1.3 燃烧空气量的计算

《消防燃烧学》教案序号1.3课题第二章第三节燃烧空气量的计算课时课型理论课一、教学目标及要求（一）教学目标【知识与技能】1.了解燃烧反应方程式的概念，掌握书写燃烧反应方程式的方法与规则（可燃物取1mol、氮气的化学计量系数为氧气的3.76倍）；2.掌握纯净物（气态、液态或固态）完全燃烧所需空气量的计算公式（式1-4、1-5、1-6），会利用理想气体状态方程计算非标态下完全燃烧所需的空气量；3.掌握气态混合物、液态或固态混合物完全燃烧所需空气量的计算方法（式1-7、1-8），会正确判断混合物中的可燃组分与助燃组分；4.理解理论空气量与实际空气量的区别，掌握通风系数α的概念、取值范围及各状态可燃物的经验值，能计算可燃物完全燃烧所需的实际空气量。本节是《消防燃烧学》第二章"燃烧基础"中的定量计算内容，是后续学习燃烧温度、燃烧产物、燃烧速度等定量关系以及火灾爆炸危险性评估的重要基础。通过本节学习，学员应能从"定性认识燃烧"过渡到"定量计算燃烧所需的空气量"，为消防工程中通风供氧、火场空气供给和火灾危险性分析奠定计算基础。【过程与方法】1.通过讲解碳、氢气、甲烷等典型物质的燃烧反应方程式，引导学员掌握书写和配平燃烧反应方程式的方法；2.结合理想气体状态方程PV=nRT，推导气态纯净物、液态或固态纯净物完全燃烧所需空气量的计算公式，训练学员的定量分析能力；3.通过例题1-1至例题1-5的逐步演算，使学员掌握纯净物、混合物完全燃烧所需空气量的完整计算步骤；4.结合表1-5、表1-6的数据和通风系数经验值，培养学员运用理论计算结合实践经验解决实际问题的能力。【情感、态度、价值观】通过本节学习，使学员认识到"定量计算"在消防工作中的重要性——确定可燃物完全燃烧所需的空气量，是判断火场通风条件、估算火灾供氧需求、评估爆炸危险性的前提。培养学员严谨细致的计算习惯、实事求是的科学态度，树立用数据说话、以计算为依据的职业素养。（二）教学要求1.识记燃烧反应方程式的概念和书写规则；2.掌握式1-4、1-5、1-6、1-7、1-8五个计算公式及适用条件；3.掌握纯净物、混合物完全燃烧所需空气量的计算方法；4.理解理论空气量与实际空气量的关系，掌握通风系数α的含义和取值范围。二、教学重点1.燃烧反应方程式的书写方法（可燃物取1mol、氮气系数为氧气的3.76倍）；2.气态纯净物完全燃烧所需空气量的计算（式1-4，V空=4.76A）；3.液态或固态纯净物在标准状况、常温常压下完全燃烧所需空气量的计算（式1-5、1-6）；4.气态混合物、液态或固态混合物完全燃烧所需空气量的计算（式1-7、1-8）。三、教学难点1.混合可燃物中各组分燃烧反应方程式的正确书写及各组分氧气化学计量系数A值的确定；2.气态混合物、液态或固态混合物完全燃烧所需空气量公式中各项符号的物理意义与正确代入；3.非标态条件下，应用理想气体状态方程PV=nRT计算所需空气量（例题1-3）；4.理解混合物中既不燃烧也不助燃的组分（如N2、CO2）不计入空气量计算的规则。四、教学方法与手段本节教学内容以定量计算为主，公式多、计算量大，教学应注重公式推导的条理性与例题演算的示范性。授课全过程使用PPT课件，将各计算公式、燃烧反应方程式、例题演算步骤清晰展示；采用讲授法与演算法相结合，边推导、边演算、边提问，设置课堂练习环节（如"试求甲烷完全燃烧所需空气量"），使学员当堂掌握计算方法。