При одинаковой потребности в энергии масса разных видов топлива может отличаться в несколько раз. Но сначала нужно решить физическую задачу без ловушек: понять, что известно, выбрать нужную форму формулы и согласовать единицы.

Все образцы показаны без горения. Задача урока — расчёт энергии и массы, а не проведение опыта с огнём.
Сначала прогноз
Для получения 9,2 МДж можно использовать сухие дрова с q=10 МДж/кг или керосин с q=46 МДж/кг.
До вычислений ответь:
- Какого топлива по массе потребуется меньше?
- Примерно во сколько раз?
- Можно ли только по этому ответу назвать топливо «лучшим»?
Запиши прогноз. К нему вернёмся после расчёта.
Что связывает формула
При полном сгорании топлива массой m выделяется количество теплоты
Q=qm.
Здесь:
- Q — энергия конкретной порции топлива, единица Дж;
- q — удельная теплота сгорания, единица Дж/кг;
- m — масса сгоревшего топлива, единица кг.
Из одной связи получаем три формы:
Q=qm,m=qQ,q=mQ.
Не выбирай формулу по внешнему виду. Сначала назови неизвестную величину и её единицу.
Учебная таблица для задач

Значения ниже считаются данными задач. Массовые значения нельзя напрямую сравнивать с таблицей в МДж/м³.
| Топливо | q, МДж/кг |
|---|
| Сухие дрова | 10 |
| Торф | 15 |
| Каменный уголь | 27 |
| Керосин | 46 |
Например, q=27 МДж/кг означает: при полном сгорании 1 кг каменного угля по данным этой учебной таблицы выделяется 27 МДж энергии.
Маршрут решения

- Дано и найти. Выпиши величины с единицами.
- Единицы. Приведи массу и энергию к согласованному виду.
- Связь. Выбери Q=qm, m=Q/q или q=Q/m.
- Вычисление. Подставь числа вместе с единицами.
- Проверка. Проверь единицу, порядок величины и физический смысл.
Полезные переводы:
1 кг=1000 г,1 МДж=1000000 Дж.
Если q записано в МДж/кг, удобно оставить энергию в МДж и массу в кг. Главное — не смешивать граммы с килограммами.
Пример 1. Найти энергию
Сухие дрова массой 0,35 кг имеют q=10 МДж/кг. Найдём энергию полного сгорания.
Q=qm=10 кгМДж⋅0,35 кг=3,5 МДж.
Проверка единицы:
кгМДж⋅кг=МДж.
Проверка смысла: масса меньше 1 кг, поэтому энергия меньше 10 МДж — ответ правдоподобен.
Пример 2. Найти массу
Сколько керосина с q=46 МДж/кг нужно для выделения 18,4 МДж?
Искомая величина — масса, поэтому
m=qQ=46 МДж/кг18,4 МДж=0,40 кг.
Единицы действительно дают массу:
МДж:кгМДж=кг.
Обратная проверка: 46⋅0,40=18,4.
Пример 3. Определить удельную теплоту
Порция топлива массой 0,25 кг при полном сгорании выделила 6,75 МДж. Найдём q:
q=mQ=0,25 кг6,75 МДж=27 МДж/кг.
По учебной таблице такому значению соответствует каменный уголь. Это вывод только в пределах данной таблицы и условий задачи.
Возвращаемся к прогнозу
Для Q=9,2 МДж:
mкер=469,2=0,20 кг,
mдров=109,2=0,92 кг.
По массе керосина нужно в 4,6 раза меньше. Но отсюда нельзя сделать вывод «керосин всегда лучше»: q не сообщает цену, состав выбросов, безопасность хранения, доступность или происхождение топлива.
Идеальная модель нагревания воды

