消防燃烧学 第2版 教案 第二章　着火与灭火基本理论

《消防燃烧学》教案序号2.1课题第三章第一节着火方式与着火条件课时课型理论课一、教学目标及要求（一）教学目标【知识与技能】1.理解着火过程的概念，掌握着火过程中化学反应速率发生跃变的特点，理解"出现火焰是着火过程的重要标志"（图2-1）；2.掌握着火方式的分类（自燃和引燃），掌握自燃的定义、分类（自热自燃、受热自燃）及典型实例，掌握引燃的定义及特点，理解自燃与引燃的联系和区别；3.掌握着火条件的概念，理解达到着火条件只是具备了着火的可能（并未着火），掌握着火条件是化学动力学参数、流体动力学参数和传质传热学参数的综合体现（式2-1）。本节是《消防燃烧学》第三章"着火与灭火"中的第一节。着火是燃烧过程的起点，掌握着火的本质、方式与条件，是理解火灾发生机理、火灾预防和灭火原理的基础。对于消防救援人员而言，理解着火条件有助于分析火灾发生的原因、评估火灾危险性，是后续学习灭火原理和火灾调查的重要前提。【过程与方法】1.通过着火过程中化学反应速率曲线（图2-1）的分析，理解着火过程的自动加速特征及火焰作为着火标志的意义；2.通过自燃（自热自燃、受热自燃）与引燃的实例分析（油锅过热、火柴摩擦、黄磷自燃、烟煤自燃、枯枝堆自燃等），掌握着火方式的分类及判别方法；3.通过式（2-1）中T0、P、α、d、v0等参数的分析，理解着火条件是多种参数的综合体现；4.通过思考题2（木材燃烧、液化石油气爆炸、油锅起火、香烟点燃、汽油发动机、柴油发动机的着火方式）的讨论，培养将着火方式理论应用于实际判别的能力。【情感、态度、价值观】通过本节学习，使学员认识到着火是燃烧的起点，理解火灾发生的本质原因和着火条件的复杂性，树立从"着火条件"角度科学分析火灾成因、预防火灾发生的理念。培养学员严谨求实的科学态度和辩证思维（着火方式分类的相对性），增强职业责任感和专业素养。（二）教学要求1.识记着火、自燃、引燃、自热自燃、受热自燃、着火条件等概念；2.掌握着火过程的特点及火焰作为着火标志的意义；3.掌握着火方式的分类（自燃、引燃）及各自的特点、典型实例；4.掌握着火条件的概念及式（2-1）中各参数的物理意义。二、教学重点1.着火过程的概念及化学反应速率跃变的特点（图2-1）；2.着火方式的分类：自燃（自热自燃、受热自燃）、引燃，各自定义、特点及典型实例；3.着火条件的概念及式（2-1）的综合体现。三、教学难点1.着火过程"化学反应速率跃变"的化学动力学理解；2.自燃与引燃的联系和区别（整体加热与局部加热的差别，而非"自动"与"受迫"的差别）；3.着火条件"达到着火条件并不表明已经着火"的理解，及着火条件是多种参数综合体现（式2-1）。四、教学方法与手段本节教学内容以概念、原理和分类为主，插图1个（图2-1着火过程中的化学反应速率），公式1个（式2-1），思考题4道。教学应注重概念的条理化讲解、原理的深入剖析以及理论联系实际的实例分析。授课全过程使用PPT课件，将着火过程曲线、着火方式分类结构图、式（2-1）清晰展示；采用讲授法与案例法相结合，通过大量贴近生活的实例（油锅过热、火柴摩擦、黄磷自燃、烟煤自燃、枯枝堆自燃、香烟点燃等）帮助学员理解抽象概念。教学中注重辩证思维的培养：着火方式的分类（自燃与引燃）具有相对性，自热自燃和受热自燃都既有自身化学反应作用又有外部热量作用；自燃和引燃的差别只是整体加热和局部加热的不同。教学中设置提问、讨论环节（如"为什么黄磷暴露在空气中会自燃""木材燃烧属于哪种着火方式"），启发学员思考，将理论与实际相结合。