3.1 第一节气体的特性

《消防燃烧学》教案序号3.1课题第三章第一节气体的特性课时课型理论课一、教学目标及要求（一）教学目标【知识与技能】1.理解气体的流动扩散性，掌握格拉罕姆扩散定律（气体的扩散速率与其密度的平方根成反比，式3-1），能运用式（3-1）比较不同气体泄漏后的扩散速率（例题3-1）；2.掌握气体可压缩性和液化性的原理，理解临界温度、临界压力的概念，掌握不同临界温度气体的液化条件及储罐类型（表3-1）；3.理解气体的受热膨胀性及其火灾危险性（盛装气体容器受高温、撞击膨胀爆炸）。本节是《消防燃烧学》第三章"可燃气体的燃烧"中的第一节。可燃气体是火灾爆炸的主要危险源之一，气体的流动扩散性、可压缩性液化性、受热膨胀性等特性，直接决定了可燃气体的储存、运输和使用方式，也直接关系到火灾爆炸的危险性和防范措施。掌握气体的特性，是理解可燃气体的燃烧过程、燃烧速率、爆炸极限以及预防火灾爆炸措施的基础。对于消防救援人员而言，理解气体特性有助于判断燃气泄漏扩散的危险范围、正确选择灭火和处置措施。【过程与方法】1.通过格拉罕姆扩散定律（式3-1）及例题3-1（氯气与氢气扩散速率比较）的分析，掌握气体扩散速率的计算和比较方法；2.结合表3-1（部分气体的临界温度和临界压力）分析，理解不同气体液化条件的差异及储罐类型的选择；3.通过气体受热膨胀性的分析，理解压力容器（钢瓶）受热爆炸的危险及防护措施。【情感、态度、价值观】通过本节学习，使学员认识可燃气体的火灾爆炸危险性（引言中的燃气事故数据），理解掌握气体特性对防范燃气事故的重要意义，树立安全用气、安全储存、安全运输的意识。结合燃气事故案例，增强消防救援人员的职业责任感和防范化解重大安全风险的使命感。（二）教学要求1.识记流动扩散性、格拉罕姆扩散定律、临界温度、临界压力等概念；2.掌握式（3-1）并会运用其比较气体扩散速率；3.掌握临界温度、临界压力的概念及气体液化条件，熟悉储罐类型（表3-1）；4.理解气体受热膨胀性及其火灾危险性。二、教学重点1.气体的流动扩散性及格拉罕姆扩散定律（式3-1），例题3-1的运用；2.气体的可压缩性和液化性，临界温度、临界压力的概念（表3-1）；3.气体的受热膨胀性及火灾危险性。三、教学难点1.格拉罕姆扩散定律（式3-1）的推导及气体扩散速率的计算比较；2.临界温度、临界压力的概念，不同临界温度气体的液化条件；3.气体储罐类型的区分（全压力罐、低温储罐、冷冻储罐）。四、教学方法与手段本节教学内容以气体的基本特性为主，数据表1个（表3-1部分气体的临界温度和临界压力），公式1个（式3-1格拉罕姆扩散定律），例题1个（例题3-1）。教学应注重特性的条理化讲解、公式的推导运用和数据的对比分析。授课全过程使用PPT课件，将格拉罕姆扩散定律、临界温度与临界压力、表3-1数据清晰展示；采用讲授法与案例法相结合，结合燃气事故、液化气爆炸等实际案例帮助学员理解气体特性的重要性。教学中注重理论联系实际：气体的特性直接关系到储存、运输和使用的安全。教学中应结合液化石油气储罐、液氧储罐等实际工程案例和燃气事故教训，设置提问、讨论环节（如"为什么氢气泄漏扩散最快""为什么有的气体常温就能液化，有的需低温冷却""为什么钢瓶受热会爆炸"），启发学员思考，将气体特性知识应用于消防安全实践。