Войти
Древесина - одно из первых видов топлива, используемых людьми. 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 реакциях топлива, может быть преобразована в механическую энергию с помощью теплового двигателя. В других случаях само тепло ценится для тепла, приготовления пищи или промышленных процессов, а также для освещения, сопровождающего горение. Топлива также используются в клетках в организмах в процессе, известном как клеточное дыхание, где органические молекулы окисляются, чтобы освободить полезную энергию. Углеводороды и родственные органические молекулы 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).
Самое старое топливо - древесина Первым известным видом топлива было сжигание дров или прутьев человеком прямоходящим почти два миллиона лет назад. На протяжении большей части истории человечества люди использовали только топливо, полученное из растений или животного жира. 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 сейчас широко используются в качестве топлива для приготовления барбекю.
Сырая нефть была дистиллированный по персидским химикам, с четкими описаниями, приведенных в арабских справочниках, такие как те, о Мухаммад ибн Закария Рази. 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».
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.
Благодаря энергии в виде химической энергии, которая могла быть высвобождена при сгорании, но в результате разработки концепции парового двигателя в Соединенном Королевстве в 1769 году уголь стал более широко использоваться в качестве источника энергии. Позже 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 году.
Ископаемые виды топлива были быстро приняты во время промышленной революции, потому что 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, но теряют популярность из-за глобального потепления и связанных с ним эффектов, вызванных их сжиганием.
В настоящее время наблюдается тенденция к использованию возобновляемых видов топлива, таких как биотопливо, например, спирт.
Химическое топливо - это вещества, которые выделяют энергию, вступая в реакцию с веществами вокруг себя, в первую очередь в процессе горения. Большая часть химической энергии, выделяющейся при сгорании, хранится не в химических связях топлива, а в слабой двойной связи молекулярного кислорода.
Химические топлива делятся на два типа. Во-первых, по их физическим свойствам в твердом, жидком или газообразном состоянии. Во-вторых, по причине их возникновения: первичные (природное топливо) и вторичные (искусственное топливо). Таким образом, общая классификация химического топлива:
| Первичный (естественный) | Вторичный (искусственный) | |
|---|---|---|
| Твердое топливо | древесина, уголь, торф, навоз и др. | кокс, древесный уголь |
| Жидкое топливо | нефть | дизельное топливо, бензин, керосин, СНГ, каменноугольная смола, нафта, этанол |
| Газообразное топливо | природный газ | водород, пропан, метан, угольный газ, водяной газ, доменный газ, коксовый газ, КПГ |
Уголь - 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 гранулы 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. Древесина также широко использовалась для запуска паровозов. И торф, и уголь по-прежнему используются в производстве электроэнергии. 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 торфяные брикеты используются как бездымное топливо. Их также используют для разжигания угольного костра.
Автозаправочная станция 
Указатель уровня бензина на скутере объемом 50 см3 с типичной пиктограммой бензонасоса 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 существует 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. Такие виды топлива, как керосин, в некоторых странах нормируются, например, в субсидируемых государством магазинах Индии для домашнего использования.
Обычное дизельное топливо похоже на бензин в том, 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 виде жидкости 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, оба из которых являются легко сжимаемыми газами при стандартных атмосферных условиях. Он обладает многими преимуществами сжатого природного газа (КПГ), но он плотнее воздуха, горит не так чисто и намного легче сжимается. Сжиженный нефтяной газ и сжатый пропан, которые обычно используются для приготовления пищи и отопления помещений, все чаще используются в моторизованных транспортных средствах. Пропан - третье по популярности моторное топливо в мире.
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 твердого топлива, хотя некоторые топливные газы сжижают для хранения или транспортировки. Хотя их газообразная природа может быть полезной, поскольку позволяет избежать трудностей с транспортировкой твердого топлива и опасности утечки, присущей 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 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. Факты свидетельствуют о том, что управляемый огонь использовался до 1,5 миллиона лет назад в Сварткрансе, Южная Африка. Неизвестно, какой вид гоминидов первым применил огонь, поскольку на этих участках присутствовали и австралопитек, и один из первых видов Homo. 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.
