Удельная теплота сгорания топлива: способы

СОВРЕМЕННЫЙ УРОК
УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ
ТОПЛИВА: СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ.
10 класс (естественнонаучный профиль)
Л. В. Власова, МБОУ «Архиповская СОШ», Сакмарский р-н, Оренбургская обл.
Цели урока:
 личностные: воспитание чувства патриотизма и национальной гордости за Россию в свете жизни и великих открытий нашего соотечественника М. В. Ломоносова, развитие культуры речи и аналитического мышления;
 предметная: изучение удельной теплоты сгорания
топлива, способов её определения и применения
величины для решения задач;
 метапредметные: развитие умений видеть мир
в многообразии явлений, укрепление практических
навыков работы со справочными материалами и использование приобретённых знаний из области физики и химии для решения практических задач.
Оборудование и материалы: компьютер, мультимедиапроектор, периодическая таблица Д. И. Менделеева, справочные данные: таблица удельной теплоты сгорания топлива, таблица теплоты образования веществ,
таблица растворимости веществ.
Тип урока: урок изучения новой темы с использованием межпредметных связей физики с химией и литературой.
О сколько нам открытий чудных
Готовит просвещенья дух
И опыт — сын ошибок трудных,
И гений — парадоксов друг…
А. С. Пушкин
ХОД УРОКА
І. ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ МОМЕНТ
На уроке по теме «Удельная теплота сгорания
топлива: способы определения» мы рассмотрим
роль научной деятельности великого учёного России М. В. Ломоносова в развитии физики и химии,
а также в становлении новых наук. Познакомимся
вначале с кратким обзором научной деятельности
учёного.
ІІ. СООБЩЕНИЕ «М. В. ЛОМОНОСОВ» (презентация)
ІІІ. ВХОЖДЕНИЕ В ТЕМУ — ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ
1. Какие физические величины являются общими
для химии и физики? (Масса, молярная масса, количество вещества, количество теплоты.)
2. Приведите их обозначения и единицы измерения.
№ 1 (37) январь 2014 г.
3. Каковы значения постоянной Авогадро и универсальной газовой постоянной?
4. Чем отличается использование молярной массы
при решении задач в физике и химии?
5. Как определяется количество вещества в химии? (Это коэффициенты в уравнениях химических
реакций.)
6. По каким формулам можно рассчитать количество вещества в физике?
7. Вспомним способы определения молярной массы сложных веществ на примере: Al2 (SO4 )3 .
(M = 27 ⋅ 2 + 3 (32 + 16 ⋅ 4) = 339
г
кг
= 339 ⋅ 10−3
).
моль
моль
8. Используя таблицу растворимости и таблицу
Д. И. Менделеева, выясните, существуют ли
данные вещества? Определите молярную массу
существующих веществ.
Na 2 SO4 ; Al(NO3 )3 ; Fe3 (PO4 )2 ; Fe2 (SiO3 )3 ;
Al2 (SO3 )3 ; K3 PO4 .
9. Какие фазовые переходы мы знаем? («Твёрдое
тело — жидкость», «жидкость — пар».)
10. При каких условиях происходят плавление
и парообразование веществ? (Требуется сообщить определённое количество теплоты.)
11. Как можно получить требуемое количество теплоты? (Сжиганием топлива.)
IV. ОБЪЯСНЕНИЕ НОВОЙ ТЕМЫ
У ч и т е л ь. Горение — это физико-химический
процесс, который происходит с выделением света
и тепла.
 Почему это химический процесс? (Происходят
взаимные превращения веществ.) Приведите примеры.
 Когда процесс называется физическим? (Наблюдаются физические явления.)
 Какие физические явления наблюдаются при
горении? (Тепловые и световые). А какие явления происходят, если взять гремучую смесь или
порох? (Звуковое.)
Как видим, для полного объяснения этого процесса требуются знания из двух предметных областей: физики и химии. На стыке наук возникают
новые. Например, физическая химия.
Физическая химия — наука об общих законах физики и химии. Она исследует химические явления
с помощью теоретических и экспериментальных
30
ФИЗИКА. ВСЁ ДЛЯ УЧИТЕЛЯ!
СОВРЕМЕННЫЙ УРОК
СОВРЕМЕННЫЙ УРОК
методов химии и физики. Начало физической химии было положено в середине XVIII века. Термин
«физическая химия» в современном понимании
методологии науки и вопросов теории познания
принадлежит М. В. Ломоносову, который в 1752 г.
