Отын жанғанда бөлініп шығатын энергияны қалай түсіндіруге болады? 2. Органикалық отындарға қандай отындар жатады? Олар қалай пай M да болған? Сутек органикалық отынға жата ма? Олардың ішкі энер гияларының түпкі көздері не? 3. Отынның меншікті жану жылуы деп қандай шаманы айтады? Ол немен өлшенеді? 4. Отынның жылу мөлшері қандай формуламен анықталады? Қай отын жылуды көп мөлшерде бере алады? 5. Оттек отынға жата ма? Оның рөлі қандай? 1. 200 г спирт және 15 кг ағаш көмірі жанғанда әрқайсысынан қанша жылу бөлініп шығады? 2. Массасы 2,5 т мұнай және көлемі 2 л, тығыздығы 800 кг/м³ керосин жанғанда әрқайсысынан қанша жылу бөлініп шығады? 3. Құрғақ ағашты жаққанда 50 000 кДж энергия бөлінеді. Жанған отын- ның массасы қанша?

Төмендегі жауаптар отындар бойынша сұрақтар мен есептерді түсіндіреді. Бәрін қысқаша түсінікті түрде беремін. 1) Отты жанғанда бөлініп шығатын энергияны қалай түсіндіруге болады? - Негізгі идея: отын молекуласының химиялық энергиясы (молекулалардағы химиялық байланыстардың энергиясы) оттегімен реакцияға түсіп, қосылғыштар түзілсе, байланыстар үзіледі және жаңа, күштірек байланыстар түзіледі. Сонда жүйе потенциалдық энергиясын төмендетеді және артық энергия жылу түрінде бөлініп шығарады. - Қысқаша: химиялық байланыстардың үзілуі мен түзілуінің энергия айырмашылығы жылу көрсеткіші ретінде бөлінеді. - Энтальпия ұғымы: бөлінетін жылуға тұрақты қысымда (мысалы, атмосферада) әсер ететін жылу Q = ΔH. Қарапайым тілмен айтқанда, отынның жану жылуы – реакцияның энтальпия айырмасы. - Есептеу тәсілі: Q = Σ(ішкі энергия өзгерісі) = энергиясы көп бөлшектердің байланысы үзіліп, түзілуі арқылы пайда болады. Оны есептеу үшін стандартты күйдегі химиялық қосылыстардың өрнектерін пайдаланып ΔHf(өнімдер) − ΣΔHf(реагенттер) формуласын қолданылады немесе практикада жану жылуын (ентальпиялық жану жылуы) қолдануға болады. 2) Органикалық отындарға қандай отындар жатады? Олар қалай пайдаланылады? Сутек органикалық отынға жата ма? Олардың ішкі энергияларының түпкі көздері не? - Органикалық отындарға көп үлгі жатады: көмір, ағаш, мұнай және мұнай өнімдері (газойл, бензин, керосин және т.б.), табиғи газ (CH4), этанол сияқты отындар, пропан-бутан фракциялар, т.б. Бұл отындар негізінен көміртек (C) және сутек (H) атомдарынан тұрады. - Түсінік: органикалық отындар көбіне көміртек және сутек химиялық байланыстарының энергиясын сақтап, оттегімен реакцияға түсіп CO2 және H2O түзе отырып жылу бөледі. - Сутек органикалық отынға жата ма? Химиялық тұрғыдан қарағанда, сутек таза күйінде мұндай “органикалық” дара зат ретінде жиі қаралмайды, себебі органиканың анықтамасы негізінен көміртек пен сутек атомдарынан тұратын қосылыстарға қатысты. Бірақ сутек өзінің отын ретінде кеңінен қолданылады (қатты, сұйық немесе газ түрінде), әсіресе сығылмайтын газ ретінде. Жанған кезде су түзеді және көп жылу береді. Сондықтан сутек отын ретінде