Лабораторная работа № 1

Определение теплоты сгорания твердого топлива определение теплоты сгорания твердого топлива

ТЕРМОМЕТР

Для определения подъема температуры в калориметрических опытах применяются ртутно-стеклянные калориметрические или метастатические термометры.

Метастатические термометры является термометрами переменного наполнения. Они могут служить для измерения температур, измеряемых ртутными стеклянными термометрами (от -30до -200 С).

Шкала метастатического термометра имеет длину около 25см и разделена 5°.причем каждый градус в свою очередь разделен на сотые доли. К верхнему концу капилляра припаян запасной резервуар, имеющий вид петли. Этот резервуар служит для переливания в него части ртути из основного резервуара термометра. Чем выше область температур, в которой нужно проводить измерения, тем больше ртути нужно перелить из основного резервуара термометра в запасной.

Следовательно, метастатический термометр не имеет постоянной шкалы и может служить лишь для измерения разности температур. Переливание ртути из основного резервуара в запасной производится следующим образом: термометр погружают в воду имеющую температуру несколько большую верхнего предела температур, подлежащих измерению. При этом ртуть поднимается по капилляру и часть ее попадает в запасной резервуар. В верхней части запасного резервуара ртуть будет удерживаться вследствие сил сцепления. Быстро вынув термометр из воды, слегка ударяют пальцем по верхней части его, вследствие чего излишек ртути, находящийся в запасном резервуаре, оторвется и останется в нем, а ртуть, находящаяся в капилляре, с охлаждением термометра будет стекать в основной резервуар. По мере охлаждения термометра в его основном резервуаре теперь будет находиться меньший объем ртути. Когда же термометр установлен в области температур, лежащих выше, чем температуры, подлежащие измерению, то поступают следующим образом: нагревают термометр настолько, чтобы часть ртути поступила из капилляра в запасной резервуар, быстро поворачивают термометр запасным резервуаром вниз так, чтобы ртуть в запасном резервуаре соединилась с каплей ртути, висящей в верхней части опасного резервуара. Затем снова медленно и осторожно поворачивают термометр в нормальное положение и держат его наклонно так, чтобы запасной резервуар находился выше основного. При этом ртуть, увлекаемая силами сцепления, будет уходить из запасного резервуара в капилляр и основной резервуар.

У большинства метастатических термометров запасные резервуары снабжены вспомогательной шкалой, по которой можно наблюдать количество ртути, переходящей в основной резервуар термометра.

После того, как нужное количество ртути перейдет из запасного резервуара термометра, легким постукиванием по верхней части термометра вызывают разрыв ртути на месте входа капилляра в запасной резервуар.

Пресс ддя брикетирования

Твердое топливо (порошкообразное) сжигают в виде брикета, который получается после сдавливания порошка на винтовом прессе.

Прессы для брикетирования топлива состоят из двух стальных стоек (1),станины, установленных на массивной чугунной плите (2), имеющей по углам четыре отверстия для привинчивания пресса к рабочему столу. Между стойками станины находятся две планки: верхняя планка –замок (3) –стальная, имеет отверстие для матрицы, нижняя пластинка –подставка (4) –стальная, подвижная, откидная, надеваемая на стойку пресса, имеет радиальный паз (канавку) для помещения запальной проволоки от прессуемого брикета.

На подставку ставится матрица (5), представляющая собой толстостенный цилиндр. В матрицу вкладывается два вкладыша-зажима: верхний (6) и нижний (7), имеющих отверстие для проволочки. Вверху стойки станины скреплены чугунным хомутом (8) при помощи шайбы и гаек (9).

Хомут имеет отверстие с резьбой, в котором помещен стальной винт (10), имеющий вверху двуплечный рычаг (11).Внизу к винту при помощи гайки (12) подсоединен пуассон (13).