五、教学过程设计首先，从燃气事故背景引入，引出可燃气体的火灾爆炸危险性；其次，讲解气体的流动扩散性（式3-1格拉罕姆扩散定律、例题3-1）；再次，讲解气体的可压缩性和液化性（临界温度、临界压力、表3-1、储罐类型）；第四，讲解气体的受热膨胀性及火灾危险性；最后，进行课堂小结和布置思考题。（一）引言同学们，上一节我们学习了电火花引燃理论。从本节课开始，我们进入第三章——可燃气体的燃烧。可燃气体是最危险的火灾爆炸危险源。据《全国燃气事故分析报告》（2022年），2022年全年共收集到媒体报道的国内（不含港澳台）燃气事故802起，造成66人死亡，487人受伤，其中较大事故10起。可燃气体最危险的燃烧形式是爆炸，且在特定条件下还会引起爆轰，对建筑物、工业设施等造成严重破坏，同时还会危及人身安全。因此，研究可燃气体的燃烧与爆炸机理，有效防范化解此类重大安全风险具有重大的现实意义。气体的特性（流动扩散性、可压缩性液化性、受热膨胀性）决定了其储存、运输和使用的安全。带着"气体有哪些特性""这些特性对防火防爆有何影响""为什么氢气泄漏扩散最快"这三个问题进入本节学习。（二）阐述、分析、推导【板书】第三章可燃气体的燃烧【板书】第一节气体的特性【板书】一、流动扩散性【讲解】气体具有高度的扩散性。在一般情况下，不同气体能以任意比例相混合，能够充满任何容器，并对容器壁产生压强。这是因为气体分子的热运动使各组分相互掺和，浓度趋向均匀一致。某一组分的扩散量与单位距离上其浓度的变化量（浓度梯度）成正比，在该组分浓度梯度大的地方，扩散量大，扩散速率快。【讲解】同温同压下，气体的扩散速率与其密度的平方根成反比（格拉罕姆扩散定律）。即：【板书】式（3-1）：v1/v2=√(ρ2/ρ1)=√(M2/M1)【讲解】式中，v—气体的扩散速率（m/s）；ρ—气体的密度（kg/m³）；M—气体的摩尔质量（g/mol）。【讲解】在相同条件下，气体的密度越小或式量越小，其扩散速率越快，在空气中达到爆炸极限范围所需的时间就越短。【板书】【例题3-1】试比较氯气和氢气泄漏后的扩散速率（假设容器管道内气体压力、温度相等）？【讲解】解：将氯气和氢气的摩尔质量代入公式（3-1）。氯气的摩尔质量M（Cl2）约为71g/mol，氢气的摩尔质量M（H2）约为2g/mol，则：【板书】v(H2)/v(Cl2)=√(M(Cl2)/M(H2))=√(71/2)=√35.5≈6【讲解】答：氢气泄漏的速率约是氯气的6倍。【提问】请同学们思考：为什么氢气泄漏后扩散很快，极易达到爆炸极限？【讲解】根据式（3-1），气体的扩散速率与其密度的平方根成反比。氢气密度最小（摩尔质量最小），扩散速率最快，泄漏后在空气中达到爆炸极限范围所需的时间最短，因此极易形成爆炸性混合气。同理，天然气（甲烷）、液化石油气等泄漏后也会迅速扩散，应注意通风、防止积聚。【讲解】在物质燃烧过程中，燃烧产物不断地溢出离开燃烧区，新鲜空气不断地补充进入燃烧区，其主要原因之一就是气体的扩散。低压气体的扩散速率因浓度梯度较小，主要由其与空气的相对密度来决定；高压气体的扩散速率主要由高压气体的冲力来决定，冲力越大，气体分子的能量越高，在周围介质中的浓度梯度越大，因而扩散速率越快，并且远远大于低压气体的自由扩散速率。【板书】二、可压缩性和液化性【讲解】常温常压下的气体体积大，不便于储存、运输和使用。由于气体分子间距离很大，通常可以通过缩小气体分子间距离以减小气体体积，即气体可以被压缩，在一定的温度和压力条件下甚至可以被压缩成液态。因此气体都以压缩气态或液化状态储存于容器中。