Перейти к содержанию

Энергия топлива. Решение задач

Практика по формуле Q = qm: выбор неизвестной, преобразование единиц, расчёт энергии, массы и удельной теплоты сгорания, проверка ответа и корректное сравнение топлива.

Открыт · Презентация · Методичка

Конспект урока

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.

Образцы топлива и лабораторные весы

Все образцы показаны без горения. Задача урока — расчёт энергии и массы, а не проведение опыта с огнём.

Сначала прогноз

Для получения 9,2 МДж9{,}2\ \text{МДж} можно использовать сухие дрова с q=10 МДж/кгq=10\ \text{МДж/кг} или керосин с q=46 МДж/кгq=46\ \text{МДж/кг}.

До вычислений ответь:

  1. Какого топлива по массе потребуется меньше?
  2. Примерно во сколько раз?
  3. Можно ли только по этому ответу назвать топливо «лучшим»?

Запиши прогноз. К нему вернёмся после расчёта.

Что связывает формула

При полном сгорании топлива массой mm выделяется количество теплоты

Q=qm.Q=qm.

Здесь:

  • QQ — энергия конкретной порции топлива, единица Дж\text{Дж};
  • qq — удельная теплота сгорания, единица Дж/кг\text{Дж/кг};
  • mm — масса сгоревшего топлива, единица кг\text{кг}.

Из одной связи получаем три формы:

Q=qm,m=Qq,q=Qm.Q=qm,\qquad m=\frac{Q}{q},\qquad q=\frac{Q}{m}.

Не выбирай формулу по внешнему виду. Сначала назови неизвестную величину и её единицу.

Учебная таблица для задач

Четыре образца топлива для учебного сравнения

Значения ниже считаются данными задач. Массовые значения нельзя напрямую сравнивать с таблицей в МДж/м³.

Топливоqq, МДж/кг\text{МДж/кг}
Сухие дрова1010
Торф1515
Каменный уголь2727
Керосин4646

Например, q=27 МДж/кгq=27\ \text{МДж/кг} означает: при полном сгорании 1 кг1\ \text{кг} каменного угля по данным этой учебной таблицы выделяется 27 МДж27\ \text{МДж} энергии.

Маршрут решения

Маршрут от условия задачи к проверке ответа

  1. Дано и найти. Выпиши величины с единицами.
  2. Единицы. Приведи массу и энергию к согласованному виду.
  3. Связь. Выбери Q=qmQ=qm, m=Q/qm=Q/q или q=Q/mq=Q/m.
  4. Вычисление. Подставь числа вместе с единицами.
  5. Проверка. Проверь единицу, порядок величины и физический смысл.

Полезные переводы:

1 кг=1000 г,1 МДж=1000000 Дж.1\ \text{кг}=1000\ \text{г},\qquad 1\ \text{МДж}=1\,000\,000\ \text{Дж}.

Если qq записано в МДж/кг\text{МДж/кг}, удобно оставить энергию в МДж\text{МДж} и массу в кг\text{кг}. Главное — не смешивать граммы с килограммами.

Пример 1. Найти энергию

Сухие дрова массой 0,35 кг0{,}35\ \text{кг} имеют q=10 МДж/кгq=10\ \text{МДж/кг}. Найдём энергию полного сгорания.

Q=qm=10 МДжкг0,35 кг=3,5 МДж.Q=qm=10\ \frac{\text{МДж}}{\text{кг}}\cdot0{,}35\ \text{кг}=3{,}5\ \text{МДж}.

Проверка единицы:

МДжкгкг=МДж.\frac{\text{МДж}}{\text{кг}}\cdot\text{кг}=\text{МДж}.

Проверка смысла: масса меньше 1 кг1\ \text{кг}, поэтому энергия меньше 10 МДж10\ \text{МДж} — ответ правдоподобен.

