2.2 第二节热自燃理论

《消防燃烧学》教案序号2.2课题第三章第二节热自燃理论课时2课型理论课一、教学目标及要求（一）教学目标【知识与技能】1.理解谢苗诺夫热自燃理论的基本观点（着火是放热与散热共同作用的结果）；2.掌握热自燃理论分析模型的假设条件（五项假设，图2-2）及放热速率（式2-2）、散热速率（式2-3）的计算，理解放热曲线与散热曲线（图2-3）；3.掌握热自燃理论着火分析：着火临界温度T2（初温条件）的确定，临界换热系数、临界压力，自燃点TC的概念及影响因素，着火感应期的概念及影响因素（表2-1），着火极限（浓度极限、温度极限、压力极限）；4.掌握热自燃理论的灭火分析：灭火条件（放热曲线与散热曲线相切）、灭火滞后现象、灭火措施（降低浓度、降低环境温度、改善散热条件），理解灭火与防火中各种措施作用的差异。本节是《消防燃烧学》第三章"着火与灭火"中的第二节，是着火理论的核心内容。热自燃理论从热平衡（放热与散热）的角度揭示了自燃着火的本质条件和规律，是理解闪燃、自燃、燃点等火灾特性参数的理论基础，也是灭火原理的理论依据。掌握热自燃理论，对于科学分析火灾发生机理、理解灭火滞后现象、制定有效的灭火和防火措施具有重要的理论和实践意义。【过程与方法】1.通过球形容器模型（图2-2）和放热曲线、散热曲线（图2-3）的分析，理解热自燃理论的分析方法；2.通过放热速率（式2-2）、散热速率（式2-3）及T1、T2、T3三种环境温度下曲线交点关系的分析，掌握着火临界温度T2、自燃点TC的确定方法；3.结合表2-1（部分可燃物在空气中的初温与着火感应期）分析初温对着火感应期的影响；4.通过着火极限（浓度、温度、压力）的分析，理解自燃着火的极限条件；5.通过灭火滞后现象及三种灭火措施的分析，理解热自燃理论在灭火中的应用。【情感、态度、价值观】通过本节学习，使学员理解着火和灭火的科学本质，认识到"着火是放热与散热共同作用的结果"这一理论观点在火灾预防和扑救中的重要指导意义，特别是"灭火滞后现象"说明灭火要比防火付出更大代价，从而牢固树立"防患于未然、预防为主"的理念，增强消防工作的科学性和职业责任感。（二）教学要求1.识记热自燃理论、着火临界温度、自燃点、着火感应期、着火极限、灭火滞后现象等概念；2.掌握谢苗诺夫热自燃理论的基本观点；3.掌握放热速率、散热速率的计算（式2-2、2-3）及放热曲线、散热曲线的分析；4.掌握热自燃理论着火条件（临界温度、临界换热系数、临界压力）、着火感应期、着火极限；5.掌握热自燃理论的灭火措施及灭火滞后现象。二、教学重点1.谢苗诺夫热自燃理论的基本观点（着火是放热与散热共同作用的结果）；2.放热速率（式2-2）、散热速率（式2-3）及放热曲线、散热曲线的分析（图2-3）；3.着火临界温度T2、自燃点TC的概念；4.着火感应期及影响因素；5.灭火条件、灭火滞后现象及灭火措施。三、教学难点1.放热曲线与散热曲线的交点分析（A点稳定点、B点不稳定点、C点临界点）及物理意义；2.着火临界温度T2与自燃点TC的区别与联系，自燃点TC的影响因素；3.着火感应期的概念及影响因素（△H、Ws、TC、E）；4.着火极限（浓度、温度、压力）的理解；5.灭火条件与着火条件的异同及灭火滞后现象的理解。四、教学方法与手段本节教学内容以理论推导和分析为主，插图多个（图2-2~2-13），公式2个（式2-2、2-3），数据表1个（表2-1）。教学应注重理论推导的条理性、曲线分析的直观性和概念辨析的清晰性。授课全过程使用PPT课件，将放热曲线与散热曲线（图2-3）、球形容器模型（图2-2）等关键图清晰展示，将式（2-2）、（2-3）的推导过程逐步呈现；采用讲授法、图示法与启发式提问相结合，通过A、B、C三点的分析启发学员理解临界温度的概念，通过表2-1数据引导学员归纳初温对着火感应期的影响规律。教学中注重理论联系实际：热自燃理论是理解自燃、闪燃、燃点等火灾特性参数的基础，也是灭火原理的依据。教学中应结合灭火滞后现象说明"预防为主、防消结合"方针的科学性，设置提问、讨论环节（如"为什么T2是着火的临界温度""为什么TC之后一定着火""为什么灭火要比防火付出更大代价"），启发学员深入思考。