五、教学过程设计首先，从着火过程的概念出发，讲解着火过程中化学反应速率的跃变特点及火焰作为着火标志的意义（图2-1）；其次，讲解着火方式的分类——自燃（自热自燃、受热自燃）和引燃，通过典型实例帮助学员掌握判别方法；再次，讲解着火条件的概念，重点理解"达到着火条件并不表明已经着火"及着火条件是多种参数的综合体现（式2-1）；最后，进行课堂小结和布置思考题。（一）引言同学们，在第二章我们学习了燃烧的本质、条件、火焰、燃烧热、火灾烟气等内容，认识了燃烧现象及其规律。从本节课开始，我们进入第三章——着火与灭火的学习。火是怎么着起来的？为什么有的物质会自行燃烧（自燃），而有的物质需要明火点燃（引燃）？着火需要具备什么条件？理解这些问题，对于火灾预防和灭火救援具有重要意义。带着这些问题进入本节学习。引导学员回顾燃烧条件（可燃物、氧化剂、引火源）和燃烧过程。着火是燃烧的起点，是从缓慢氧化到剧烈燃烧的转变过程。带着"着火是什么、有哪些方式、需什么条件"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】第一节着火方式与着火条件【板书】一、着火过程【讲解】从燃烧过程的化学动力学可知，任何一个燃烧反应，都存在一个从反应的引发到剧烈反应的自动加速过程，这个过程就是着火。在着火过程中，可燃物与氧化剂接触混合，经历了由无化学反应、缓慢化学反应向剧烈化学反应状态的过渡，并在某个瞬间出现火焰，最终由缓慢氧化状态变为剧烈燃烧状态。【讲解】在着火过程中，化学反应速率发生了跃变，即化学反应在极短时间内从低速状态加速到高速状态，而出现火焰则是着火过程的重要标志，如图2-1所示。【讲解】由图2-1可以看出：在着火之前，反应处于缓慢氧化状态，反应速率随温度升高缓慢增大；当着火发生时，反应速率发生跃变，在极短时间内急剧增大，由缓慢氧化状态转变为剧烈燃烧状态；在剧烈燃烧阶段，反应速率继续升高并趋于某一最大值。图中反应速率的跃变区间即对应着火过程。【提问】请同学们思考：着火过程的重要标志是什么？着火前后化学反应速率有何变化？【讲解】出现火焰是着火过程的重要标志。着火前后化学反应速率发生跃变，在极短时间内从低速状态（缓慢氧化）加速到高速状态（剧烈燃烧）。【板书】二、着火方式【讲解】可燃物的着火方式，一般可分为自燃和引燃两种。【板书】（一）自燃【讲解】自燃是在没有外部火花、火焰等点火源的直接作用下，可燃物因受热或依靠自身反应（物理、化学、生物反应等）发热并蓄热，导致温度不断升高并自行发生燃烧的现象。【讲解】自燃的典型实例有：油锅过热而着火、火柴摩擦而着火、炸药受撞击而爆炸、黄磷暴露在空气中而自燃、烟煤因堆积过高而自燃、枯枝树叶或稻草秸秆等长时间堆积而自燃等。【讲解】根据热源的不同，自燃可以分为自热自燃和受热自燃。【板书】1．自热自燃【讲解】自热自燃是指可燃物依靠自身的物理、化学、生物等反应放热蓄热而发生的自燃。如黄磷暴露在空气中因常温下与氧气剧烈反应放热而自燃，烟煤因堆积过高内部氧化蓄热而自燃，枯枝树叶、稻草秸秆等长时间堆积因生物发酵放热而自燃等。【板书】2．受热自燃【讲解】受热自燃是指可燃物因受到外部热源加热（如油锅过热、受辐射热等）而温度升高，达到自燃点而自行燃烧的现象。如油锅过热而着火、可燃物靠近高温热源而自燃等。【板书】（二）引燃【讲解】引燃则是使用火花、火焰、炽热体等高温热源作用于可燃物的局部，使该局部受到强烈加热而首先着火、燃烧，然后燃烧以一定的速率逐渐扩展传播到可燃物的其他部分或整个反应空间。【讲解】在大部分火灾中，可燃物都是通过引燃方式而着火的。例如，木材燃烧、香烟点燃等。