Это модель, а не фотография опыта. В реальной установке часть энергии получают сосуд и окружающая среда.
Требуется нагреть 2,0 кг воды на 50 ∘C. Для воды c=4200 Дж/(кг⋅∘C), для топлива q=42 МДж/кг.
Сначала найдём энергию воды:
Qводы=cmΔt=4200⋅2,0⋅50=420000 Дж=0,420 МДж.
Только в идеальной модели принимаем
Qтопл=Qводы.
Тогда
mтопл=420,420=0,010 кг=10 г.
В реальной установке топлива потребуется больше, потому что вода — не единственный получатель энергии.
Выбор требует нескольких критериев

Для инженерного или бытового решения сравнивают не только q:
- нужную массу или объём топлива;
- цену и доступность;
- выбросы и влияние полного жизненного цикла;
- условия хранения и доставки;
- безопасность оборудования;
- возможность уменьшить потери тепла.
Физический расчёт отвечает на конкретный вопрос. Он не заменяет остальные данные.
Частые ошибки
| Ошибка | Как исправить |
|---|
| Считают q и Q одной величиной | q — энергия на единицу массы, Q — энергия порции. |
| Подставляют 250 г рядом с МДж/кг | Сначала 250 г=0,250 кг. |
| Для массы пишут m=q/Q | Проверь единицу: правильная форма m=Q/q. |
| Получают массу и оставляют единицу МДж | После деления единица должна быть кг. |
| Большое q объявляют экологическим рейтингом | Нужны данные о выбросах, происхождении, хранении и других критериях. |
| Равенство Qтопл=Qводы считают точным опытом | Это только допущение идеальной задачи. |
Самостоятельная практика
A. Энергия. Торф массой 0,60 кг имеет q=15 МДж/кг. Найди Q.
B. Масса. Сколько каменного угля с q=27 МДж/кг нужно для получения 13,5 МДж?
C. Неизвестное топливо. 0,20 кг топлива выделили 9,2 МДж. Найди q и определи топливо по учебной таблице.
D. Смешанные единицы. Найди энергию полного сгорания 250 г каменного угля при q=27 МДж/кг.
E. Сравнение. Для получения 30 МДж сравни массы торфа и каменного угля. Сформулируй вывод только о массе.
Проверь себя
- Чем отличаются q и Q?
- Почему m=Q/q, а не m=q/Q?
- Какие единицы удобно согласовать при q в МДж/кг?
- Что означает ответ q=27 МДж/кг?
- Почему большое q не доказывает, что топливо экологичнее?
- Почему в реальной задаче на нагрев воды топлива нужно больше, чем в идеальной модели?
Сначала реши задания и ответь самостоятельно. Затем сверяйся с ключами.
Ответы
- q характеризует энергию полного сгорания единицы массы топлива; Q относится к конкретной порции.
- Потому что из Q=qm следует m=Q/q; единицы МДж:(МДж/кг) дают кг.
- Энергию в МДж, массу в кг; либо всё перевести в джоули и килограммы.
- При полном сгорании 1 кг такого топлива по данным задачи выделяется 27 МДж.
- q не содержит данных о составе выбросов, происхождении, доставке и безопасности.
- Часть энергии получают сосуд, воздух и другие тела.
A.
Q=15⋅0,60=9,0 МДж.
B.
m=2713,5=0,50 кг.
C.
q=0,209,2=46 МДж/кг.
По таблице — керосин.
D.
250 г=0,250 кг,Q=27⋅0,250=6,75 МДж.
E.
mторф=1530=2,0 кг,mуголь=2730≈1,1 кг.
Для этой энергии по данным задачи масса каменного угля меньше примерно на 0,9 кг. Вывод касается только массы.
Короткий итог
- Одна связь даёт три формы: Q=qm, m=Q/q, q=Q/m.
- До подстановки нужно согласовать единицы, особенно граммы и килограммы.
- Ответ проверяют по единице, порядку величины и физическому смыслу.
- Равенство энергии топлива и энергии воды допустимо только как оговорённая идеальная модель.
- Удельная теплота сгорания важна для выбора топлива, но не является универсальным рейтингом цены, безопасности или экологичности.
Комментарии
Войдите, чтобы оставлять комментарии.
Пока нет комментариев. Будьте первым!