впервые читал студентам Петербургского университета «Курс истинной физической химии». В преамбуле к этим лекциям он даёт такое определение:
«Физическая химия — наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить
причину того, что происходит через химические операции в сложных телах». В трудах по корпускулярнокинетической теории тепла учёный касается вопросов, в полной мере отвечающих вышеизложенным задачам и методам. Именно такой характер
носят и экспериментальные действия, служащие
подтверждению отдельных гипотез и положений
настоящей концепции. М. В. Ломоносов следовал
таким принципам во многих направлениях своих
исследований: в разработке и практической реализации основанной им же «науки о стекле», в различных опытах, посвящённых подтверждению
закона сохранения вещества и силы (движения);
в работах и экспериментах, имеющих отношение
к учению о растворах; он разработал обширную
программу исследований физико-химического феномена, находящуюся в процессе развития до настоящего времени.
Наш урок — это урок из области физической
химии. Но прежде хочу привести слова самого
М. В. Ломоносова о значении «огня», т. е. горения
в нашем представлении: «Огонь, который в умеренной
своей силе теплотой называется, присутствием и действием своим по всему свету столь широко распростирается, что нет ни единого места, где бы он не был, ибо
и в самых холодных, северных, близ полюса лежащих краях, среди зимы всегда оказывает себя лёгким способом.
Нет ни единого действия, которого бы основание ему
приписать не было должно, ибо от него все внутренние
движения тел, следовательно, и внешние происходят».
Удельная теплота сгорания топлива — это физическая величина, равная количеству теплоты, выделяющемуся при полном сгорании топлива массой 1 кг.
Обозначение — q .
Дж
МДж
Единица —
, или
.
кг
кг
Наша задача — познакомиться со способами получения значения удельной теплоты сгорания топлива.
1-й способ (лабораторный). Измерение удельной
теплоты сгорания топлива в физике или теплоты
сгорания вещества в химии проводят с помощью
специальных приборов, называемых калориметрами. Именно поэтому раньше теплоту измеряли
в калориях или килокалориях. Сейчас это устаревшая единица. Мы будем использовать джоули.
Издательская Группа «Основа»
31
№ 1 (37) январь 2014 г.
СОВРЕМЕННЫЙ УРОК
СОВРЕМЕННЫЙ УРОК
Запишем правила перевода этих единиц, так как
в некоторых справочниках теплоты сгорания попрежнему приводятся в кал или ккал:
1 кал = 4,19 Дж,
1 ккал = 4,19 кДж.
Сейчас это справочные данные для большинства
видов топлива. Но на практике часто складываются
ситуации, когда нужно решить какую-то практическую задачу, а справочных данных по удельной
теплоте сгорания данного топлива нет. Вот мы и познакомимся с химическими способами определения значений удельной теплоты сгорания на основе
химических знаний. Как отмечал М. В. Ломоносов:
«…сего исследования без химии предпринять отнюдь
невозможно, ибо кто больше знать может огня свойства, измерить его силу и отворить путь к потаённым
действ его причинам, как все свои предприятия огнём
производящая химия? Она, не употребляя обыкновенных
способов, в холодных телах внезапно огонь и в тёплых
великий холод производит».
2-й способ. О каких химических реакциях говорит М. В. Ломоносов в своём выступлении «Слово
о пользе химии, в публичном собрании Императорской Академии Наук сентября 6 дня 1751 года»?
Да, конечно, речь идёт об экзотермических и эндотермических реакциях.
Все реакции горения являются экзотермическими, так как происходят с выделением тепла. Энергия, выделяющаяся при сгорании 1 моля топлива,
называется тепловым эффектом реакции. Зная его,
можно найти и удельную теплоту сгорания топлива, достаточно сделать расчёт теплового эффекта
в химической реакции в пересчёте на 1 кг сжигаемого топлива.
Пример 1. Зная тепловой эффект реакции горения этана, равный 1559,84 кДж, найти удельную
теплоту сгорания этана.
Решение
Запишем уравнение реакции и расставим коэффициенты:
2С2 Н6 (г) + 7O2 = 4CO2 + 6H2 O .
Так как тепловой эффект соответствует 1 молю топлива, то уравнение реакции сокращаем на 2
и записываем в виде:
С2 Н6 (г) + 3,5O2 = 2CO2 + 3H2 O + 1559,84 кДж .
Находим молярную массу этана:
г
M = 2 ⋅ 12 + 6 ⋅ 1 = 30
,
моль
тогда масса вещества, вступившего в реакцию
с кислородом, будет равна m = M ν = 30 г .
Переводим 1 кг = 1000 г и составляем пропорцию:
30 г — 1559,84 кДж;
1000 г — Q;
№ 1 (37) январь 2014 г.
32
ФИЗИКА. ВСЁ ДЛЯ УЧИТЕЛЯ!
СОВРЕМЕННЫЙ УРОК
1559,84 ⋅ 1000
= 51 995 (кДж) = 52 (МДж).
