Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Древесина - одно из первых видов топлива, используемых людьми . [1]

Топливо представляет собой любой материал , который может быть сделан , чтобы вступать в реакцию с другими веществами , так что она высвобождает энергию в виде тепловой энергии или для использования в работе . Первоначально эта концепция применялась исключительно к тем материалам, которые способны выделять химическую энергию, но с тех пор применялась и к другим источникам тепловой энергии, таким как ядерная энергия (посредством ядерного деления и ядерного синтеза ).

Тепловая энергия, выделяемая при реакции топлива, преобразуется в механическую энергию с помощью теплового двигателя . В других случаях само тепло ценится для тепла, приготовления пищи или промышленных процессов, а также для освещения, возникающего при горении . Топлива также используются в клетках в организмах в процессе , известном как клеточное дыхание , где органические молекулы окисляются , чтобы освободить полезную энергию. Углеводороды и родственные кислородсодержащие молекулы на сегодняшний день являются наиболее распространенным источником топлива, используемого людьми, но используются и другие вещества, включая радиоактивные металлы.

Топливо контрастирует с другими веществами или устройствами, хранящими потенциальную энергию, такими как те, которые непосредственно выделяют электрическую энергию (например, батареи и конденсаторы ) или механическую энергию (например, маховики , пружины, сжатый воздух или воду в резервуаре).


Винаяк Пандей

История [ править ]

Самое старое топливо - древесина

Первым известным использованием топлива было сжигание дров или прутьев Homo erectus почти два миллиона лет назад. [2] [ необходима страница ] На протяжении большей части истории человечества люди использовали только топливо, полученное из растений или животных жиров. Древесный уголь , производное древесины, использовался как минимум с 6000 г. до н.э. для плавления металлов. Его вытеснили только коксом , полученным из угля, когда европейские леса начали истощаться примерно в 18 веке. Брикеты из древесного угля теперь широко используются в качестве топлива для приготовления барбекю . [3]

Сырая нефть была дистиллированный по персидским химикам , с четкими описаниями , приведенных в арабских справочниках , такие как те , о Мухаммад ибн Закария Рази . [4] Он описал процесс перегонки сырой нефти / нефти в керосин , а также другие углеводородные соединения в своей книге « Китаб аль-Асрар» ( Книга секретов ). Керосин также производился в тот же период из горючего сланца и битума путем нагревания породы для извлечения нефти, которая затем подвергалась дистилляции. Рази также дал первое описание керосиновой лампы, использующей неочищенное минеральное масло, назвав ее «наффатах». [5]

Улицы Багдада были вымощены смолой , полученной из нефти, которая стала доступной с природных полей в регионе. В 9 веке нефтяные месторождения разрабатывались в районе современного Баку , Азербайджан . Эти поля были описаны арабским географом Абу аль-Хасаном Али аль-Масуди в 10 веке и Марко Поло в 13 веке, который описал добычу из этих колодцев как сотни кораблей. [6]

Благодаря энергии в виде химической энергии, которая могла быть высвобождена при сгорании , [7] но концепция парового двигателя в Соединенном Королевстве в 1769 году, уголь стал более широко использоваться в качестве источника энергии. Позднее уголь использовался для управления кораблями и локомотивами . К 19 веку газ, добытый из угля, использовался для уличного освещения в Лондоне . В 20-м и 21-м веках уголь в основном используется для выработки электроэнергии , обеспечивая 40% мирового энергоснабжения в 2005 г. [8]

Ископаемые виды топлива были быстро приняты во время промышленной революции, поскольку они были более концентрированными и гибкими, чем традиционные источники энергии, такие как гидроэнергетика. Они стали стержневой частью нашего современного общества, поскольку большинство стран мира сжигают ископаемое топливо для производства энергии.

В настоящее время наблюдается тенденция к использованию возобновляемых видов топлива, таких как биотопливо, например, спирт.

Химическая [ править ]

Химическое топливо - это вещества, которые выделяют энергию, вступая в реакцию с веществами вокруг себя, особенно в процессе горения . Большая часть химической энергии, выделяющейся при сгорании, накапливается не в химических связях топлива, а в слабой двойной связи молекулярного кислорода. [9]

Химические топлива делятся на два типа. Во-первых, по их физическим свойствам, как твердое тело, жидкость или газ. Во-вторых, по причине их возникновения: первичные (природное топливо) и вторичные (искусственное топливо) . Таким образом, общая классификация химического топлива:

Твердое топливо [ править ]

