Топливо — это любой материал, который можно заставить вступить в реакцию с другими веществами, чтобы он высвободил энергию в виде тепловой энергии или мог быть использован для работы . Первоначально эта концепция применялась исключительно к материалам, способным выделять химическую энергию, но с тех пор она также применялась и к другим источникам тепловой энергии, таким как ядерная энергия (посредством ядерного деления и ядерного синтеза ).
Тепловая энергия, выделяемая в результате реакции топлива, может быть преобразована в механическую энергию с помощью теплового двигателя . В других случаях само тепло ценится за тепло, приготовление пищи или промышленные процессы, а также за освещение, которое сопровождает горение . Топливо также используется в клетках организмов в процессе, известном как клеточное дыхание , когда органические молекулы окисляются с выделением полезной энергии. Углеводороды и родственные им органические молекулы на сегодняшний день являются наиболее распространенным источником топлива, используемого людьми, но также используются и другие вещества, включая радиоактивные металлы.
Топливо контрастирует с другими веществами или устройствами , хранящими потенциальную энергию , например, теми, которые непосредственно выделяют электрическую энергию (например, батареи и конденсаторы ) или механическую энергию (например, маховики , пружины, сжатый воздух или вода в резервуаре).
Первым известным использованием топлива было сжигание дров человеком прямоходящим почти два миллиона лет назад . [ нужна цитата ] На протяжении большей части человеческой истории люди использовали только топливо, полученное из растений или животных жиров. Древесный уголь , производное древесины, использовался по крайней мере с 6000 г. до н. э. для плавки металлов. Его вытеснил кокс , полученный из угля, только когда примерно в 18 веке европейские леса начали истощаться. Угольные брикеты в настоящее время широко используются в качестве топлива для приготовления барбекю . [ нужна цитата ]
Сырая нефть была дистиллирована персидскими химиками с четкими описаниями, приведенными в арабских справочниках, таких как книги Мухаммада ибн Закарии Рази . [2] Он описал процесс перегонки сырой нефти/нефти в керосин , а также другие углеводородные соединения, в своей Китаб аль-Асрар ( «Книга Тайн» ). Керосин также производился в тот же период из горючих сланцев и битума путем нагревания породы для извлечения нефти, которую затем перегоняли. Рази также дал первое описание керосиновой лампы, в которой использовалось сырое минеральное масло, назвав ее «наффата». [3]
Улицы Багдада были вымощены смолой , полученной из нефти, добываемой на природных месторождениях региона. В 9 веке на территории вокруг современного Баку ( Азербайджан) разрабатывались нефтяные месторождения . Эти месторождения были описаны арабским географом Абу аль-Хасаном Али аль-Масуди в 10 веке и Марко Поло в 13 веке, которые описали добычу из этих скважин как сотни партий кораблей. [4]
С разработкой парового двигателя в Соединенном Королевстве в 1769 году все большее распространение получил уголь, при сгорании которого высвобождается химическая энергия , которую можно использовать для превращения воды в пар. [5] Позднее уголь использовался для привода кораблей и локомотивов . К 19 веку газ, добываемый из угля, использовался для уличного освещения в Лондоне. В 20-м и 21-м веках уголь в основном используется для производства электроэнергии , обеспечивая 40% мирового производства электроэнергии в 2005 году. [6]
Ископаемое топливо было быстро внедрено во время промышленной революции , поскольку оно было более концентрированным и гибким, чем традиционные источники энергии, такие как гидроэнергетика. Они стали ключевой частью нашего современного общества: большинство стран мира сжигают ископаемое топливо для производства электроэнергии, но теряют популярность из-за глобального потепления и связанных с ним последствий, вызванных его сжиганием. [7]
В настоящее время наблюдается тенденция к использованию возобновляемых видов топлива, таких как биотопливо, например спирты.
Химическое топливо — это вещества, которые выделяют энергию в результате реакции с окружающими их веществами, особенно в процессе сгорания .