қарағанда, оны органикалық отындардың қатарында кейде оқытушылардың белгілеуі мүмкін, бірақ таза H2 көп жағдайда орг. қосылыстарға жатпауы мүмкін. - Олардан шығатын ішкі энергияның түпкі көздері: бейне баяндау бойынша энергия химиялық байланыстардағы электрондар деңгейінде сақталған және электр меіи энергиясының нәтижесінде пайда болады. Ең негізгі көз – фотосинтез арқылы өсімдікке күн энергиясының сақталуы (органикалық отындар түзіледі). Яғни қазіргі отындардың энергиясы бұрынғы күн сәулесінің өсімдіктер арқылы химиялық байланыстарға айналуының нәтижесі. - Қысқаша: органикалық отындар химиялық энергияны сақтайды; оның түпкі көзі — химиялық байланыстардың энергиясы, ал ұзақ мерзімді ұдайы энергия көзі – фотосинтез арқылы күн энергиясының сақталуы. 3) Отынның меншікті жану жылуы деп қандай шаманы айтады? Ол немен өлшенеді? - Меншікті жану жылуы – белгілі массаны қайсыбір отынды толық жандырғанда бөлінетін жылу мөлшері. Өлшем бірлігі: кДж немесе MJ әр кг массаға (кайсы бірлікті қолданса да болады): q = Q/m, яғни килоджоуль/килограмм (kJ/kg немесе MJ/kg). - Бұл көрсеткіш әдетте ішкі жану энергиясының өлшемі ретінде «жылу мөлшері» (heating value) ретінде есептеледі. Салқындатыла отырып, HHV (Higher Heating Value, жоғары қызу мәні) немесе LHV (Lower Heating Value, төмен қызу мәні) түрінде беріледі. HHV-ге су буының конденсациясыдағы жылу да кіреді, LHV-де су буының конденсациясы жылуы есептен шығарылған. - Өлшеу тәсілі: боксы калориметрінде Burg Bomb Calorimeter (бомбалық калориметр) сияқты құралдарымен өлшеу жүргізіледі. Отынды толық жандыру кезінде бөлінген жылу прибордың ішкі суының температурасын өзгерту арқылы есепке алынады. 4) Отынның жылу мөлшері қандай формуламен анықталады? Қай отын жылуды көп мөлшерде бере алады? - Негізгі формула: Q = m × q, мұнда - Q – бөлінген жалпы жылу (kJ), - m – жанған отынның массасы (kg), - q – меншікті жану жылуы (kJ/kg) (әр кг-қа бөлінетін жылу, HHV немесе LHV ретінде беріледі). - Кейбір жағдайларда көлем арқылы да есептеледі: Q = V × ρ × q, мұнда V – көлем (м3), ρ – тығыздық (kg/m3), q – массалық меншікті жану жылуы. - Қай отын көп жылу береді? Жалпы, массу бойынша көп жылуды көбіне сутегі (H2) береді (практикалық 120–142 MJ/kg деңгейінде HHV/LHV аралығында). Екіншіден жанармайлар мен көміртектің көп мөлшері бар органикалық отындар да оның арасында жоғары энергия береді (құрамы мен күйіне байланысты). Массасы бірдей болса, сутегі көп жылу беруі ықтимал; бірақ отынның таңдауы қалдықтардың санына, отынды сақтау/тасымалдауға байланысты факторларға да тәуелді. 