Уголь - важное твердое топливо

Твердое топливо относится к различным типам твердых материалов, которые используются в качестве топлива для производства энергии и обеспечения тепла , обычно выделяемого при сгорании . К твердому топливу относятся древесина , древесный уголь , торф , уголь , гексаминовые топливные таблетки и пеллеты, сделанные из древесины (см. Древесные гранулы ), кукурузы , пшеницы , ржи и других зерновых . В ракетной технологии на твердом топливе также используется твердое топливо (см. Твердое топливо). Человечество уже много лет использует твердое топливо для разжигания огня . Уголь был источником топлива, который сделал возможным промышленную революцию , от топочных печей до работы паровых двигателей . Дерево также широко использовалось для запуска паровозов . И торф, и уголь все еще используются в производстве электроэнергии сегодня. Использование некоторых видов твердого топлива (например, угля) ограничено или запрещено в некоторых городских районах из-за небезопасных уровней токсичных выбросов. Использование других видов твердого топлива в качестве древесины сокращается по мере того, как отопительные технологии улучшаются, а доступность топлива хорошего качества увеличивается. В некоторых регионах бездымный уголь часто является единственным твердым топливом. В Ирландии торфбрикеты используются как бездымное топливо. Их также используют для разжигания угольного огня.

Жидкое топливо [ править ]

Автозаправочная станция

Жидкое топливо - это горючие или генерирующие энергию молекулы, которые можно использовать для создания механической энергии , обычно производящей кинетическую энергию . Они также должны принимать форму своего сосуда; Воспламеняются пары жидкого топлива, а не жидкости.

Большинство широко используемых жидких видов топлива получают из окаменелых останков мертвых растений и животных в результате воздействия тепла и давления внутри земной коры. Однако есть несколько типов, например водородное топливо (для использования в автомобилях ), этанол , реактивное топливо и биодизельное топливо , которые относятся к категории жидких видов топлива. Эмульгированные топлива нефти в воде, такие как или эмульсия , были разработаны как способ сделать фракции тяжелой нефти пригодными для использования в качестве жидкого топлива. Многие виды жидкого топлива играют первостепенную роль в транспорте и экономике.

Некоторые общие свойства жидкого топлива заключаются в том, что его легко транспортировать и с ним легко обращаться. Они также относительно просты в использовании для всех инженерных приложений и домашнего использования. В некоторых странах топливо, такое как керосин , нормируется, например, в субсидируемых государством магазинах Индии для домашнего использования.

Обычное дизельное топливо похоже на бензин в том смысле, что оно представляет собой смесь алифатических углеводородов, извлеченных из нефти . Керосин используется в керосиновых лампах и в качестве топлива для приготовления пищи, отопления и небольших двигателей. Природный газ , состоящий в основном из метана , может существовать в жидком виде только при очень низких температурах (независимо от давления), что ограничивает его прямое использование в качестве жидкого топлива в большинстве приложений. Сжиженный нефтяной газ представляет собой смесь пропана и бутана , которые легко сжимаются при стандартных атмосферных условиях. Он предлагает множество преимуществсжатый природный газ (CNG), но он плотнее воздуха, горит не так чисто и намного легче сжимается. Сжиженный нефтяной газ и сжатый пропан, обычно используемые для приготовления пищи и отопления помещений, все чаще используются в моторизованных транспортных средствах. Пропан - третье по популярности моторное топливо в мире.

Топливный газ [ править ]

Пропановый баллон на 20 фунтов ( 9,1 кг )

Топливный газ - это любое из ряда видов топлива, которые при обычных условиях являются газообразными . Многие топливные газы состоят из углеводородов (таких как метан или пропан ), водорода , окиси углерода или их смесей. Такие газы являются источниками потенциальной тепловой или световой энергии, которая может легко передаваться и распределяться по трубам от точки происхождения непосредственно к месту потребления. Топливный газ отличается от жидкого топлива и от твердого топлива , хотя некоторые топливные газы являются сжиженными.для хранения или транспортировки. Хотя их газообразная природа может быть полезной, поскольку позволяет избежать трудностей с транспортировкой твердого топлива и опасностей утечки, присущих жидкому топливу, это также может быть опасно. Топливный газ может остаться незамеченным и скопиться в определенных местах, что приведет к риску взрыва газа . По этой причине к большинству топливных газов добавляют одоранты , чтобы их можно было обнаружить по отчетливому запаху. В настоящее время наиболее распространенным видом топливного газа является природный газ .

Биотопливо [ править ]

Биотопливо можно в широком смысле определить как твердое, жидкое или газовое топливо, состоящее из биомассы или полученное из нее . Биомассу также можно использовать непосредственно для отопления или получения энергии, известной как топливо из биомассы . Биотопливо можно производить из любого источника углерода, который можно быстро восполнить, например, из растений. Для производства биотоплива используется множество различных растений и растительных материалов.