Брикет топлива изготовляют следующим образом. Нижний вкладыш вставляют в матрицу вогнутой поверхностью вверх. Матрицу устанавливают на место и засыпают в нее нужное количество тонкоизмельченного топлива. Если зажигание брикета производится при помощи проволочки, то предварительно вставляют ее в прорезь вкладыша. Проволока при этом образует петлю над вкладышем. После помещения топлива в матрицу в нее вставляют пуассон ввинчиванием винта. Завинчивание производят до желаемой степени уплотнения брикета. Для того, чтобы вынуть брикет из пресса, сначала поднимают пуассон, затем убирают нижний вкладыш и вращением винта выдавливают готовый брикет.

Калориметрическая бомба

Самоуплотняющаяся калориметрическая бомба состоит из следующих частей: крышки 1,зажимного кольца с накаткой 2,стакана 3.металлического кольца 4и резинового кольца 5.При помощи этих пяти деталей осуществляется принцип самоуплотнения.

При повышении давления в бомбе крышка 1поднимается вверх и прижимает резиновое кольцо 5к металлическому кольцу 4и к зажимному кольцу 2.Резиновое кольцо, деформируясь, плотно прилегает к стенкам стакана и крышки, чем создается надежная герметизация, которая будет тем эффективнее, чем больше давление внутри бомбы.

Входной клапан, служащий для наполнения бомбы кислородом, основан также на принципе самоуплотнения.

Он состоит из штуцера 6,хлорвиниловой прокладки 7,закрепленной в цилиндрическом клапане 9. Выходной клапан также размещен на крышке бомбы, состоит из штуцера, на который надевается штепсельная колодка. 10и гайки 11. Если гайка находится в крайнем верхнем положении –клапан закрыт, для выпуска газов после окончания сжигания топлива гайку нужно завинтить.

В крышке бомбы расположен второй штуцер 12для надевания штепсельной колодки. От штуцера 12отходит токоведущий штифт 13. Второй токоведущий штифт 14отходит от впускного клапана.

Пользование бомбой

Подготовленный брикет топлива весом приблизительно 1г с помощью запальной проволочки прикрепляется к токоведущим штифтам 13и 14. Крышка, бомбы вставляется в стакан, надеваются резиновое и металлическое кольца, завинчивается зажимное кольцо. Для заполнения бомбы кислородом отвинчивается клапан 6, выходной клапан при этом закрыт (находится в крайнем верхнем положении).

Бомба через входной клапан подсоединяется к редуктору кислородного баллона и заполняется кислородом. Давление газа в бомбе должно составлять 30кг/см².

Готовая к проведению опыта бомба помещается в калориметр.

Методика определения теплоты сгорания твердого топлива

Теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, выделившееся при полном, сгорании, единицы веса топлива. Теплота сгорания, в большинстве стран выражается в малых калориях на грамм топлива (кал/г) или в больших калориях (килокалориях) на один килограмм топлива (ккал/кг).

Под калорией понимается то количество теплоты, которое необходимо для нагревания одного грамма воды от 19,5 до 20,5°С.

Определение теплоты сгорания топлива в калориметре состоит в том, что навеску топлива помещают в калориметрическую бомбу, наполняют последнюю кислородом до давления 25-30кг/см², погружают бомбу в калориметрический сосуд с водой и зажигают навеску при помощи электрического тока. В атмосфере сжатого кислорода процесс горения протекает полностью ив течение короткого промежутка времени. Навеска топлива, находясь в избытке кислорода, сгорает доCO₂и Н₂О и, если есть азот и сера, доN₂О₅иSО₂, которые с водой дают азотную и серную кислоты.

Измеряя температуру в калориметрическом сосуде перед сжиганием навески и по окончании опыта, находят подъем температуры в калориметре и вычисляют количество теплоты, выделенное при сгорании, Теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, не передается полностью только воде,находящейся в калориметре, а расходуется также на повышение температуры бомбы, термометра, мешалки и др. частей калориметра.

Поэтому для определения теплоты сгорания топлива надо также знать количество тепла, идущее на нагревание всей калориметрической системы, – это так называемыйводный эквивалент калориметра.

Несмотря на то, что калориметрический сосуд защищен оболочкой, он отдает окружающей среде некоторое количество теплоты или получает от нее. Это обстоятельство вызывает необходимость введения поправки на теплообмен. Поправку на теплообмен вычисляют из данных калориметрического опыта по одной из нижеприведенных формул.