【板书】（三）着火方式分类的辨析【讲解】必须指出，这种着火方式的分类，并不能十分恰当地反映出它们之间的联系和差别。例如自热自燃和受热自燃都是既有自身化学反应的作用，又有外部热量的作用；而自燃和引燃的差别也仅仅只是整体加热和局部加热的不同而已，绝不是"自动"和"受迫"的差别。【提问】请同学们思考：木材燃烧、液化石油气爆炸、油锅起火、香烟点燃、汽油发动机的燃烧、柴油发动机的燃烧分别属于哪种着火方式？【讲解】木材燃烧和香烟点燃属于引燃（高温热源作用于局部使其着火）；油锅起火属于受热自燃（外部热源加热达到自燃点）；液化石油气爆炸属于可燃气体达到爆炸条件后的瞬间燃烧（与着火方式相关，可视为燃烧的迅速扩展）；汽油发动机的燃烧属于电火花引燃（引燃）；柴油发动机的燃烧属于压燃（压缩使可燃混合气温度升高至自燃点而自燃）。【板书】三、着火条件【讲解】在常温下，绝大多数可燃物与空气接触混合，只能进行缓慢的氧化，并不会着火燃烧，这说明着火的发生是需要具备一定条件的。【讲解】如果在一定的初始条件下，可燃物不能保持低温的缓慢氧化状态，而是出现一个急剧的自动加速过程，使可燃物在某个瞬间达到高温的剧烈燃烧状态，那么这个初始条件便称为着火条件。【板书】（1）达到着火条件并不表明可燃物已经着火【讲解】达到着火条件并不表明可燃物已经着火，而只是可燃物已经具备了着火的可能，会出现着火的过程。也就是说，着火条件是可燃物着火的必要条件，而非充分条件。【板书】（2）着火条件是多种参数的综合体现【讲解】着火条件并不只是一个简单的初温条件，而是化学动力学参数、流体动力学参数和传质传热学参数的综合体现。【讲解】例如，对于某一种具体的可燃预混气体而言，在封闭的条件下，其着火条件可由下列函数关系表示：【板书】f（T0，P，α，d，v0）=0（2-1）【讲解】式中：T0—预混气体初始温度（环境温度）；P—预混气体初始压力；α—对流换热系数；d—容器直径；v0—环境气流速率。【讲解】由式（2-1）可见，着火条件不仅与初始温度有关，还与初始压力、对流换热系数、容器直径、环境气流速率等多个参数有关，是多种参数的综合体现。任一参数的改变都可能影响着火是否发生。【提问】请同学们思考：当可燃物具备着火条件时是否已经着火？着火条件是一般的初温条件吗？【讲解】可燃物具备着火条件时并未着火，只是具备了着火的可能，会出现着火的过程，着火是可燃物在具备着火条件后发生的自动加速反应过程。着火条件不是简单的初温条件，而是化学动力学参数、流体动力学参数和传质传热学参数的综合体现（如式2-1中的T0、P、α、d、v0等）。【板书】【思考题】【板书】1．在着火的过程中，可燃物的反应状态有何变化，这一变化的实质和标志分别是什么？【板书】2．木材燃烧、液化石油气爆炸、油锅起火、香烟点燃、汽油发动机的燃烧、柴油发动机的燃烧分别属于哪种着火方式？【板书】3．自燃和引燃这两种着火方式有何异同？【板书】4．着火条件有哪些？当可燃物具备着火条件时是否已经着火？通过本次课，学员理解了着火过程的概念及化学反应速率跃变的特点（图2-1），掌握了着火方式的分类——自燃（自热自燃、受热自燃）和引燃的定义、特点及典型实例，掌握了着火条件的概念及式（2-1）的综合体现。重点要求掌握着火方式的分类与判别，理解"达到着火条件并不表明已经着火"。小结本节知识框架：着火过程（化学反应速率跃变、火焰为标志，图2-1）→着火方式（自燃：自热自燃/受热自燃；引燃）→着火条件（概念、式2-1综合体现）。下节课将学习自燃点、闪点、燃点等着火特性参数，请预习相关内容。六、参考资料参考资料：1.