五、教学过程设计首先，从谢苗诺夫热自燃理论的基本观点（着火是放热与散热共同作用的结果）出发，引出本课主题；其次，讲解热自燃理论分析模型（球形容器，图2-2）及放热速率（式2-2）、散热速率（式2-3），得到放热曲线与散热曲线（图2-3）；再次，重点进行热自燃理论着火分析（着火临界温度T2、自燃点TC、着火感应期、着火极限）；第四，讲解热自燃理论的灭火分析（灭火条件、灭火滞后现象、灭火措施）；最后，进行课堂小结和布置思考题。（一）引言同学们，上一节我们学习了着火方式（自燃、引燃）和着火条件。那么，自燃是怎样发生的？从科学理论上讲，什么样的条件下可燃物才会自行着火？这就是本节课要学习的——热自燃理论。任何可燃物与助燃物混合的反应系统，一方面会进行缓慢氧化而放出热量，使系统温度升高；同时又会因存在温度差而向外散热，使系统温度下降。前苏联科学家谢苗诺夫进一步提出：着火是放热与散热共同作用的结果。如果放热大于散热，系统就会出现热量积累，温度升高，反应加速，最终发生自燃；相反，如果散热大于放热，系统温度下降，则不能自燃。带着"放热与散热如何决定着火""着火需要什么条件""热自燃理论如何指导灭火"这三个问题进入本节学习。（二）阐述、分析、推导【板书】第三章着火与灭火【板书】第二节热自燃理论【板书】一、热自燃理论【讲解】任何可燃物与助燃物混合的反应系统，一方面会进行缓慢氧化而放出热量，使系统温度升高；同时又会因存在温度差而向外散热，使系统温度下降。前苏联科学家谢苗诺夫进一步提出：着火是放热与散热共同作用的结果。如果放热大于散热，系统就会出现热量积累，温度升高，反应加速，最终发生自燃；相反，如果散热大于放热，系统温度下降，则不能自燃。【板书】二、放热与散热的分析【讲解】设有一个球形容器，体积为V，表面积为F，内部充满某种反应热为△H的可燃预混气体，现对其放热和散热进行分析。为使问题简化，作如下假设：【板书】（1）环境温度为T0，反应开始时混气温度与环境温度相同，反应过程中混气的瞬间温度为T；【板书】（2）反应开始时容器的壁温与环境温度T0相同，反应过程中，壁温升高，与混气温度相同；【板书】（3）反应过程中，容器内既无自然对流，也无强迫对流，容器内各点的温度、浓度相同；【板书】（4）着火前反应物浓度变化很小，近似认为不变；【板书】（5）环境与容器之间有对流换热，对流换热系数为α，它不随温度变化。【讲解】用Q放表示混气在单位时间内由化学反应放出的热量，即放热速率，用Q散表示混气在单位时间内向外界环境散发的热量，即散热速率，则：【板书】Q放=V·△H·Ws（2-2）【板书】Q散=αF（T-T0）（2-3）【讲解】式中：△H—可燃预混气体的化学反应热；Ws—可燃预混气体的化学反应速率。根据燃烧反应速率方程可知，化学反应速率Ws与混气温度T成指数关系，所以Q放是混气温度T的指数函数，而Q散则与混气温度T成正比例关系。【讲解】将Q放和Q散分别对混气温度T作图即得到放热曲线和散热曲线，如图2-3所示。不难理解，当混气浓度不同时，反应速率Ws不同，因而可得到一组放热曲线；当环境温度T0不同时，可得到一组平行的散热曲线；当改变αF时，可得到一组斜率不同的散热曲线。【板书】三、热自燃理论着火分析【板书】（一）热自燃理论着火条件【讲解】从图2-3可以看出，当改变环境温度T0分别为T1、T2、T3时，放热曲线Q放和散热曲线Q散之间的关系有三种情况：有A、B两个交点、只有C一个交点、没有交点。现对这三种情况进行简要分析。【板书】1．当环境温度较低时，如T0=T1【讲解】起初系统中的混气温度等于环境温度T1，所以散热速率为零，但这时化学反应是在缓慢进行的，随着化学反应的进行，释放出少量热量，使混气温度上升，与环境之间产生温差，开始向环境散热。由于此时放热速率大于散热速率，混气温度将不断上升，直到等于TA。此后混气温度将保持稳定，因为当混气温度高于TA时，放热速率小于散热速率，混气温度将下降，回到TA。【讲解】由此可以看出，A点是一个可以达到的稳定点，它实际上代表着一种化学反应速率很小的缓慢氧化状态。显然，在这样的初始条件下，混气的温度不会自动持续升高，反应也不能自动加速而着火，这说明混气还不具备着火的条件。【讲解】从A点到B点的过程中，散热速率一直大于放热速率。因此，如果仅依靠自身的反应，混气温度不可能继续升高，所以B点是达不到的。