Пример 2. Найти массу

Сколько керосина с q=46 МДж/кгq=46\ \text{МДж/кг} нужно для выделения 18,4 МДж18{,}4\ \text{МДж}?

Искомая величина — масса, поэтому

m=Qq=18,4 МДж46 МДж/кг=0,40 кг.m=\frac{Q}{q}=\frac{18{,}4\ \text{МДж}}{46\ \text{МДж/кг}}=0{,}40\ \text{кг}.

Единицы действительно дают массу:

МДж:МДжкг=кг.\text{МДж}:\frac{\text{МДж}}{\text{кг}}=\text{кг}.

Обратная проверка: 460,40=18,446\cdot0{,}40=18{,}4.

Пример 3. Определить удельную теплоту

Порция топлива массой 0,25 кг0{,}25\ \text{кг} при полном сгорании выделила 6,75 МДж6{,}75\ \text{МДж}. Найдём qq:

q=Qm=6,75 МДж0,25 кг=27 МДж/кг.q=\frac{Q}{m}=\frac{6{,}75\ \text{МДж}}{0{,}25\ \text{кг}}=27\ \text{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 МДжQ=9{,}2\ \text{МДж}:

mкер=9,246=0,20 кг,m_\text{кер}=\frac{9{,}2}{46}=0{,}20\ \text{кг}, mдров=9,210=0,92 кг.m_\text{дров}=\frac{9{,}2}{10}=0{,}92\ \text{кг}.

По массе керосина нужно в 4,64{,}6 раза меньше. Но отсюда нельзя сделать вывод «керосин всегда лучше»: qq не сообщает цену, состав выбросов, безопасность хранения, доступность или происхождение топлива.

Идеальная модель нагревания воды

Идеальная модель передачи энергии воде

Это модель, а не фотография опыта. В реальной установке часть энергии получают сосуд и окружающая среда.

Требуется нагреть 2,0 кг2{,}0\ \text{кг} воды на 50 C50\ ^\circ\text{C}. Для воды c=4200 Дж/(кгC)c=4200\ \text{Дж/(кг}\cdot{}^\circ\text{C)}, для топлива q=42 МДж/кгq=42\ \text{МДж/кг}.

Сначала найдём энергию воды:

Qводы=cmΔt=42002,050=420000 Дж=0,420 МДж.Q_\text{воды}=cm\Delta t=4200\cdot2{,}0\cdot50=420\,000\ \text{Дж}=0{,}420\ \text{МДж}.

Только в идеальной модели принимаем

Qтопл=Qводы.Q_\text{топл}=Q_\text{воды}.

Тогда

mтопл=0,42042=0,010 кг=10 г.m_\text{топл}=\frac{0{,}420}{42}=0{,}010\ \text{кг}=10\ \text{г}.

В реальной установке топлива потребуется больше, потому что вода — не единственный получатель энергии.

Выбор требует нескольких критериев

Тепловой пункт как контекст выбора топлива

Для инженерного или бытового решения сравнивают не только qq:

  • 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

ОшибкаКак исправить
Считают qq и QQ одной величинойqq — энергия на единицу массы, QQ — энергия порции.
Подставляют 250 г250\ \text{г} рядом с МДж/кг\text{МДж/кг}Сначала 250 г=0,250 кг250\ \text{г}=0{,}250\ \text{кг}.
Для массы пишут m=q/Qm=q/QПроверь единицу: правильная форма m=Q/qm=Q/q.
Получают массу и оставляют единицу МДж\text{МДж}После деления единица должна быть кг\text{кг}.
Большое qq объявляют экологическим рейтингомНужны данные о выбросах, происхождении, хранении и других критериях.
Равенство Qтопл=QводыQ_\text{топл}=Q_\text{воды} считают точным опытомЭто только допущение идеальной задачи.

