Удельная теплота сгорания каменного угля: значение, таблица и задачи

Удельная теплота сгорания каменного угля в школьном учебнике — 2,7·10⁷ Дж/кг. Это значит, что при полном сгорании одного килограмма угля выделяется 27 миллионов джоулей теплоты. Разберём, откуда берётся эта цифра, чем она отличается от теплоты реального угля из мешка и как решать типовые задачи.

Что такое удельная теплота сгорания

Удельная теплота сгорания показывает, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании одного килограмма топлива. Обозначается буквой q, измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Чтобы найти теплоту для любой массы угля, удельную теплоту умножают на массу: Q = q · m. Отсюда же обратные формулы: масса m = Q / q и удельная теплота q = Q / m.

Чему равна удельная теплота сгорания каменного угля

В учебнике физики для каменного угля дают q = 2,7·10⁷ Дж/кг, или 27 МДж/кг. Это значение подставляют в задачи, если в условии не сказано другое. Для антрацита — самого старого и плотного угля — в той же таблице 3,0·10⁷ Дж/кг. Ниже — значения для других видов топлива, чтобы было с чем сравнить.

Удельная теплота сгорания топлива, значения из школьного учебника
Топливоq, Дж/кгq, МДж/кг
Дрова сухие1,0·10⁷10
Торф1,4·10⁷14
Каменный уголь2,7·10⁷27
Антрацит3,0·10⁷30
Древесный уголь3,4·10⁷34
Природный газ4,4·10⁷44
Бензин, керосин4,6·10⁷46

Почему у реального угля другие цифры

Значение из учебника — округлённое среднее. У настоящего угля теплота сгорания зависит от марки, влажности и зольности: вода и негорючая зола занимают часть массы, но тепла не дают. Поэтому в паспорте угля для котла пишут низшую теплоту сгорания рабочего топлива — то, что реально выделяется в топке из угля с его влажностью и золой.

Высшая теплота сгорания больше низшей: она учитывает тепло, которое выделяется, когда водяной пар из дыма конденсируется. В печи и котле пар уходит в трубу, поэтому для отопления считают по низшей.

Низшая теплота сгорания угля по видам и маркам, ориентировочно
УгольМДж/кгкВт·ч/кгккал/кг
Бурый10-⁠162,8-⁠4,42400-⁠3800
Каменный длиннопламенный (Д, ДПК, ДКО, ДО)21-⁠256-⁠75000-⁠6000
Антрацитдо 29до 8до 6900

Как переводить единицы

1 МДж = 10⁶ Дж, 1 кВт·ч = 3,6 МДж, 1 ккал ≈ 4,19 кДж. Значит, 2,7·10⁷ Дж/кг из учебника — это 27 МДж, 7,5 кВт·ч или около 6450 ккал на килограмм. Тонна такого угля при полном сгорании дала бы 2,7·10¹⁰ Дж — 27 гигаджоулей.

Температура горения каменного угля

Удельную теплоту сгорания не путают с температурой горения. Каменный уголь в топке с хорошим поддувом даёт 1100-⁠1300 °C — заметно жарче дров. Поэтому уголь жгут только в печах и котлах с чугунными колосниками и огнеупорной топкой: в печи, сложенной под дрова, он перегревает кладку.

Задача 1: сколько теплоты выделится

Условие: какое количество теплоты выделится при полном сгорании 10 кг каменного угля? Удельная теплота сгорания каменного угля — 2,7·10⁷ Дж/кг.

Решение: Q = q · m = 2,7·10⁷ Дж/кг · 10 кг = 2,7·10⁸ Дж. Ответ: 2,7·10⁸ Дж, или 270 МДж.

Задача 2: какова масса сгоревшего угля

Условие: при полном сгорании каменного угля выделилось 8,1·10⁷ Дж теплоты. Какова масса сгоревшего угля?

Решение: m = Q / q = 8,1·10⁷ Дж / 2,7·10⁷ Дж/кг = 3 кг. Ответ: 3 кг.

Задача 3: определите удельную теплоту сгорания

Условие: при полном сгорании 2 кг угля выделилось 5,4·10⁷ Дж теплоты. Определите удельную теплоту сгорания этого угля.

Решение: q = Q / m = 5,4·10⁷ Дж / 2 кг = 2,7·10⁷ Дж/кг. Ответ: 2,7·10⁷ Дж/кг — это каменный уголь.

Задача 4: сколько угля нужно, чтобы нагреть воду

Условие: какую массу каменного угля нужно сжечь, чтобы нагреть 200 кг воды от 15 до 65 °C, если на нагрев воды идёт 50% теплоты? Удельная теплоёмкость воды — 4200 Дж/(кг·°C).

Решение: теплота на нагрев воды Q₁ = c · m · Δt = 4200 · 200 · 50 = 4,2·10⁷ Дж. С учётом КПД уголь должен выделить Q = Q₁ / 0,5 = 8,4·10⁷ Дж. Масса угля: m = Q / q = 8,4·10⁷ / 2,7·10⁷ ≈ 3,1 кг. Ответ: около 3,1 кг.

Задача 5: уголь или дрова

Условие: сколько килограммов сухих дров заменяет 1 кг каменного угля? Удельная теплота сгорания дров — 1,0·10⁷ Дж/кг.

Решение: 2,7·10⁷ / 1,0·10⁷ = 2,7. Ответ: 2,7 кг дров. На практике разница меньше — в полтора-два раза: уголь марки Д даёт 6-⁠7 кВт·ч с килограмма, сухие дрова — около 4.

Как это пригодится дома

Для отопления формулу Q = q · m берут с реальной теплотой угля и умножают на КПД котла. Килограмм длиннопламенного угля даёт 6-⁠7 кВт·ч, котёл с КПД 70% передаст в дом около 4,5. С тонны выходит примерно 4500 кВт·ч тепла в дом, поэтому дому 100 м² за отопительный сезон нужно 4-⁠6 тонн угля.

Какой уголь выбрать для котла и печи и чем марки отличаются друг от друга, мы разобрали в статье «Какой уголь лучше для отопления дома».

Каменный уголь в мешках и навалом — с доставкой по Екатеринбургу →

Читайте также

Частые вопросы

Чему равна удельная теплота сгорания каменного угля?

По учебнику физики — 2,7·10⁷ Дж/кг (27 МДж/кг). Реальный длиннопламенный уголь марки Д — 21-⁠25 МДж/кг.

Какая удельная теплота сгорания антрацита?

В учебнике — 3,0·10⁷ Дж/кг. Реальный антрацит даёт до 29 МДж/кг, около 8 кВт·ч с килограмма.

Как найти количество теплоты при сгорании угля?

По формуле Q = q · m: удельную теплоту сгорания умножить на массу угля.

Сколько это в килокалориях?

27 МДж/кг — около 6450 ккал/кг. Длиннопламенный уголь из мешка — 5000-⁠6000 ккал/кг.

Что больше — теплота сгорания угля или дров?

У каменного угля: 2,7·10⁷ Дж/кг против 1,0·10⁷ у сухих дров по учебнику, на практике — в полтора-два раза больше.