【板书】（一）临界温度与临界压力【讲解】气体压缩成液态有一个极限压力和极限温度，若超出一定的温度，气体无论施加多大的压力都不可能液化，这一温度叫临界温度，即加压后使气体液化时所允许的最高温度。临界温度时液化所需要的压力叫临界压力，即临界温度时使气体液化所需的最小压力，也就是在临界温度时的饱和蒸气压。【讲解】通常临界温度较高的气体，如氨、氯气、二氧化碳、二氧化硫等气体，在常温常压下（低于它们的临界温度）加压即可液化。如：在常温下，氯气加压到0.9~1.1MPa时液化，石油气加压到1.6MPa时液化。【讲解】临界温度较低的气体，如氧气、一氧化碳、氮气等，需经压缩并冷却到一定温度以下才能液化。如：氧气需冷却到-183~-196℃并加压到1.6~0.8MPa时才能液化，氮气需冷却到-170℃并加压到0.2MPa时才能液化。【讲解】临界温度很低的气体如氢和氦等，需经压缩并冷却到接近绝对零度（-273.16℃）的低温才能液化。【讲解】从表3-1可以看出，不同气体的临界温度和临界压力差异很大。临界温度较高的如NH3（132.4℃）、Cl2（144.0℃）、SO2（157.2℃）、SO3（218.3℃）等，常温下加压即可液化；临界温度较低的如He（-267.9℃）、H2（-239.9℃）、N2（-147.1℃）、O2（-118.8℃）等，需低温冷却才能液化。【板书】（二）储罐类型【讲解】储存气体的容器有的是全压力罐，需要具备一定的耐压能力（如：液化石油气储罐、液氯储罐、液氨储罐等）；有的是低温储罐，需具有承压和保低温作用（如液氧储罐、液氮储罐、液氦储罐等）；有的是冷冻储罐，只需具有保低温作用（如液化天然气储罐）。【提问】请同学们思考：为什么液化石油气储罐是全压力罐，而液氧储罐是低温储罐？【讲解】液化石油气的主要成分（丙烷、丁烷等）临界温度较高，常温下加压即可液化，因此储罐主要承受的是压力，为全压力罐；液氧的临界温度很低（O2为-118.8℃），必须在低温下才能液化，因此液氧储罐既要承受压力又要保持低温，为低温储罐。这正体现了不同气体临界温度差异对储罐类型的决定性影响。【板书】三、受热膨胀性【讲解】气体具有受热膨胀性。因此，盛装压缩气体或液化气体的容器（钢瓶），如受高温、撞击等作用，气体就会急剧膨胀，产生很大的压力，当压力超过容器的耐压强度，就会引起容器的膨胀甚至爆炸，造成火灾事故。【讲解】所以对压力容器应有防火、隔热、防晒等防护措施，不得靠近热源、受热。【提问】请同学们思考：为什么盛装压缩气体或液化气体的钢瓶必须防火、隔热、防晒？【讲解】因为气体具有受热膨胀性，钢瓶受高温、撞击等作用，气体急剧膨胀产生很大压力，当压力超过容器耐压强度就会引起膨胀甚至爆炸。因此压力容器应远离热源、防火隔热防晒，防止受热导致超压爆炸。这也是气瓶安全操作规程的基本要求。【板书】【思考题】【板书】1．试比较氨气和乙炔气体泄漏后的扩散速率（假设容器管道内气体压力、温度相等）？【板书】2．简述气体的特性？【板书】3．简述液氧的形成过程并以此为例阐述气体压缩成液态必须具备的条件是什么？通过本次课，学员理解了气体的流动扩散性及格拉罕姆扩散定律（式3-1），会运用式（3-1）比较不同气体泄漏后的扩散速率（例题3-1），掌握了气体的可压缩性和液化性、临界温度和临界压力的概念（表3-1）、储罐类型，理解了气体的受热膨胀性及其火灾危险性。重点要求掌握式（3-1）的运用、临界温度临界压力的概念及储罐类型。小结本节知识框架：气