另外B点是一个不稳定点，如果有一个微小增温扰动，使混气温度略大于TB，这时由于放热速率总大于散热速率，混气温度将会越来越高；如果有一个微小降温扰动，使混气温度略低于TB，这时由于散热速率总大于放热速率，混气温度将会越来越低，直至返回TA。【板书】2．当环境温度较高时，如T0=T3【讲解】这时由于放热速率总是大于散热速率，混气温度将会不断升高，化学反应不断加速，最后必然导致着火。【板书】3．当环境温度恰好时，如T0=T2【讲解】这时，放热曲线Q放和散热曲线Q散刚好相切于C点。分析C点可以发现它具有以下重要特点：（1）C点能达到。因为在C点以前放热速率总是大于散热速率，混气温度会从T2自动升高到TC；（2）C点是一个不稳定点。如果有一个微小增温扰动，使混气温度略大于TC，则因放热速率总大于散热速率而使混气温度自动升高，化学反应速率自动加速，直至着火。【讲解】由上述分析可以得出热自燃理论的一个重要结论：T2是发生着火的临界温度（即着火的初温条件），超过这个温度，混气就会自动升温、反应自动加速，最终着火。在分析中，是保持压力和换热系数恒定，由此得出着火的临界温度。进一步分析可知，若保持压力和环境温度恒定，可得出着火的临界换热系数；保持环境温度和换热系数恒定，可得出着火的临界压力。【讲解】对于临界点C，还可以看出：在C点以前，由于放热速率与散热速率之差越来越小，因此从T2到TC是一个缓慢升温的过程；而在C点以后，由于放热速率与散热速率之差越来越大，因此会出现急剧升温。C点标志着由低温缓慢氧化状态到高温剧烈燃烧状态的过渡，也就是说混气在C点以后一定会着火，TC则是可能出现火焰的最低临界温度，可近似取TC为混气的自燃温度（自燃点）。【讲解】自燃点TC与很多因素有关，它受混气的性质、放热速率和散热速率等因素影响。如果在实验时将外界条件固定，那么自燃点TC就只与混气的性质有关，此时测得的自燃点TC就可以用来评定可燃预混气体的自燃难易程度。【提问】请同学们思考：为什么说T2是着火的临界温度？TC与T2有何区别？【讲解】因为当环境温度等于T2时，放热曲线与散热曲线刚好相切于C点，C点以后放热速率总大于散热速率，混气自动升温、反应自动加速直至着火，所以T2是着火（自燃）的临界温度（初温条件）。T2是着火的临界初温，TC是可能出现火焰的最低临界温度（自燃点），TC高于T2，从T2到TC是缓慢升温过程，C点（TC）以后才急剧升温着火。【板书】（二）着火感应期【讲解】在热自燃理论分析中，只考虑了可燃预混气体在达到临界温度T2的条件下，有着火的可能，并没有考虑发生着火需要的时间长短。如前所述，可燃预混气体的温度在达到TC之前，经历了由T2到TC的缓慢升温过程，那么，要经过多长时间才能升温至TC而着火呢？于是提出了着火感应期的概念。【讲解】在热自燃理论中，着火感应期是指：当混气在已经具备着火条件的情况下，由初始状态达到温度开始剧升的瞬间所需的时间，也就是混气温度从着火临界温度T2升高到自燃点TC所需的时间。混气初始温度不同，其着火感应期t也不同。【讲解】可以看出，初温为T1时，T-t曲线永远达不到自燃点TC，这意味着着火感应期为无穷大，混气只能在TA温度进行缓慢氧化；初温为T2时，经过t1后，T-t曲线与TC直线相交，即着火感应期为t1；初温升高至T3，着火感应期则缩短为t2；当初温升高至TC后，着火感应期则为0。由此可见，混气初始温度越高，其着火感应期t越短。【讲解】影响着火感应期的因素除了初始温度以外，还有很多，如较大的反应热△H和较高的反应速率Ws都会使着火感应期变短，而较高的自燃点TC以及较高的反应活化能E都会使着火感应期变长。部分可燃物在空气中不同初温的着火感应期见表2-1。【提问】请同学们看表2-1：以正戊烷为例，分析初温对着火感应期有何影响？【讲解】由表2-1可见，正戊烷初温为287℃时着火感应期为10s，初温284℃时为24s，初温247℃时为30s，初温223℃时为101s。可见初始温度越高，着火感应期越短，与理论分析结论一致。同理，正己烷初温261℃着火感应期30s，234℃时57s。这正说明了混气初始温度对着火感应期的显著影响。【板书】（三）着火极限【讲解】对于临界点C，经分析发现，其临界温度TC、临界压力PC是可燃气体浓度Xf的函数。