При вычислении теплоты сгорания топлива необходимо ввести еще поправки на тепловой эффект побочных реакций.

Различают теплоту сгорания по бомбе, теплоту сгорания высшую и теплоту сгорания низшую.

Теплота сгорания по бомбе Q_бесть количество тепла, выделенное при сгорании одного грамма топлива в сжатом кислороде в калориметрической бомбе при условии, когда водяные пары, образующиеся из влаги топлива и от сгорания водорода, содержащегося в топливе, конденсируются при конечной температуре опыта в жидкую воду. Теплоту сгорания высшуюQ_ввычисляют путем введения в полученное значение теплоты сгорания по бомбе поправки на кислотообразование.

Теплоту сгорания низшую,Q_нвычисляют путем введения в полученное значение теплоты сгорания по бомбе поправки на теплоту парообразования т.е. поправки на количество тепла, выделяющегося в бомбе при конденсации водяного пара. Теплоту сгорания низшую вычисляют по формуле:

, где

Q_в- теплота сгорания высшая исследуемого топлива, кал/г

6 -скрытая теплота парообразования на 0,01г (1%)

9 -коэффициент пересчета содержания водорода в воде;

H -содержание водорода в испытуемом топливе в процентах, определяемое экспериментально путем проведения специальных опытов;

w -влажность топлива в процентах.

Для правильного определения теплоты сгорания топлива необходимо соблюдать ряд требований как в выборе и подготовке помещения, аппаратуры и материалов, так и в проведении самого калориметрического опыта.

ПРОВЕДЕНИЕ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОГО ОПЫТА

Подготовка навески.

Многие сорта твердого топлива хорошо сгорают только в брикетированном виде. Навеска топлива должна быть рассчитана так, чтобы подъем температуры во время опыта был не менее двух и не более трех градусов, что обычно соответствует навеске 0,8 - 1,4г в зависимости от теплоты сгорания топлива, размера бомбы и количества воды в калориметрическом сосуде.

Отвесив без особой точности такое количество топлива, которое приблизительно на 0,1г превышает намеченный вес брикета, ссыпают его в матрицу пресса для брикетирования и сильно пересуют. Готовый брикет очищают от приставших частиц несбрикетированного топлива шпателем или постукиванием о гладкую чистую фарфоровую или стеклянную, пластинку. Брикет взвешивают на аналитических весах с точностью до 0.1мг.

К проведению калориметрического опыта приступают через 5-10минут после установки бомбы в калориметрический сосуд. За это время произойдет выравнивание температуры всех частей калориметрической системы. О выравнивании температуры судят по ходу температуры путем нескольких отсчетов, производимых через каждые 30секунд с точностью до 0,001°. Калориметрический опыт разделяется на три периода:

Начальный,предшествующий зажиганию и служащий для наблюдения и учета теплообмена калориметрической системы с окружающей средой в условиях начальной температуры опыта.

Главный,в течение которого происходит сгорание навески и выравнивание температуры всех частей калориметрической установки.

Конечный,который следует за главным и служит для тех же целей, что и начальный, т.е. для наблюдения и учета теплообмена калориметра с окружающей средой, но в условиях конечной температуры опыта.

Убедившись в том, что изменение температуры в калориметре происходит равномерно, приступают к проведению калориметрического опыта.

Отсчеты показаний термометра производят через каждые 30секунд.

Если будет обнаружен неровный ход температуры, указывающий на то, что еще не произошел теплообмен, то произведенные отсчеты отбрасывают и начинают их снова. После десятого отсчетаначального периода замыкают ток в цепи зажигания. Этим заканчивается начальный период и начинается главный.

За первый полуминутный промежуток главного, периода повышение температуры будет незначительное вследствие того, что выделившаяся при горении навески теплота еще не успела передаться воде калориметра, нагреть ее и термометр.

Следующие 1-2полуминутных промежутка являются периодами максимальной скорости подъема температуры, начиная с 3-4промежутка скорость подъема температуры становится меньше.