Химическое топливо делится двумя способами. Во-первых, по своим физическим свойствам: в твердом, жидком или газообразном состоянии. Во-вторых, по признаку возникновения: первичные (природное топливо) и вторичные (искусственное топливо) . Таким образом, общая классификация химического топлива такова:
Твердое топливо относится к различным типам твердых материалов, которые используются в качестве топлива для производства энергии и обеспечения отопления , обычно выделяющегося при сгорании. К твердым видам топлива относятся древесина , древесный уголь , торф , уголь , топливные таблетки уротропина и пеллеты, изготовленные из древесины (см. древесные пеллеты ), кукурузы , пшеницы , ржи и других зерновых культур . В твердотопливной ракетной технике используется также твердое топливо (см. Твердое топливо ). Твердое топливо уже много лет используется человечеством для создания огня . Уголь был источником топлива, сделавшим возможным промышленную революцию , от печей до запуска паровых двигателей . Древесина также широко использовалась для управления паровозами . И торф, и уголь до сих пор используются для производства электроэнергии . Использование некоторых видов твердого топлива (например, угля) ограничено или запрещено в некоторых городских районах из-за небезопасного уровня токсичных выбросов. Использование других видов твердого топлива, таких как древесина, сокращается по мере улучшения технологий отопления и улучшения доступности топлива хорошего качества. В некоторых регионах бездымный уголь часто является единственным используемым твердым топливом. В Ирландии торфяные брикеты используются как бездымное топливо. Их также используют для разжигания угля.
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 контейнера; воспламеняются пары жидкого топлива, а не жидкости.
Большинство жидкого топлива, широко используемого, получают из окаменелых останков мертвых растений и животных под воздействием тепла и давления внутри земной коры. Однако существует несколько типов, таких как водородное топливо (для автомобильного использования), этанол , топливо для реактивных двигателей и биодизель , которые относятся к категории жидкого топлива. Эмульгированные топлива нефти в воде, такие как ориэмульсия , 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. Их также относительно легко использовать для всех инженерных задач и в домашнем использовании. В некоторых странах топливо, такое как керосин, нормируется, например, в субсидируемых государством магазинах Индии для домашнего использования.
Обычное дизельное топливо похоже на бензин тем, что представляет собой смесь алифатических углеводородов , извлеченных из нефти . Керосин используется в керосиновых лампах , а также в качестве топлива для приготовления пищи, отопления и небольших двигателей. Природный газ , состоящий в основном из метана , может существовать только в жидком виде при очень низких температурах (независимо от давления), что ограничивает его прямое использование в качестве жидкого топлива в большинстве применений. Сжиженный нефтяной газ представляет собой смесь пропана и бутана , которые легко сжимаются при стандартных атмосферных условиях. Он обладает многими преимуществами сжатого природного газа (СПГ), но он плотнее воздуха, горит не так чисто и его гораздо легче сжимать. Сжиженный нефтяной газ и сжатый пропан, обычно используемые для приготовления пищи и отопления помещений, все чаще используются в моторизованных транспортных средствах. Пропан является третьим наиболее часто используемым моторным топливом в мире.
Топливный газ представляет собой любое из ряда видов топлива, которые в обычных условиях являются газообразными . Многие топливные газы состоят из углеводородов (таких как метан или пропан ), водорода , оксида углерода или их смесей. Такие газы являются источниками потенциальной тепловой энергии или энергии света , которые можно легко передавать и распределять по трубам от места происхождения непосредственно к месту потребления. Топливный газ отличается от жидкого топлива и твердого топлива, хотя некоторые топливные газы сжижаются для хранения или транспортировки. Хотя их газообразная природа может быть выгодной, поскольку позволяет избежать трудностей транспортировки твердого топлива и опасности разлива, свойственной жидкому топливу, она также может быть опасной. Топливный газ может остаться незамеченным и собраться в определенных местах, что приведет к риску взрыва газа . По этой причине к большинству топливных газов добавляют одорификаторы , чтобы их можно было обнаружить по отчетливому запаху. Наиболее распространенным типом топливного газа, используемым в настоящее время, является природный газ .
