарение, циркуляцию и выпадение воды в ее земном круговороте. Третья часть преобразуется в морские и атмосферные течения.  Четвертую  часть,  в  абсолютном  выражении пренебрежимо малую (около 40 ТВт, т. е. немногим больше 0,03% всего солнечного излучения. Еще в 1771 г. английский химик Джозеф Пристли (1733—1804) обнаружил, что «животные изменяют воздух в непригодный для дыхания, а растения его очищают». Наблюдение Пристли возбудило интерес в научных кругах того времени, а опыты голландского естествоиспытателя и врача Яна Ингенгуса (1730—1799) привели в 1779 г. к новому выводу, что зеленое растение «очищает» воздух только на солнечном свету. Следующий важный шаг в этом направлении сделал швейцарский натуралист Жан Сенебье (1742—1809), который доказал, что в течение дня, т. е. при солнечном свете, зеленые растения выделяют кислород, причем не потому, что они его «выдыхают», а вследствие усвоения углерода, т. е, в процессе своего питания. Такой процесс получил название фотосинтеза — оно верно отражает его сущность и потому сохранилось до наших дней. Речь идет о процессе, в котором неорганические вещества, прежде всего вода и углекислый газ, превращаются в сахариды, выделяя кислород. Для этой реакции необходимо, во-первых, присутствие хлорофилла, который содержится в зеленых частях растений и выполняет функцию сенсибилизатора, и, во-вторых, достаточное количество поглощенного хлорофиллом солнечного излучения (преимущественно с длиной волны в интервале 600—700 им). Напомним, что при фотосинтезе в химическую энергию преобразуется только 1—2% энергии падающего солнечного излучения. Следовательно, в действительности растения потребляют лишь 0,0003—0,0005% солнечного излучения, поглощаемого Землей. И такой ничтожно малой доли достаточно для благополучного существования всего живого мира!

Гениальный русский ученый К. А. Тимирязев (1843— 1920) большинство своих трудов посвятил теоретическому и экспериментальному исследованию фотосинтеза. Ему принадлежат многие прекрасные изречения о природе, например: «Дайте самому лучшему повару столько солнечных лучей, сколько он пожелает, и целую реку чистой воды и попросите, чтобы он вам из всего этого приготовил сахар, крахмал, жиры, зерно; он подумает, что вы над ним смеетесь. Однако то, что представляется фантастическим и неосуществимым для человека, непрестанно происходит в зеленых листьях растений».

При низкой температуре атмосферы эта теплота снова выделяется в виде теплового (т. е. длинноволнового) излучения. Слово «почти», выделенное в первой фразе, чрезвычайно существенно — оно связано с ископаемым топливом, т. е. основным источником легкодоступной энергии. Речь идет об относительно малом, но очень большом в абсолютном выражении количестве органического вещества, скрытого в торфяниках, болотах или иных местах с недостатком кислорода, т. е. там, где полного окисления этих веществ не происходит. Именно в таких местах в конечном счете и накапливается химическая энергия, запасенная растениями. Соответствующие химические процессы протекают чрезвычайно медленно, в течение долгих геологических периодов. В результате этих процессов образуются залежи ископаемых топлив (во всяком случае угля, а по мнению большинства ученых— также нефти и природного газа) под более или менее мощными слоями осадочных пород.

Итак, ископаемые топлива возникли за счет энергии солнечного излучения, которое падало и продолжает падать на нашу планету. Это в буквальном смысле слова законсервированная энергия, причем в отличие от наших пищевых консервов возраст здесь не ухудшает качество продукта — скорее наоборот.

Одним из основных признаков, по которым мы классифицируем ископаемые топлива, служит их агрегатное состояние. Существуют твердые ископаемые топлива (торф, бурый и каменный уголь, антрацит, горючие сланцы), жидкое топливо (нефть) и газообразное (природный газ). Их действительное происхождение и точный химический состав до сего времени не вполне известны. Уголь образовался в результате разложения и обугливания древних растений (а также животных), причем ученые еще не пришли к единому мнению относительно исходного материала и процесса обугливания.

Наиболее правдоподобной считается теория Генри Потони (1857—1913). Согласно этой теории, исходным материалом для всех видов современных ископаемых топлив были остатки древних растительных и животных организмов, которые в ходе длительных процессов постепенно подвергались химическим превращениям. Под процессом обугливания следует понимать прежде всего постепенное обогащение мертвого органического вещества углеродом при одновременном уменьшении содержания водорода и кислорода. Обугливание могло протекать по-разному — в зависимости от местных условий, а также от длительности процесса. При этом самую значительную роль играли температура, давление и доступ воздуха.

Предполагается, что на первой стадии — в присутствии кислорода — происходило тление, т. е. медленное окисление и разложение органического вещества. В случае ограниченного доступа воздуха растительная масса истлевала в труху, а в еще более редких случаях (при почти полном отсутствии воздуха во влажной среде) превращалась в торф. Образовавшиеся таким образом продукты при благоприятных обстоятельствах служили исходным материалом для процесса обугливания (углефикации). Под «благоприятными» обстоятельствами мы здесь имеем в виду геологические катаклизмы, приводившие к «переукладке» поверхностных слоев земной коры. В результате «сырье», возникшее после первой стадии, подвергалось воздействию высокой температуры и давления, притом без доступа воздуха. Из разнородных исходных материалов в различных условиях возникали разные виды угля. Если органическое вещество, богатое углеводами, давало гумусовый уголь, а богатое белками и жирами — сапропелитовый, то высокое содержание смол и восков в «сырье» обусловливало образование липтобиолитического угля.

Описанный процесс шел многие тысячи лет, и со временем характеристики угля менялись — прежде всего, возрастала концентрация углерода, снижалось содержание водорода и кислорода. Самым «молодым» из углей можно считать торф, в котором меньше всего углерода, зато относительно много водорода и кислорода. Самым «древним» углем является графит, который представляет собой почти чистый элементарный углерод. По поводу происхождения нефти сегодня существуют две совершенно противоположные теории. Более правдоподобной нам представляется органическая, или органогенная, теория, согласно которой нефть возникла из органического вещества, преимущественно из растительного и животного планктона, морских трав и прочих водорослей под действием бактерий, тепла и катализаторов, а возможно, и радиоактивности. Более старая, неорганическая теория имеет сегодня меньше сторонников, но вместе с тем еще не опровергнута. Она предполагает возникновение нефти из неорганических веществ, прежде всего из карбидов металлов и воды. По мнению некоторых исследователей, нефть и сопутствующий ей природный газ образуются и в наше время в процессе различных реакций на больших глубинах, в раскаленной магме. Другие ученые также предполагают глубин-ное, но не связанное непосредственно с магмой происхождение нефти. В лабораторных условиях удалось, воздействуя слабо подкисленной водой на среднеазиатские магматические порфиры, содержащие карбиды урана, получить до 4,5 кг различных углеводородов на 1 т горной породы. Обе упомянутые теории имеют своих приверженцев и обоснованы вескими аргументами. В последнее время специалисты допускают, что справедливы обе гипотезы — органического и неорганического происхождения ископаемого топлива: первая преимущественно для нефти мелкого залегания, вторая для более глубоких и древних нефтяных горизонтов.