教学中结合表1-5（近地面干洁空气的组成）说明空气中氧气与氮气的比例关系，结合表1-6（常见可燃物完全燃烧所需的理论空气量）查表验证计算结果，增强计算结果的直观性与可信度。对通风系数α经验值（气态1.02～1.2、液态1.1～1.3、固态1.3～1.7）重点强调，说明实际燃烧需供给过量空气的原因。五、教学过程设计首先，从"可燃物在空气中燃烧需要多少空气"这一问题出发，引出燃烧反应方程式的概念及书写方法；其次，系统讲解纯净物（气态、液态或固态）完全燃烧所需空气量的计算公式与例题；再次，讲解气态混合物、液态或固态混合物完全燃烧所需空气量的计算方法与例题；最后，讲解理论空气量与实际空气量的区别、通风系数的概念及应用，并进行课堂小结和布置思考题。（一）引言前面我们学习了燃烧的本质和形式、燃烧的条件，认识了燃烧的"质"的规律。本节课开始进入燃烧的"量"的规律研究。一个很实际的问题：可燃物在空气中完全燃烧，究竟需要多少空气？比如，要使1m3乙炔在空气中完全燃烧，需要多少m3的空气？要使1kg乙醇完全燃烧，又需要多少空气？要回答这些问题，就必须掌握燃烧反应方程式，并根据燃烧反应方程式计算所需空气量。这就是本节课的学习内容——燃烧空气量的计算。引导学员思考：燃烧通常在空气中进行，空气中氧气约占21%、氮气约占79%，氮气不参与燃烧反应但会随氧气一起进入燃烧体系。因此，要计算燃烧所需空气量，必须把氮气考虑进去。带着"空气量与氧气量的换算关系"这一关键问题，进入本节学习。（二）阐述、分析、推导【板书】第二章燃烧基础【板书】第三节燃烧空气量的计算【板书】一、燃烧反应方程式【讲解】描述参加燃烧反应的各种物质变化过程的表达式，就叫燃烧反应方程式。可燃物的燃烧一般是在空气中进行的，空气的组成如表1-5所示。【讲解】在空气中，氧气O2约占21%（体积百分比），氮气N2（包括微量的惰性气体和其他气体）约占79%，即VO2:VN2≈1:3.76。N2在燃烧过程中一般不参加化学反应，但空气中的N2总是与参加化学反应的O2按一定的比例（1:3.76）进入燃烧体系。也就是说，燃烧中只要有1体积（或摩尔）的O2参加反应，就必然有3.76体积（或摩尔）的N2参与，从而需要4.76体积（或摩尔）的空气。因此研究物质的燃烧反应，必须考虑N2的参与，并将相应量的N2写入燃烧反应方程式。【讲解】例如，碳完全燃烧的化学反应方程式为：C+O2=CO2，每燃烧1mol的C，就要消耗1mol的O2，也必然有3.76mol的N2同时被带入燃烧体系。所以碳的燃烧反应方程式为：C+O2+3.76N2=CO2+3.76N2+Q。【讲解】又如，氢气和甲烷的燃烧反应方程式分别为：H2+1/2O2+1/2×3.76N2=H2O+1/2×3.76N2+Q；CH4+2O2+2×3.76N2=CO2+2H2O+2×3.76N2+Q。【讲解】一般有机可燃物的分子式可表示为CαHβOγ，其完全燃烧反应方程式通式可表示为：CαHβOγ+(α+β/4-γ/2)O2+(α+β/4-γ/2)×3.76N2=αCO2+β/2H2O+(α+β/4-γ/2)×3.76N2+Q。【板书】书写规则：①可燃物取1mol；②反应前后都必须写出氮气N2；③氮气的化学计量系数为氧气的3.76倍；④通式中氧气的化学计量系数为（α+β/4-γ/2）。【提问】请同学们思考：为什么书写燃烧反应方程式时，可燃物要取1mol？氧气化学计量系数（α+β/4-γ/2）是怎样得出的？【讲解】书写燃烧反应方程式，首先可燃物为1mol，其次必须反应前后都写出氮气，氮气的化学计量系数为氧气的3.76倍，通式中氧气的化学计量系数为（α+β/4-γ/2），用A表示。