Точность отсчетов температуры в главном периоде принимают следующую:

при росте температуры за полминуты, более чем на 0,5° - 0.1;

при росте температуры за полминуты от 0.1до 0.5° - 0.6°;

при росте температуры за полминуты менее 0,1 - 0,001°.

Главный период считают законченным тогда, когда вновь наступает ровный ход температуры, обусловленный лишь теплообменом калориметра с окружающей средой.

Если температура окружающей среды будет меньше, чем температура калориметра, то в конечном периоде будет идти равномерный подъем температуры.

Продолжительность главного периода обычно бывает 6-9минут (12- 18 отсчетов). В конечном периодеследует продолжать отсчет температур, записывать отсчеты через каждые полминуты. Берут одиннадцать отсчетов, считая за первый последний отсчет главного периода.

После окончания опыта бомбу ставят на стол, отвинчивают колпачок выпускного клапана и медленно, в течение 2-3минут выпускают газообразные продукты горения.

ВВЕДЕНИЕ ПОПРАВОК

Для вычисления результатов калориметрического опыта вводятся следующие поправки:

1.поправка к показаниям термометра.

2.поправки на теплообмен с окружающей средой.

3.поправка на теплоту горения проволочки.

Если условия проведения калориметрического опыта мало отличались tтех условий, в которых проводилось определение водного эквивалента калориметра, то поправки к показаниям термометра не вводятся. В противном случае вводятся две поправки:

1) поправка на калибр;

2) поправка на значение градуса.

Поправка на теплообмен

Одним из основных источников ошибок при измерении подъема температуры во время калориметрического опыта является теплообмен калориметра с окружающей средой. Процесс передачи тепла в калориметре от бомбы жидкости всегда требует довольно продолжительного времени. За это 1ремя также происходит теплообмен калориметра с окружающей средой. Вследствие этого теплообмена наблюдаемая конечная температура калориметрической жидкости не является действительно конечной температурой опыта. Поэтому всегда надо брать t_k+t, гдеt– поправка на теплообмен.

Величина поправки на теплообмен от испарения калориметрической жидкости от конвекционного потока, от окружающей калориметр среды и от излучения в окружающую среду.

Теплоизлучение по закону охлаждения НЬЮТОНА пропорционально разности температур калориметра и окружающей среды.

Существует несколько формул для вычисления поправки на теплообмен, но наиболее распространена формула профессора А.Н. Щукарева:

,

где v₀ –среднее полуминутное изменение температуры калориметра в начальном периоде, наблюдаемом в течение 5минут до зажигания навески, т.е. разность между первым нулевым отсчетом и десятым отсчетом, деленная на десять;

v_k –среднее полуминутное изменение температуры калориметра в конечном периоде;

n–число полуминутных промежутков главного периода, т.е. с момента зажигания навески до начала конечного периода;

m –число полуминутных промежутков главного периода с быстрым (более 0,3° за полминуты) подъемом температуры. Первый полуминутный промежуток (если в нем подъем даже и меньше 0,3°)также следует относить к главному периоду;

r–число остальных промежутков главного периода.

В некоторых случаях бывает затруднительно определить конец главного периода и начало конечного. В этом случае лучше всего вычислить поправку два раза (для обоих возможных случаев) и взять среднее арифметическое из полученных величин.

В некоторых топливных лабораториях для вычисления поправки на теплообмен применяется следующая формула:

,где все обозначения те же, что и в формуле Щукарева.

Обе эти формулы представляют собой одно и то же, и одна из другой может быть выведена алгебраически.

Наиболее точной формулой для определения поправки на теплообмен является формула Ренье-Усова:

n– число полуминутных промежутков главного периода;

v₀– среднее изменение температуры за один полуминутный промежуток начального периода по шкале термометра;

v_k– то же за конечный период;

Q₀ – средняя температура калориметра за начальный период;

Q_k– средняя температура калориметра за конечный период;

t₀– конечная температура начального периода /она же начальная главного периода по шкале термометра;

t_k– конечная температура главного периода /она же начальная конечного периода

– сумма температур калориметра, отсчитанных за каждые полминуты главного периода, за исключением последнего отсчета по шкале термометра

Эта формула сложна для вычисления, но ею можно пользоваться для выполнения научно-исследовательских работ.