Биотопливо можно в широком смысле определить как твердое, жидкое или газовое топливо, состоящее из биомассы или полученное из нее . Биомасса также может использоваться непосредственно для отопления или выработки электроэнергии — так называемое 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, самым ранним топливом, используемым людьми, была древесина. Имеющиеся данные показывают, что контролируемый огонь использовался до 1,5 миллионов лет назад в Сварткрансе , Южная Африка. Неизвестно, какой вид гоминидов первым использовал огонь, поскольку в этих местах присутствовали как австралопитеки , так и ранние виды Homo . [8] В качестве топлива древесина используется и по сей день, хотя для многих целей ее заменили другие источники. Древесина имеет энергетическую плотность 10–20 МДж / кг . [9]
Недавно было разработано биотопливо для использования в автомобильном транспорте (например, биоэтанол и биодизель ), но широко распространены общественные дебаты о том, насколько углеродно-нейтральны эти виды топлива. [ нужна цитата ]
Ископаемое топливо — это углеводороды , прежде всего уголь и нефть ( жидкая нефть или природный газ ), образовавшиеся из окаменелых останков древних растений и животных [10] под воздействием высоких температур и давления при отсутствии кислорода в земной коре в течение сотен миллионов лет. [11] 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. [12] Они варьируются от летучих материалов с низким соотношением углерода и водорода , таких как метан , до жидкой нефти и нелетучих материалов, состоящих почти из чистого углерода, таких как антрацитовый уголь. Метан можно найти в месторождениях углеводородов отдельно, в сочетании с нефтью или в виде клатратов метана . Ископаемое топливо образовалось из окаменелых останков мертвых растений [10] под воздействием тепла и давления в земной коре на протяжении миллионов лет. [13] 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% и природного газа 23,0%, что составляет 86,4% доли ископаемого топлива в потреблении первичной энергии в мире. [14] Неископаемые источники в 2006 году включали гидроэлектростанции 6,3%, ядерные 8,5% и другие ( геотермальные , солнечные , приливные , ветровые , лесные , мусорные ) на сумму 0,9%. [15] Мировое потребление энергии росло примерно на 2,3% в год.
Ископаемое топливо является невозобновляемым ресурсом, поскольку на его формирование требуются миллионы лет, а его запасы истощаются гораздо быстрее, чем создаются новые. Поэтому мы должны беречь это топливо и использовать его разумно. Производство и использование ископаемого топлива вызывают экологические проблемы. Таким образом, 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 ) углекислого газа (CO 2 ) в год, но, по оценкам, естественные процессы могут поглотить только около половины этого количества, поэтому чистый прирост составит 10,65 миллиарда тонн. атмосферного углекислого газа в год (одна тонна атмосферного углерода эквивалентна 44 ⁄ 12 (это соотношение молекулярного/атомного веса) или 3,7 тоннам CO 2. [16] Углекислый газ является одним из парниковых газов , который увеличивает радиационное воздействие и способствует глобальному потеплению , вызывая в ответ повышение средней температуры поверхности Земли, что, согласно мнению подавляющего большинства ученых-климатологов, приведет к серьезным неблагоприятным последствиям.Топливо является источником энергии.
Количество энергии из разных 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 МДж ≈ 0,28 кВтч ≈ 0,37 л.с.ч.
(Соотношение топливо-воздух (FAR) обратно пропорционально соотношению воздух-топливо (AFR).)
λ — коэффициент эквивалентности воздух-топливо, а λ =1 означает, что предполагается, что топливо и окислитель (кислород в воздухе) присутствуют в точно правильных пропорциях, так что они оба полностью расходуются в реакции.