可燃物取1mol是为了方便计算，使空气量的计算以1mol可燃物为基础，进而换算为单位体积或单位质量的空气量。【板书】二、纯净物完全燃烧所需空气量的计算【讲解】1mol可燃纯净物（单质或化合物）完全燃烧所需O2为Amol，则所需的空气量为4.76Amol。而在实际的工作中，常常需要计算出单位体积或单位质量的可燃物完全燃烧所需空气量的体积，则可燃物如为气态，其完全燃烧所需空气量常用m3/m3表示，如为液态或固态，则用m3/kg表示。【板书】（一）气态纯净物【讲解】根据理想气体状态方程PV=nRT，在相同状态下，气体的摩尔比等于其体积比。由燃烧反应方程式可知，1mol气态纯净物完全燃烧需要Amol的O2，所需的空气量为4.76Amol；则1m3气态纯净物完全燃烧需要Am3的O2，所需的空气量为4.76Amol。即：【板书】V空=4.76A（m3/m3）（1-4）【讲解】式中，A——可燃物燃烧反应方程式中氧气的化学计量系数；V空——1m3气态纯净物完全燃烧所需的空气量（m3/m3）。【板书】[例题1-1]试求1m3乙炔完全燃烧所需的空气量？【讲解】解：乙炔的完全燃烧反应方程式为：C2H2+5/2O2+5/2×3.76N2=2CO2+H2O+5/2×3.76N2+Q。【讲解】由燃烧反应方程式可知，乙炔燃烧反应方程式中氧气的化学计量系数A=5/2=2.5。【板书】V空=4.76A=4.76×5/2=11.9（m3/m3）【讲解】答：1m3乙炔完全燃烧所需的空气量为11.9m3。【板书】（二）液态或固态纯净物【讲解】液态或固态纯净物，在标准状况（0℃，1.01325×105Pa）下完全燃烧所需的空气量可按下式计算，即：【板书】V空=4.76A×22.4/M（m3/kg）（1-5）【讲解】式中，M——液态或固态可燃纯净物的摩尔质量（或分子量）。【板书】[例题1-2]试求1kg乙醇在标准状况下完全燃烧所需的空气量？【讲解】解：乙醇的完全燃烧反应方程式为：C2H5OH+3O2+3×3.76N2=2CO2+3H2O+3×3.76N2+Q。【讲解】已知：A=3，M=46。【板书】V空=4.76A×22.4/M=4.76×3×22.4/46≈6.95（m3/kg）【讲解】答：1kg乙醇在标准状况下完全燃烧所需的空气量为6.95m3。【讲解】若液态或固态纯净物在常温常压（25℃、1.01325×105Pa）下完全燃烧，则所需的空气量可按下式计算，即：【板书】V空=4.76A×24.5/M（m3/kg）（1-6）【讲解】那么，1kg乙醇在常温常压下完全燃烧所需的空气量为：V空=4.76A×24.5/M=4.76×3×24.5/46≈7.61（m3/kg）。【讲解】若是在非标态下完全燃烧，则所需的空气量可根据理想气体状态方程PV=nRT进行计算。【板书】[例题1-3]求1kg乙醇在20℃、0.9个大气压下完全燃烧所需的空气量？【讲解】解：根据乙醇的完全燃烧反应方程式可知，1mol乙醇需要3mol的O2，而1kg乙醇的摩尔数为1000/46mol，需要3×1000/46mol的O2，则：【板书】V空=4.76VO2=4.76×nRT/P【板书】=4.76×[3×（1000/46）×8.314×（273.15+20）]/（0.9×1.01325×105）≈8.30（m3/kg）【讲解】答：1kg乙醇在20℃、0.9大气压下完全燃烧所需空气量为8.30m3。