Возможно, самое раннее топливо, используемое людьми, - это древесина. Свидетельства показывают, что управляемый огонь использовался до 1,5 миллиона лет назад в Сварткрансе , Южная Африка. Неизвестно, какой вид гоминидов первым применил огонь, так как на этих участках присутствовали и австралопитек, и один из первых видов Homo . [10] В качестве топлива древесина использовалась до настоящего времени, хотя для многих целей она была заменена другими источниками. Древесина имеет плотность энергии 10–20 МДж / кг . [11]

Недавно было разработано биотопливо для использования в автомобильном транспорте (например, биоэтанол и биодизель ), но широко распространены общественные дебаты о том, насколько эти виды топлива являются углеродоэффективными.

Ископаемое топливо [ править ]

Добыча нефти

Ископаемое топливо - это углеводороды , в первую очередь уголь и нефть ( жидкая нефть или природный газ ), образованные из окаменелых останков древних растений и животных [12] под воздействием высокой температуры и давления в отсутствие кислорода в земной коре более сотен миллионов. лет. [13] Обычно термин ископаемое топливо также включает углеводородсодержащие природные ресурсы , которые не полностью получены из биологических источников, таких как битуминозные пески . Эти последние источники правильно известны как минеральное топливо .

Ископаемое топливо содержит высокий процент углерода и включает уголь , нефть и природный газ . [14] Они варьируются от летучих веществ с низким соотношением углерода : водорода , таких как метан , до жидкой нефти и нелетучих материалов, состоящих из почти чистого углерода, таких как антрацитовый уголь. Метан может быть обнаружен в месторождениях углеводородов отдельно, в связке с нефтью или в форме клатратов метана . Ископаемое топливо, образованное из окаменелых останков мертвых растений [12]под воздействием тепла и давления в земной коре в течение миллионов лет. [15] Эта биогенная теория была впервые представлена ​​немецким ученым Георгом Агриколой в 1556 году, а затем Михаилом Ломоносовым в 18 веке.

По оценке Управления энергетической информации , в 2007 году первичные источники энергии состояли из нефти 36,0%, угля 27,4%, природного газа 23,0%, что составляло 86,4% доли ископаемого топлива в мировом потреблении первичной энергии . [16] Неископаемые источники в 2006 г. включали гидроэлектроэнергетику 6,3%, атомную энергию 8,5% и другие ( геотермальные , солнечные , приливные , ветровые , древесные , отходы ), составляющие 0,9%. [17] Мировое потребление энергии росло примерно на 2,3% в год.

Ископаемые виды топлива являются невозобновляемыми ресурсами, потому что на их формирование уходят миллионы лет, а запасы истощаются намного быстрее, чем создаются новые. Поэтому мы должны беречь это топливо и разумно использовать его. Производство и использование ископаемого топлива вызывает экологические проблемы. Поэтому глобальное движение к производству возобновляемой энергии идет полным ходом, чтобы помочь удовлетворить растущие потребности в энергии. При сжигании ископаемого топлива образуется около 21,3 миллиарда тонн (21,3 гигатонн ) диоксида углерода (CO 2) в год, но, по оценкам, естественные процессы могут поглотить только половину этого количества, поэтому чистое увеличение атмосферного углекислого газа составляет 10,65 миллиарда тонн в год (одна тонна атмосферного углерода эквивалентна 44/12 или 3,7 тонн диоксида углерода). [18] Двуокись углерода - один из парниковых газов, который усиливает радиационное воздействие и способствует глобальному потеплению , вызывая в ответ повышение средней температуры поверхности Земли, что, по мнению большинства климатологов , вызовет серьезные неблагоприятные последствия . Топливо - это источник энергии.

Энергия [ править ]

Количество энергии от различных видов топлива зависит от стехиометрического соотношения , химически правильного соотношения воздуха и топлива, обеспечивающего полное сгорание топлива, и его удельной энергии , энергии на единицу массы.

1  MJ ≈ 0,28  кВт · ч ≈ 0,37  HPh .

Ядерная [ править ]

Топливные пучки CANDU Два топливных пучка CANDU («CANada Deuterium Uranium»), каждая примерно 50  см в длину и 10  см в диаметре.