胡源，宋磊，尤飞，钟茂华.火灾化学导论[M].北京：化学工业出版社，2012.2.刘永基，王作福，单大国.消防燃烧原理[M].北京：辽宁人民出版社.3.杜文锋，伍作鹏.消防燃烧学[M].北京：中国人民公安大学出版社.七、教学后思《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）时的临界温度，或散热、降浓度条件必须比着火时更不利，系统才能灭火的现象。因为系统在燃烧时处于高温燃烧态（稳定点），要使它从高温燃烧态过渡到低温缓慢氧化态，必须打破这一稳定状态，使散热、降温、降浓度达到比着火时更苛刻的条件，所以灭火要比防火（防止着火）付出更大代价。这充分说明"预防为主、防消结合"方针的科学性。【板书】【思考题】【板书】1．谢苗诺夫热自燃理论的基本观点是什么？【板书】2．根据热自燃理论，可燃物发生着火的温度条件是什么？何时会出现火焰？【板书】3．可燃物在着火过程中，温度在TC前后的变化有何不同？【板书】4．何谓着火感应期，初始温度对其有何影响？【板书】5．自燃着火存在什么极限？【板书】6．何谓灭火滞后现象？【板书】7．根据热自燃理论的灭火分析，可提出哪些灭火措施？通过本次课，学员理解了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），掌握了放热速率（式2-2）、散热速率（式2-3）及放热曲线、散热曲线（图2-3）的分析，掌握了着火临界温度T2、自燃点TC的概念，掌握了着火感应期及影响因素（表2-1），掌握了着火极限（浓度、温度、压力），掌握了灭火条件、灭火滞后现象及三种灭火措施。重点要求掌握着火条件（T2、TC）的确定及灭火滞后现象。小结本节知识框架：热自燃理论（谢苗诺夫观点）→放热与散热分析（模型图2-2、式2-2/2-3、曲线图2-3）→着火分析（着火条件T2/TC、着火感应期、着火极限）→灭火分析（灭火条件、灭火滞后现象、灭火措施）。下节课将学习着火延滞期、闪燃与闪点，请预习相关内容。六、参考资料参考资料：1.胡源，宋磊，尤飞，钟茂华.火灾化学导论[M].北京：化学工业出版社，2012.2.刘永基，王作福，单大国.消防燃烧原理[M].北京：辽宁人民出版社.3.杜文锋，伍作鹏.消防燃烧学[M].北京：中国人民公安大学出版社.七、教学后思《消防燃烧学》教案序号2.3课题第三章第三节链锁反应理论课时课型理论课一、教学目标及要求（一）教学目标【知识与技能】1.理解链锁反应（链式反应）的概念及特点，掌握自由基（游离基）的定义及特点；2.掌握链锁反应过程的三个阶段（链引发、链传递、链终止）及各自特点，理解其消防工作启示；3.掌握链锁反应的分类（直链反应、支链反应）及区别，理解倍增因子α的意义；4.掌握链锁反应理论着火分析：自由基的增长与销毁（W1、W2、W3）、着火条件（φ=f-g>0）、链锁反应对爆炸极限的影响（氢氧反应三个爆炸极限，图2-16）；5.掌握链锁反应理论的灭火分析：降低系统温度、增加自由基固相销毁速率、增加自由基气相销毁速率。本节是《消防燃烧学》第三章"着火与灭火"中的第三节。热自燃理论从热平衡角度解释着火，但对某些现象（如氢氧反应存在三个爆炸极限）无法解释，于是谢苗诺夫提出了链锁反应（链式反应）着火理论。链锁反应理论从自由基（游离基）的角度揭示了着火的本质，是理解爆炸极限、化学抑制灭火（卤代烷等）的理论基础。掌握链锁反应理论，对于理解燃烧的化学本质、掌握化学灭火原理（抑制自由基）具有重要意义。【过程与方法】1.通过链引发、链传递、链终止三阶段的分析（含化学方程式），理解链锁反应的机理；2.