【板书】三、混合物完全燃烧所需空气量的计算【板书】（一）气态混合物【讲解】由多种已知分子式和体积百分含量Vi%的气体组成的气态可燃混合物，其完全燃烧所需的空气量可通过下式计算，即：【板书】V空=4.76VO2=4.76（A1V1%+A2V2%+……+AnVn%-O2%）【板书】即V空=4.76（ΣAiVi%-O2%）（m3/m3）（1-7）【讲解】若混气中含有N2、CO2等既不燃烧也不助燃的气体，则不计入公式中。【板书】[例题1-4]试求完全燃烧1m3高炉煤气所需的空气量？已知高炉煤气的组成为：CO2—12%、CO—25%、CH4—1%、H2—2%、N2—60%。【讲解】解：高炉煤气中的可燃成分为CO、CH4和H2，无助燃成分。其燃烧反应方程式为：CO+1/2O2+1/2×3.76N2=CO2+1/2×3.76N2+Q；CH4+2O2+2×3.76N2=CO2+2H2O+2×3.76N2+Q；H2+1/2O2+1/2×3.76N2=H2O+1/2×3.76N2+Q。【讲解】由燃烧反应方程式可知：CO的Ai=1/2，CH4的Ai=2，H2的Ai=1/2。【板书】V空=4.76（ΣAiVi%）=4.76（0.5×25%+2×1%+0.5×2%）≈0.74（m3/m3）【讲解】答：完全燃烧1m3高炉煤气所需的空气量为0.74m3。【板书】（二）液态或固态混合物【讲解】设液态或固态混合物中各组分的分子量为Mi，质量百分比含量为Ci%，其完全燃烧反应方程式中O2的系数为Ai，则1kg液态或固态混合物在标准状况下完全燃烧所需的空气量为：【板书】V空=4.76VO2=4.76×22.4（ΣAiCi%/Mi-CO2%/32）（m3/kg）（1-8）【板书】[例题1-5]已知木材的组成为：C-48%、H-5%、O-40%、N-2%、H2O-5%，试求1kg这样的木材在标准状况下完全燃烧所需的空气量？【讲解】解：从燃烧反应方程式可知：C的Ai=1，H的Ai=1/4。【板书】V空=4.76VO2=4.76×22.4（1×48%/12+1/4×5%/1-40%/32）≈4.26（m3/kg）【讲解】答：1kg这样的木材在标准状况下完全燃烧所需的空气量为4.26m3。【板书】四、理论空气量与实际空气量【讲解】利用可燃物发生完全燃烧的燃烧反应方程式计算出的空气量称为理论空气量，常见可燃物完全燃烧所需的理论空气量见表1-6。【讲解】然而在实际燃烧过程中，由于环境条件一般都不处于标准状况，并且实际燃烧所需的空气量也因各种因素的影响而大于理论计算值，要使可燃物完全燃烧，必须要供给过量的空气。可燃物完全燃烧所需的实际空气量与理论空气量之差称为超量空气，实际空气量与理论空气量之比称为通风系数，常用α表示：α=V实/V理。【讲解】α值一般在1～2之间，各种状态的可燃物完全燃烧时的α经验值为：气态物质：α=1.02～1.2；液态物质：α=1.1～1.3；固态物质：α=1.3～1.7。【讲解】可燃物完全燃烧实际所需的空气量，可用通风系数α求算近似值。例如：【讲解】（1）1m3乙炔完全燃烧所需的实际空气量为：V实=V理·α=11.9×（1.02～1.2）=12.138～14.280（m3）。【讲解】（2）1kg乙醇在标准状况下完全燃烧所需的实际空气量为：V实=V理·α=6.95×（1.1～1.3）=7.645～9.035（m3）。【讲解】（3）1kg木材在标准状况下完全燃烧所需的实际空气量为：V实=V理·α=4.26×（1.3～1.7）=5.538～7.242（m3）。【板书】【思考题】【板书