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.
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 в результате воздействия высоких температур и давления в отсутствие кислорода в земной коре в течение сотен миллионов лет. Обычно термин ископаемое топливо также включает природные ресурсы, содержащие углеводороды, которые не полностью получены из биологических источников, такие как битуминозные пески. Эти последние источники известны как минеральное топливо.
Ископаемое топливо содержит высокий процент углерода и включает уголь, нефть и природный газ. Они варьируются от летучих материалов с низким углеродом : водород соотношениях, такими как метан, в жидкую нефть в нелетучие материалы, состоящих из почти чистого углерода, как антрацит угль. Метан может быть обнаружен в месторождениях углеводородов отдельно, в связке с нефтью или в форме клатратов метана. Ископаемое топливо образовалось из окаменелых останков мертвых растений под воздействием тепла и давления в земной коре в течение миллионов лет. Эта биогенная теория была впервые представлена немецким ученым Георгом Агриколой в 1556 году, а затем Михаилом Ломоносовым в 18 веке.
По оценкам 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. Неископаемые источники в 2006 г. включали гидроэлектроэнергетику 6,3%, атомную энергию 8,5% и другие ( геотермальные, солнечные, приливные, ветровые, древесные, отходы ), составляющие 0,9%. Мировое потребление энергии росло примерно на 2,3% в год.
Ископаемое топливо является невозобновляемым ресурсом, потому что на его 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 гигатонны ) углекислого газа (CO 2) в год, но, по оценкам, естественные процессы могут поглотить только половину этого количества, поэтому чистое увеличение составляет 10,65 миллиарда тонн. атмосферного углекислого газа в год (одна тонна атмосферного углерода эквивалентна 44/12 или 3,7 тоннам углекислого газа). Углекислый газ является одним 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.
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.
| Топливо | Удельная энергия (МДж / кг) | AFR stoich. | FAR stoich. | Энергия @ λ = 1 (МДж / кг (воздух)) |
|---|---|---|---|---|
| Дизель | 48 | 14,5: 1 | 0,069: 1 | 3,310 |
| Спирт этиловый | 26,4 | 9: 1 | 0,111: 1 | 2,933 |
| Бензин | 46,4 | 14,7: 1 | 0,068: 1 | 3,156 |
| Водород | 142 | 34,3: 1 | 0,029: 1 | 4,140 |
| Керосин | 46 | 15,6: 1 | 0,064: 1 | 2,949 |
| Сжиженный нефтяной газ | 46,4 | 17,2: 1 | 0,058: 1 | 2,698 |
| Метанол | 19,7 | 6,47: 1 | 0,155: 1 | 3,045 |
| Метан | 55,5 | 17,2: 1 | 0,058: 1 | 3,219 |
| Нитрометан | 11,63 | 1,7: 1 | 0,588: 1 | 6,841 |
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 высвобождать ядерную энергию, но материалы, обычно называемые ядерным топливом, - это те материалы, которые будут производить энергию, не подвергаясь экстремальному 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), состоящим из топливного материала, смешанного со структурными, замедляющими нейтроны или отражающими нейтроны материалами.
Большинство ядерных топлив 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 в результате 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. Кроме того, легкие нуклиды, такие как тритий ( 3 H), можно использовать в качестве топлива для ядерного синтеза. Ядерное топливо имеет самую высокую плотность энергии из всех возможных источников топлива.
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, замедляющими нейтроны или отражающими нейтроны материалами.
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, которые подвергаются ядерному синтезу, 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. После образования ядер железа-56 или никеля-56 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. Следовательно, 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. Популярными методами являются электрическое удержание ( ИТЭР ), инерционное удержание (нагрев лазером) и нагрев сильными электрическими токами..