通过直链反应与支链反应的对比（图2-14），理解倍增因子α的意义及支链反应的加速特点；3.通过自由基增长速率W2与销毁速率W3的分析（图2-15），掌握链锁反应着火条件（φ>0）；4.通过氢氧反应三个爆炸极限的分析（图2-16），理解链锁反应理论对爆炸极限的解释；5.通过灭火措施的分析（降温、固相销毁、气相销毁），理解化学抑制灭火原理。【情感、态度、价值观】通过本节学习，使学员理解燃烧的链锁反应本质，认识到自由基（游离基）在燃烧和灭火中的重要作用，掌握从"自由基增长与销毁"角度分析着火与灭火的科学方法。理解"控制和消除火源是防火的关键""中断链的传递、销毁自由基是灭火的途径"，牢固树立预防为主、综合治理的理念，增强消防工作的科学性和专业素养。（二）教学要求1.识记链锁反应、自由基、链引发、链传递、链终止、直链反应、支链反应、倍增因子等概念；2.掌握链锁反应的三个阶段及消防工作启示；3.掌握直链反应与支链反应的区别；4.掌握链锁反应着火条件（φ=f-g>0）；5.掌握链锁反应理论对爆炸极限的解释（氢氧三个爆炸极限）；6.掌握链锁反应理论的灭火措施。二、教学重点1.链锁反应的概念、特点及自由基的定义；2.链锁反应的三个阶段（链引发、链传递、链终止）及消防启示；3.直链反应与支链反应的区别，倍增因子α；4.链锁反应着火条件（自由基增长速率W2与销毁速率W3的关系，φ>0）；5.链锁反应理论灭火措施（降温、增加固相/气相销毁速率）。三、教学难点1.自由基（游离基）的概念及在链锁反应中的核心作用；2.直链反应与支链反应的反应机理及倍增因子α的意义（图2-14）；3.链锁反应着火条件φ=f-g>0的推导及临界温度的意义（图2-15）；4.链锁反应理论对氢氧反应三个爆炸极限的解释（图2-16）；5.化学抑制灭火原理（卤代烷、溴阻燃剂抑制自由基）。四、教学方法与手段本节教学内容以化学反应机理和理论分析为主，插图多个（图2-14~2-16），化学方程式多个。教学应注重反应机理的条理化讲解、方程式的清晰呈现和概念的对比辨析。授课全过程使用PPT课件，将链锁反应三个阶段、直链/支链反应机理、氢氧爆炸极限曲线（图2-16）等清晰展示，将链引发、链传递、链终止的化学方程式逐步呈现；采用讲授法、图示法与启发式提问相结合，通过直链与支链反应对比（图2-14）启发学员理解自由基倍增，通过图2-15分析着火条件，通过图2-16（氢氧三个爆炸极限）理解链锁反应对爆炸极限的解释。教学中注重理论联系实际：链锁反应理论是理解化学抑制灭火（卤代烷、溴阻燃剂、干粉灭火剂等）的理论基础。教学中应结合卤代烷灭火、阻燃剂等实际灭火技术和材料，设置提问、讨论环节（如"为什么卤代烷能有效灭火""为什么氢氧反应有三个爆炸极限""控制和消除火源为什么是防火的关键"），启发学员深入思考，将理论应用于消防实践。五、教学过程设计首先，从热自燃理论的不足（无法解释氢氧反应三个爆炸极限）引出链锁反应理论；其次，讲解链锁反应的概念、自由基及三个阶段（链引发、链传递、链终止）；再次，讲解链锁反应的分类（直链反应、支链反应，图2-14）；第四，进行链锁反应理论着火分析（自由基增长与销毁、着火条件φ>0、对爆炸极限的影响，图2-15、2-16）；第五，讲解链锁反应理论的灭火分析；最后，进行课堂小结和布置思考题。（一）引言同学们，上一节我们学习了热自燃理论，它从热平衡（放热与散热）的角度解释了着火。但是，热自燃理论并不能解释所有的燃烧现象，例如氢氧反应存在三个爆炸极限。因此，谢苗诺夫又提出了链锁反应（链式反应）着火理论，该理论认为，燃烧是一种游离基（自由基）的链锁反应。