Ядерное топливо - это любой материал, который используется для получения ядерной энергии . С технической точки зрения, вся материя может быть ядерным топливом, потому что любой элемент при правильных условиях будет выделять ядерную энергию [ сомнительно ], но материалы, обычно называемые ядерным топливом, - это те материалы, которые будут производить энергию, не подвергаясь чрезвычайному принуждению. Ядерное топливо - это материал, который можно «сжечь» путем ядерного деления или синтеза для получения ядерной энергии . Ядерное топливо может относиться к самому топливу или к физическим объектам (например, пучкам, состоящим из топливных стержней) состоящий из топливного материала, смешанного со структурными, замедляющими нейтроны или отражающими нейтроны материалами.

Большинство видов ядерного топлива содержат тяжелые делящиеся элементы, способные к ядерному делению. Когда это топливо поражается нейтронами, оно, в свою очередь, способно испускать нейтроны при распаде. Это делает возможной самоподдерживающуюся цепную реакцию, которая высвобождает энергию с контролируемой скоростью в ядерном реакторе или с очень быстрой неконтролируемой скоростью в ядерном оружии .

Наиболее распространенными делящимися ядерными топливами являются уран-235 ( 235 U) и плутоний-239 ( 239 Pu). Действия по добыче, переработке, очистке, использованию и, в конечном итоге, утилизации ядерного топлива вместе составляют ядерный топливный цикл . Не все виды ядерного топлива создают энергию из ядерного деления. Плутоний-238 и некоторые другие элементы используются для производства небольших количеств ядерной энергии путем радиоактивного распада в радиоизотопных термоэлектрических генераторах и других типах атомных батарей . Также легкие нуклиды, такие как тритий ( 3H) можно использовать в качестве топлива для ядерного синтеза . Ядерное топливо имеет самую высокую плотность энергии из всех возможных источников топлива.

Деление [ править ]

Таблетки ядерного топлива используются для высвобождения ядерной энергии

Наиболее распространенный тип ядерного топлива, используемого людьми, - это тяжелые делящиеся элементы, которые можно заставить подвергаться ядерным цепным реакциям деления в ядерном реакторе деления ; ядерное топливо может относиться к материалу или физическим объектам (например, пучкам тепловыделяющих элементов, состоящим из тепловыделяющих стержней ), состоящим из топливного материала, возможно, смешанному со структурными материалами, замедляющими нейтроны или отражающими нейтроны материалами. Наиболее распространенным делящимся ядерным топливом является 235 U и 239 Pu , и действия по добыче, переработке, очистке, использованию и, в конечном итоге, утилизации этих элементов вместе составляютядерный топливный цикл , который важен ввиду его актуальности для ядерной энергетики и ядерного оружия .

Fusion [ править ]

Топливо, которое производит энергию в процессе ядерного синтеза , в настоящее время не используется людьми, но является основным источником топлива для звезд . Термоядерное топливо, как правило, состоит из легких элементов, таких как водород, которые легко соединяются. Энергия требуется для начала термоядерного синтеза за счет повышения температуры до такой степени, что все материалы превратятся в плазму, и позволят ядрам столкнуться и слипнуться друг с другом, прежде чем оттолкнуться из-за электрического заряда. Этот процесс называется синтезом, и он может выделять энергию.

В звездах, в которых происходит ядерный синтез, топливо состоит из атомных ядер, которые могут выделять энергию за счет поглощения протона или нейтрона . В большинстве звезд топливом является водород, который может образовывать гелий в результате протон-протонной цепной реакции или цикла CNO . Когда водородное топливо исчерпано, ядерный синтез может продолжаться с постепенно более тяжелыми элементами, хотя чистая высвобождаемая энергия ниже из-за меньшей разницы в энергии связи ядер. Когда - то железо-56 или никель-56Ядра образуются, дальнейшая энергия не может быть получена с помощью ядерного синтеза, поскольку они имеют самые высокие энергии связи ядер. Затем элементы расходуют энергию вместо того, чтобы выделять энергию при слиянии. Поэтому термоядерный синтез прекращается, и звезда умирает. В попытках людей синтез осуществляется только с водородом (изотоп 2 и 3) с образованием гелия-4, поскольку эта реакция дает наибольшую чистую энергию. Наиболее популярными методами являются электрическое удержание ( ИТЭР ), инерционное удержание (нагрев лазером) и нагрев сильными электрическими токами. . [19]

Жидкое топливо для транспорта [ править ]

Большинство видов топлива для транспортных средств является жидким, поскольку для транспортных средств обычно требуется высокая плотность энергии . Это происходит естественным образом в жидкостях и твердых телах. Высокая плотность энергии также может быть обеспечена двигателем внутреннего сгорания . Эти двигатели требуют экологически чистого топлива. Топливо, которое легче всего сжечь чисто, обычно представляет собой жидкости и газы. Таким образом, жидкости удовлетворяют требованиям как энергоемкости, так и экологически чистого горения. Кроме того, жидкости (и газы) можно перекачивать, что означает, что манипулирование ими легко механизируется и, следовательно, менее трудоемко.