Самостоятельная практика

A. Энергия. Торф массой 0,60 кг0{,}60\ \text{кг} имеет q=15 МДж/кгq=15\ \text{МДж/кг}. Найди QQ.

B. Масса. Сколько каменного угля с q=27 МДж/кгq=27\ \text{МДж/кг} нужно для получения 13,5 МДж13{,}5\ \text{МДж}?

C. Неизвестное топливо. 0,20 кг0{,}20\ \text{кг} топлива выделили 9,2 МДж9{,}2\ \text{МДж}. Найди qq и определи топливо по учебной таблице.

D. Смешанные единицы. Найди энергию полного сгорания 250 г250\ \text{г} каменного угля при q=27 МДж/кгq=27\ \text{МДж/кг}.

E. Сравнение. Для получения 30 МДж30\ \text{МДж} сравни массы торфа и каменного угля. Сформулируй вывод только о массе.

Проверь себя

  1. Чем отличаются qq и QQ?
  2. Почему m=Q/qm=Q/q, а не m=q/Qm=q/Q?
  3. Какие единицы удобно согласовать при qq в МДж/кг\text{МДж/кг}?
  4. Что означает ответ q=27 МДж/кгq=27\ \text{МДж/кг}?
  5. Почему большое qq не доказывает, что топливо экологичнее?
  6. 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

  1. qq характеризует энергию полного сгорания единицы массы топлива; QQ относится к конкретной порции.
  2. Потому что из Q=qmQ=qm следует m=Q/qm=Q/q; единицы МДж:(МДж/кг)\text{МДж}:(\text{МДж/кг}) дают кг\text{кг}.
  3. Энергию в МДж\text{МДж}, массу в кг\text{кг}; либо всё перевести в джоули и килограммы.
  4. При полном сгорании 1 кг1\ \text{кг} такого топлива по данным задачи выделяется 27 МДж27\ \text{МДж}.
  5. qq не содержит данных о составе выбросов, происхождении, доставке и безопасности.
  6. Часть энергии получают сосуд, воздух и другие тела.

A.

Q=150,60=9,0 МДж.Q=15\cdot0{,}60=9{,}0\ \text{МДж}.

B.

m=13,527=0,50 кг.m=\frac{13{,}5}{27}=0{,}50\ \text{кг}.

C.

q=9,20,20=46 МДж/кг.q=\frac{9{,}2}{0{,}20}=46\ \text{МДж/кг}.

По таблице — керосин.

D.

250 г=0,250 кг,Q=270,250=6,75 МДж.250\ \text{г}=0{,}250\ \text{кг},\qquad Q=27\cdot0{,}250=6{,}75\ \text{МДж}.

E.

mторф=3015=2,0 кг,mуголь=30271,1 кг.m_\text{торф}=\frac{30}{15}=2{,}0\ \text{кг},\qquad m_\text{уголь}=\frac{30}{27}\approx1{,}1\ \text{кг}.

Для этой энергии по данным задачи масса каменного угля меньше примерно на 0,9 кг0{,}9\ \text{кг}. Вывод касается только массы.

Короткий итог

  • Одна связь даёт три формы: Q=qmQ=qm, m=Q/qm=Q/q, q=Q/mq=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.

Материалы урока

Скачать и открыть

Учителю

2 материала

Презентация · для учителей

Презентация «Энергия топлива. Решение задач»

Практикум по Q = qm: маршрут решения, согласование единиц, прямые и обратные задачи, определение топлива по таблице, идеальная модель нагревания воды и проверка физического смысла.

Скачать PPTX

Методичка · для учителей

Поурочное планирование и опорная схема (РБ)

Решение задач по энергии топлива: три формы Q = qm, единицы, паспорт решения, разноуровневые задания, идеальная модель нагревания воды, ключи и формирующее оценивание.

Скачать DOCX

Поурочное планирование и опорная схема (РБ)

DOCX

Ученикам

1 материал

Комментарии

Войдите, чтобы оставлять комментарии.

Пока нет комментариев. Будьте первым!