30
Так как сгорел ровно 1 кг этана, то этот тепловой эффект и даёт значение q .
МДж
Ответ: q = 52
.
кг
Q=
3-й способ нахождения q более сложный, но
его приходится использовать в тех случаях, когда
тепловой эффект не задан явно. В этом случае мы
можем брать за основу решения задачи таблицу
значений «Теплота образования веществ». Тогда
задача будет разбиваться на два этапа:
1) определение теплового эффекта реакции;
2) расчёт удельной теплоты сгорания топлива.
Для определения теплового эффекта необходимо использовать закон Гесса, на основании которого
тепловой эффект находится через разность теплоты образования исходных веществ и продуктов реакции. Теплота образования простого вещества (в данном случае — кислорода) равна нулю.
Пример 2. Реакция горения этилового спирта
выражается уравнением:
С2 H5 OH (ж) + 3O2 (г) = 2CO2 (г) + 3H2 O (ж) .
Вычислите тепловой эффект реакции и удельную теплоту сгорания спирта, если известно, что
мольная теплота образования С2 H5 OH (ж) равна –277,67 кДж и известны теплоты образования
CO2 (г) и H2 O (ж) .
Решение
1. Для определения теплового эффекта Q реакции
необходимо использовать закон Гесса:
Q = −277,67 − [2 ( −393,51) + 3 ( −285,84)] =
= 1366,87 (кДж).
Мы познакомились с двумя способами нахождения интересующей нас величины.
Здесь уместно снова вспомнить слова М. В. Ломоносова: «Сия есть польза, которую физика от химии
почерпает».
V. ЗАКРЕПЛЕНИЕ ТЕМЫ
Теперь можно приступить к решению практических задач.
1. У полярников кончилась питьевая вода, и они
решили приготовить чай изо льда, который имеют
в неограниченном количестве. Они откололи кусок массой 2 кг. Температура окружающего воздуха — −40 °C . Все технические устройства работают
на дизельном топливе. Какая его масса потребуется
для приготовления чая?
2. Для ловли крупной рыбы требуется усовершенствовать рыболовные снасти. В частности, нужно изготовить большое грузило. Его делают, как
правило, из свинца, который является достаточно
легкоплавким металлом. Для этого можно взять
грузы от нескольких рыболовных наборов или пластины сухого разбитого кислотного аккумулятора. Какая масса газа пойдёт на плавление свинца,
если этот процесс мы будем производить в лёгкой
консервной банке на газовой горелке, считая, что
газовый баллон заправлен метаном, удельная теплота сгорания которого неизвестна. Анализируем
условие задачи. Какие ещё данные необходимы для
решения задачи? Как можно получить недостающие
данные? Взвешиваем свинец и измеряем температуру воздуха. Для расчётов возьмём температуру
окружающего воздуха +27 °C и массу свинца 50 г.
Массой банки можно пренебречь.
2. Расчёт по термохимическому уравнению с целью определения q .
⎛ г ⎞
μ(C2 H5 OH) = 2 ⋅ 12 + 5 ⋅ 1 + 16 + 1 = 46 ⎜
,
⎝ моль ⎟⎠
m = 46 г .
Составляем пропорцию:
46 г — 1366,87 кДж;
1000 г — Q;
Q=
ЛИТЕРАТУРА
1366,87 ⋅ 1000
= 29 715 (кДж) ≈ 30 (МДж) ,
46
тогда и q = 30
МДж
.
кг
Хочется отметить, что посчитанные значения
точнее значений, полученных опытным путём, где
имеются потери теплоты и чаще всего горение происходит в воздухе, т. е. значения могут не совпадать со справочными данными из таблицы «Удельная теплота сгорания».
Издательская Группа «Основа»
VI. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
 Решить задачу № 2.
 Подготовить сообщение «Принцип действия газовой сварки».
33
1. Глинка Н. И. Общая химия / Н. И. Глинка. — М. :
Химия, 1987.
2. История России для детей и взрослых / В. Соловьёв. — М. : Белый Город, 2003.
3. История России. Конец XVI — XVIII век / А. А. Данилов, Л. Г. Косулина. — М. : Просвещение, 2008.
4. Михайло Ломоносов / С. Перевезенцев. — М. : Белый Город, 2004.
5. Михайло Ломоносов. Избранная проза. — М. : Советская Россия, 1986.
6. Руссика. Школьная энциклопедия. История России 18–19 века. — М. : ОЛМА-ПРЕСС образование,
2003.
Интернет-ресурсы
1. http://www.hpono.info/biograf/lomonjs.html.
2. http://slovari/yandex.ru/.
3. http://www.pravaya.ru/ludi.
№ 1 (37) январь 2014 г.