См. Также [ править ]

  • Спиртовое топливо
  • Альтернативные виды топлива
  • Аммиак
  • Аккумулятор (электричество)
  • Топливо на битумной основе
  • Биотопливо
  • Сжатый природный газ
  • Криогенное топливо
  • Эмульгированное топливо
  • Топливная карта
  • Топливная ячейка
  • Топливный бак
  • Системы управления топливом
  • Горючее
  • Топливная бедность
  • Автозаправочная станция
  • Водородная экономика
  • Водородное топливо
  • Гиперголическое топливо
  • Жидкое топливо
  • Список энергетических тем
  • Управление судовым топливом
  • Пропеллент
  • Переработанное топливо
  • Твердое топливо
  • Мировые энергоресурсы и потребление

Сноски [ править ]

  1. ^ Шоберт, Гарольд (2013). Химия ископаемого топлива и биотоплива . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0521114004.
  2. ^ Лики, Ричард (1994). Происхождение человечества . Основные книги . ISBN 978-0-465-03135-1.
  3. ^ Холл, Лоретта (2007). «Угольный брикет» . Как производятся продукты . Проверено 1 октября 2007 года .
  4. ^ Forbes, Роберт Джеймс (1958). Исследования по ранней истории нефти . Brill Publishers . п. 149.
  5. ^ Bilkadi, Зайн. «Нефтяное оружие». Saudi Aramco World . 46 (1): 20–27.
  6. ^ Салим Аль-Хассани (2008). «1000 лет пропавшей истории промышленности». В Эмилии Кальво Лабарта; Mercè Comes Maymo; Розер Пуч Агилар; Mònica Rius Pinies (ред.). Общее наследие: исламская наука Востока и Запада . Edicions Universitat Barcelona . С. 57–82 [63]. ISBN 978-84-475-3285-8.
  7. ^  Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из публикации, которая сейчас находится в общественном достоянии :  Chisholm, Hugh, ed. (1911). « Топливо ». Encyclopdia Britannica . 11 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 274–286.
  8. ^ «История использования угля» . Мировой институт угля. Архивировано из оригинала 7 октября 2006 года . Проверено 10 августа 2006 года .
  9. ^ Шмидт-Рор, K (2015). «Почему процессы сгорания всегда экзотермичны, давая около 418 кДж на моль O 2 » . J. Chem. Educ . 92 (12): 2094–2099. Bibcode : 2015JChEd..92.2094S . DOI : 10.1021 / acs.jchemed.5b00333 .
  10. Ринкон, Пол (22 марта 2004 г.). «Кости намекают на первое применение огня» . BBC News . Проверено 11 сентября 2007 года .
  11. ^ Elert, Гленн (2007). «Химическая потенциальная энергия» . Гипертекст по физике . Проверено 11 сентября 2007 года .
  12. ^ а б Доктор Ирен Новачек. «Зависимость Канады от ископаемого топлива» . Элементы . Проверено 18 января 2007 года .
  13. ^ «Ископаемое топливо» . EPA . Архивировано из оригинала 12 марта 2007 года . Проверено 18 января 2007 .
  14. ^ «Ископаемое топливо» . Архивировано из оригинального 10 мая 2012 года .
  15. ^ «Ископаемое топливо» . EPA. Архивировано из оригинала 12 марта 2007 года . Проверено 18 января 2007 года .
  16. ^ "Международная энергетическая статистика EIA США" . Архивировано из оригинального 28 апреля 2013 года . Проверено 12 января 2010 года .
  17. ^ "International Energy Annual 2006" . Архивировано из оригинала 5 февраля 2009 года . Проверено 8 февраля 2009 года .
  18. ^ «Министерство энергетики США по парниковым газам» . Проверено 9 сентября 2007 года .
  19. ^ Fewell, МП (1995). «Атомный нуклид с самой высокой средней энергией связи». Американский журнал физики . 63 (7): 653–658. Bibcode : 1995AmJPh..63..653F . DOI : 10.1119 / 1.17828 .

Ссылки [ править ]

  • Рэтклифф, Брайан; и другие. (2000). Химия 1 . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-78778-9.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • «Директива 1999/94 / EC Европейского парламента и совета от 13 декабря 1999 г., касающаяся доступности информации для потребителей по экономии топлива и выбросам CO2 в отношении маркетинга новых легковых автомобилей» (PDF) . (140 КБ) .
  • Директива Совета 80/1268 / EEC Расход топлива автотранспортными средствами .