Теплоту, полученную калориметром, обозначают знаком плюс, теплоту, теряемую им, –знаком минус. Поправки будут иметь обратный знак.

Для того чтобы получить правильный знак поправки при вычислении и,надо брать алгебраическую разность, вычитая из первого отсчета соответствующего периода последний отсчет этого периода.

Поправка на теплоту сжигания запала

Сжигание навески топлива в бомбе, наполненной сжатым кислородом, производится пропусканием тока по тонкой проволочке, которая, накаляясь, воспламеняет топливо и сгорает сама. Количество тепла, выделяющееся при сгорании проволочки, увеличивает тепловой аффект и должно быть учтено.

Применяются железные, никелевые или медные проволочки. Принимается следующая теплота сгорания этих материалов (Q₁):

для железной проволочки - 1600кал/г,

для никелевой -"- - 775кал/г,

для медной -"- - 600кал/г.

Определение водного эквивалента калориметра

Водным значением (водным эквивалентом) калориметра называется весовое (в граммах) количество воды, имеющее теплоемкость, равную (эквивалентную) теплоемкости калориметра, т.е. системы, состоящей из калориметрического сосуда, находящейся в нем воды, калориметрической бомбы с ее содержимым и погруженных в воду частей мешалки и термометра.

Так как для повышения температуры 1г воды на 1°требуется 1кал, а количество тепла, необходимое для нагревания тела пропорционально массе этого тела, то водный эквивалент численно равен количеству калорий теплоты, необходимой для повышения температуры калориметрической системы наl°С.

В качестве единого стандартного метода определения водного эквивалента утвержден метод сжигания в бомбе калориметра бензойной кислоты.

Теплота сгорания 1г бензойной кислоты при взвешивании ее в воздухе латунными разновесами равна 6329калорий.

Определение водного эквивалента калориметра должно производиться в тех же условиях, что и определение теплоты сгорания топлива. Водное значение определяется заново каждый раз, когда изменяются условия опыта.

Определение водного эквивалента калориметра методом сжигания бензойной кислоты производится следующим образом: бензойная кислота хорошо сгорает – только в брикетированном виде. Перед употреблением она должна быть высушена в эксикаторе над серной кислотой. Навеска бензойной кислоты должна быть рассчитана так, чтобы подъем температур во время опыта был не менее двух и не более трех градусов, что обычно соответствует навеске 0,8 - 1,2г (в зависимости от размера бомбы и количества воды в калориметрическом сосуде). По данным калориметрического опыта водное значение (эквивалент) калориметраКвычисляют по формуле:

6329 –теплота горения эталонной бензойной кислоты в кал/г;

g– навеска бензойной кислоты в г;

Q₁– теплота горения запальной проволочки в кал/г;

q₁– вес запальной проволочки в г;

t_k– конечная температура главного периода по шкале термометра;

t₀– начальная температура главного периода;

t– поправка на теплообмен калориметра с окружающей средой в градусах.

Определение теплоты сгорания твердого топлива

Калориметрические опыты по сжиганию испытуемого топлива производят в тех же условиях, в каких производилось определение водного эквивалента калориметра.

В зависимости от теплоты сгорания навески берутся от 0,8до 1.5г с таким расчетом, чтобы подъем температуры был примерно таким же, как в опыте по определению водного эквивалента калориметра.

Вычисление теплоты сгорания по данным опыта

Вычисление теплоты сгорания из результатов калориметрического опыта производится по формуле:

Q_v– теплота сгорания по бомбе;

K– водное значение (эквивалент) калориметра в граммах;

Q₁– теплота сгорания запальной проволочки в г;

q₁ – вес запальной проволочки;

t_k– конечная температура главного периода;

t₀– начальная температура опыта;

t– поправка на теплообмен калориметра с окружающей средой;

a– навеска анализируемого топлива в г.

16

1

2

15

3

14

4

13

5

12

6

11

7

10

8

9