5) Оттек отынға жата ма? Оның рөлі қандай? - Оттек отынға жатпайды; ол отынды жағуға қажетті агент болып табылады. Оттегі – оксидатормен (oxidizer) әрекеттесіп реакцияны тездетеді және экзотермиялық жылудың бөлінуін қамтамасыз етеді. - Рөлдері: - Реакция теңдеуінде отынмен бірге оттегі көмегімен CO2 және H2O түзе отырып жылу бөлінеді. - Ауадағы оттегінің жеткілікті мөлшері болса ғана толық жану жүреді; жеткіліксіз болса жағу процесі толық емес болып, жылу аз бөлінеді. - Кейбір жағдайларда жылу температура жоғарылайды (өрт) – бұл оттегі көп мөлшерде қатысқанда болады. Ехабтер (есептер) 1) 200 г спирт және 15 кг ағаш көмірі жанғанда қандай жылу бөлінеді? - Спирттің (этанол, C2H5OH) жану жылуы бойынша шамамен: - Етanolдың стандартты жану жылуы: ≈ 1366–1368 kJ/mol. - Молекулалық масса: М(C2H5OH) ≈ 46.07 g/mol. - Меншікті жану жылуы q ≈ 1367 kJ/mol ÷ 46.07 g/mol ≈ 29.6 kJ/g = 29.6 MJ/kg. - 200 g ⇒ Q ≈ 0.200 kg × 29.6 MJ/kg ≈ 5.92 MJ. - Ағаш көмірінің (көмірдің графиттенген күйі, негізінен көміртек) жануы: - C + O2 → CO2, ΔHc ≈ -393.5 kJ/mol. - Молекула массасы C ≈ 12.01 g/mol ⇒ q ≈ 393.5 kJ ÷ 12.01 g ≈ 32.7 kJ/g = 32.7 MJ/kg. - 15 кг ⇒ Q ≈ 15,000 g × 32.7 kJ/g ≈ 490,500 kJ ≈ 490.5 MJ. - Нәтиже (жіберілген жылу, оң мән – бөлінген жылу): - Спирт: ~5.9 MJ - Ағаш көмірі: ~491 MJ 2) Массасы 2,5 т мұнай және көлемі 2 л, тығыздығы 800 кг/м3 керосин жанғанда қанша жылу бөлініп шығады? - Мұнайдың жылуы: мұнайдың құрамы әртүрлі болғандықтан орташа меншікті жану жылуы ~42–44 MJ/kg (LHV/HHV-ге байланысты айырма болуы мүмкін; мектеп есепінде 42 MJ/kg қабылдауға болады). - Массасы: 2,5 т = 2500 kg - Жылу: Q_mұнай ≈ 2500 kg × 42 MJ/kg = 105,000 MJ ≈ 105 GJ - Керосиннің массасы: - Тұтқырлық: ρ = 800 kg/m3 ⇒ 0.8 kg/L - Көлемі: 2 L ⇒ масса m = 2 × 0.8 = 1.6 kg - Керосиннің жану жылуы шамамен 43–46 MJ/kg; орташа мәнді алып үлгілі есептеу үшін 43 MJ/kg қолданайық: - Q_керосин ≈ 1.6 kg × 43 MJ/kg ≈ 68.8 MJ - Нәтиже: - Мұнай: ~105,000 MJ - Керосин: ~69 MJ 3) Құрғақ ағашты жаққанда 50 000 кДж энергия бөлінеді. Жанған отынның массасы қанша? - Құрғақ ағаштың орта есеп бойынша жану жылуы (LHV/HQV) шамамен 18–21 MJ/kg ауытқиды. Мысалы, 20 MJ/kg деп алсақ: - q ≈ 20,000 kJ/kg - m = Q / q = 50,000 kJ ÷ 20,000 kJ/kg = 2.5 kg - Демек, шамамен 2.5 кг құрғақ ағаш керек. Егер сіз басқа мәндерді (мысалы, 18–21 MJ/kg) қолдансаңыз, нәтижеде 2.4–2.8 кг диапазонын аласыз. Қысқаша түйін - Отында энергия химиялық байланыстардың энергиясы болып табылады; энергия мөлшері Q = m × q формуласы арқылы есептеледі. - Органикалық отындарға қызымет ететін типтер: көміртек пен сутек атомдарынан тұратын заттар; сутек бөлек отын ретінде қолданылады, бірақ классикалық түрде органикалық қосылыстарға жату-кейде оқытуға байланысты айтылады. - Оттегі – отынның энергиялық өнімін бөлуге қажетті оксидатор; отынның өздігінен энергия беруі оттегінің қатысуымен жүзеге асады. - Есептерде жиі: этанолдың жану жылуы ≈ 29.6 MJ/kg, ағаш көмірінің ~32.7 MJ/kg энергиясына сүйендік; мұнайдың жалпы жылу мөлшері ~42 MJ/kg (керосин ~43 MJ/kg) деп қабылданады. Қажет болса, басқа отын түрлерінің нақты кубоктар бойынша (HHV/LHV) нақты мәндерін немесе басқа есептерді де қосып түсіндіре аламын.