Ядерное топливо – это любой материал, который используется для получения ядерной энергии . Теоретически, ядерным топливом могут быть самые разнообразные вещества, поскольку при правильных условиях их можно заставить высвобождать ядерную энергию. Однако материалы, обычно называемые ядерным топливом, — это те, которые будут производить энергию, не подвергаясь экстремальным нагрузкам. Ядерное топливо можно «сжигать» путем ядерного деления (расщепления ядер) или термоядерного синтеза (объединения ядер) для получения ядерной энергии. «Ядерное топливо» может относиться к самому топливу или к физическим объектам (например, пучкам топливных стержней ), состоящим из топливного материала, смешанного с конструкционными, замедляющими нейтроны или отражающими нейтроны материалами.
Ядерное топливо имеет самую высокую плотность энергии из всех практических источников топлива.
Наиболее распространенным типом ядерного топлива, используемого людьми, являются тяжелые делящиеся элементы, которые можно заставить подвергаться цепным реакциям ядерного деления в ядерном реакторе деления ; Ядерное топливо может относиться к материалу или физическим объектам (например, топливным пучкам, состоящим из топливных стержней ), состоящим из топливного материала, возможно, смешанного с конструкционными, замедляющими нейтроны или отражающими нейтроны материалами.
Когда некоторые из этих видов топлива подвергаются воздействию нейтронов, они, в свою очередь, способны испускать нейтроны при разрушении. Это делает возможной самоподдерживающуюся цепную реакцию , которая высвобождает энергию с контролируемой скоростью в ядерном реакторе или с очень высокой 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, захоронению 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 .
В отличие от деления, некоторые легкие нуклиды , такие как тритий ( 3 H), могут использоваться в качестве топлива для ядерного синтеза . Это предполагает объединение двух или более ядер в более крупные ядра. Топливо, производящее энергию этим методом, в настоящее время не используется человеком, но оно является основным источником топлива для звезд . Термоядерное топливо представляет собой легкие элементы, такие как водород , ядра которого легко объединяются. Для начала термоядерного синтеза требуется энергия, повышающая температуру до такой степени, что ядра могут сталкиваться друг с другом с достаточной энергией, чтобы они слипались, прежде чем отталкиваться из-за электрического заряда. Этот процесс называется термоядерным синтезом, и он может выделять энергию.
В звездах, подвергающихся ядерному синтезу, топливо состоит из атомных ядер , которые могут выделять энергию путем поглощения протона или нейтрона . В большинстве звезд топливом является водород, который может образовывать гелий посредством протон-протонной цепной реакции или цикла CNO . Когда водородное топливо исчерпано, ядерный синтез может продолжиться с использованием все более тяжелых элементов, хотя чистая высвобождаемая энергия будет ниже из-за меньшей разницы в энергии ядерной связи. После образования ядер железа-56 или никеля-56 дальнейшая энергия не может быть получена путем ядерного синтеза, поскольку они имеют самые высокие энергии ядерной связи. [17] Таким образом , любые ядра тяжелее 56 Fe и 56 Ni будут поглощать энергию, а не выделять ее при слиянии. Поэтому термоядерный синтез прекращается, и звезда умирает. В попытках людей синтез осуществляется только с водородом ( 2 H (дейтерий) или 3 H (тритий)) 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.
Большинство транспортных видов топлива являются жидкими, поскольку транспортным средствам обычно требуется высокая плотность энергии . Это происходит естественным образом в жидкостях и твердых телах. Высокую плотность энергии также может обеспечить двигатель внутреннего сгорания . Эти двигатели требуют экологически чистого топлива. Топливом, которое легче всего сжечь чисто, обычно являются жидкости и газы. Таким образом, жидкости отвечают требованиям как энергоемкости, так и чистоты сгорания. Кроме того, можно перекачивать жидкости (и газы), что означает, что обработка легко механизируется и, следовательно, менее трудоемка. Поскольку наблюдается общее движение к низкоуглеродной экономике, использование жидкого топлива, такого как углеводороды, становится объектом пристального внимания.