若保持PC不变，可得出临界温度TC与可燃气体浓度Xf的函数曲线图；若保持TC不变，可得出临界压力PC与可燃气体浓度Xf的函数曲线图。从图中可以看出，自燃着火存在一定的极限，不在极限范围内，就不能着火。【板书】1．浓度极限【讲解】存在着火浓度下限L和上限U，如果系统中可燃物浓度太小或太大，则不论温度多高或压力多大都不会自燃着火。【板书】2．温度极限【讲解】在压力保持不变的条件下，降低温度，两个浓度极限相互靠近，着火浓度范围变窄；当温度低至某一临界值时，两浓度极限合二为一；再降低温度，任何比例的混合气体均不能着火。这一临界温度值为该压力下的自燃温度极限。【板书】3．压力极限【讲解】在温度保持不变的条件下，降低压力，两个浓度极限相互靠近，着火浓度范围变窄；当压力低至某一临界值时，两浓度极限合二为一；再降低压力，任何比例的混合气体均不能着火。这一临界压力值为该温度下的自燃压力极限。【讲解】很显然，不同的混合气体，其浓度极限、温度极限和压力极限是不同的。【板书】四、热自燃理论灭火分析【板书】（一）燃烧过程中放热曲线与散热曲线的关系【讲解】在讨论着火问题时，曾作过混气浓度不变的假定。这种假定虽具有近似性，但误差不大，因为着火前反应速率很慢。但若混气一旦着火，混气浓度就会因燃烧而急剧减少。在非绝热情况下，由于混气浓度的降低，放热速率将会变慢，放热曲线不会始终上升而会出现下降；而散热曲线与混气浓度变化关系不大，仍呈直线。于是放热曲线与散热曲线的交点由两个点变成三个点。【讲解】如果提高环境温度，使散热曲线与放热曲线相切，则可燃混气必将出现着火的过程，而对应的切点是混气能够实现的高水平的稳定反应状态——高温燃烧态，对应的即为燃烧温度。由此可见，不考虑浓度变化的着火分析是不可能表明系统在燃烧时所处的状态的。【板书】（二）灭火措施【板书】1．降低环境温度【讲解】设系统已经在进行稳定燃烧，现欲使系统灭火，将环境温度降低。环境温度降到着火的临界温度时，系统仍不能灭火；当环境温度降低到某值时，放热曲线与散热曲线相切于不稳定点，系统稍微出现一降温扰动，由于散热速率大于放热速率，系统会自动降温，移到低温缓慢氧化态，这样系统就由高温燃烧态过渡到低温缓慢氧化态，即系统灭火。【讲解】从以上分析可以看出：（1）灭火条件也是放热曲线与散热曲线相切，但切点位置与着火时不同；（2）已着火系统的环境温度降到着火的临界温度，系统仍不能灭火，必须使环境温度降到低于着火（自燃）时的临界温度，即降到某值时系统才能灭火，这一现象称为灭火滞后现象。【板书】2．改善系统散热条件【讲解】设系统已经在稳定燃烧，现保持环境温度不变，为使系统灭火，改善系统散热状态，即改变式（2-3）中αF值的大小，在图上就是改变散热曲线的斜率。增大系统散热曲线斜率，使散热曲线与放热曲线相切于不稳定点，系统将向低温缓慢氧化态移动，于是系统完成了从高温燃烧态向低温缓慢氧化态的过渡，即系统灭火。【讲解】在这里可以看到同样的灭火条件和灭火滞后现象，也就是系统要在比着火时更不利的条件（散热更大）下才能灭火。【板书】3．降低系统混气浓度【讲解】设系统已经在稳定燃烧，现保持环境温度和散热条件不变，为使系统灭火，降低系统中混气的浓度。根据式（2-2）可知，放热速率将变小，放热曲线将下移。当混气浓度降低到使散热曲线与放热曲线相切于不稳定点时，系统将向低温缓慢氧化态移动，于是系统完成了从高温燃烧态向低温缓慢氧化态的过渡，即系统灭火。【讲解】在这里也可以看到同样的灭火条件和灭火滞后现象，系统要在比着火时更不利的条件（浓度更低）下才能灭火。【板书】综上所述，根据热自燃理论，要想使已经着火的系统灭火，必须采取以下措施：【板书】（1）降低系统氧气或可燃气体的浓度；【板书】（2）降低环境温度；【板书】（3）改善系统散热条件。【讲解】而且，在灭火中存在灭火滞后现象，即降低系统混气浓度和环境温度以及改善散热条件都必须使系统处于比着火时更不利的状态。进一步的研究还指出，对于灭火，降低氧浓度或可燃气浓度的作用大于降低环境温度的作用；相反，对于防止着火，降低环境温度的作用大于降低氧浓度或可燃气体浓度的作用。【提问】请同学们思考：何谓灭火滞后现象？为什么灭火要比防火付出更大代价？【讲解】灭火滞后现象是指已着火系统的环境温度必须降到低于着火（自燃）时的临