引导学员回顾热自燃理论及其局限性。链锁反应理论从自由基的角度揭示了着火的化学本质，能够解释热自燃理论无法解释的现象（如氢氧三个爆炸极限），也是化学灭火（抑制自由基）的理论基础。带着"什么是链锁反应""直链与支链有何区别""如何用链锁反应理论解释爆炸极限和指导灭火"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】第三节链锁反应理论【讲解】对于燃烧过程中的很多问题，根据热自燃理论可进行合理的解释，并且与实验结果也比较吻合，但也有一些现象不能解释，例如氢氧反应存在三个爆炸极限。因此，谢苗诺夫又提出了链锁反应着火理论，该理论认为，燃烧是一种游离基（自由基）的链锁反应。【板书】一、链锁反应【讲解】链锁反应又叫链式反应，这一名称取意于形似无数把锁的连接或船舶使用的锚链，即反应过程中，当一个分子被活化后，会引起许多分子连续不断地进行化学反应，每个基元反应可形象化地看成链锁一样一环扣一环。链锁反应最大的特点是在反应过程中存在一种特殊的活性中间物——游离基，只要游离基不消失，反应就一直进行下去，直到反应完成。【讲解】游离基又称自由基，是单质或化合物分子中的共价键在外界能量（如光、热等）的作用下分裂而成的含有不成对价电子的原子或原子团，如氢原子（H·）、氢氧基（OH·）、甲基（CH3·）等。由于自由基比分子有更多的活化能，活性非常强，一般在普通条件下是不能稳定存在的，很容易自行结合成稳定的分子，或与其他分子碰撞产生新的自由基。【讲解】当反应物中一旦被引发产生少量的自由基后，便相继发生一系列的链锁反应，在反应中自由基始终交替生成和消失，使反应不断地自动循环发展，直至反应物全部反应完为止。当自由基全部消失时，链锁反应就会中断，燃烧也就停止。【讲解】链锁反应过程一般由三个阶段组成：链引发、链传递、链终止。【板书】（一）链引发【讲解】链锁反应中初始产生自由基的阶段称为链引发。要使分子分解产生自由基，就要使分子中较稳定的化学键断裂，这需要很大的能量，因此链引发是一个比较困难的过程。引发的方法很多，常用的有热引发、光引发、氧化还原引发等。【板书】（二）链传递【讲解】在链传递阶段，自由基不断与反应物分子碰撞反应，在生成产物的同时，能够再生成新的自由基，因此可以使反应一个传一个，不断地进行下去。链传递阶段是链锁反应的主体阶段，自由基等活泼粒子是反应链的传递物。【板书】（三）链终止【讲解】在链终止阶段，如果自由基与自由基碰撞或与容器壁、其他惰性分子碰撞后，因失去能量而成为稳定分子，自由基消失，则链锁反应终止。【讲解】例如，以氢和氯的反应为例，由以下分步反应构成：（链引发）Cl2在光或热作用下分解为2Cl·；（链传递）Cl·+H2→HCl+H·，H·+Cl2→HCl+Cl·；（链终止）2Cl·→Cl2。【讲解】从链锁反应的三个阶段及其特点可以看出：链引发，要依靠外界提供能量；链传递，可以自动发展；链终止，只要销毁一个自由基就可以销毁一连串的链传递。因此，在消防工作中可以得到以下启示：【板书】1．点火源可以提供和引发自由基的产生，因此控制和消除火源是防火的关键。【板书】2．当可燃物已经着火时，应立即采取措施破坏能量的继续提供和链传递条件，中断链的传递。【板书】3．不断探索和改革工艺设备，增加自由基与容器壁碰撞机率，使自由基失去能量；不断研究阻燃技术和新型灭火剂，使其有效抑制自由基，使链终止，燃烧迅速熄灭。【板书】二、链锁反应的分类【讲解】链锁反应可分为直链反应和支链反应。一般情况下，碳氢化合物的燃烧大都属于支链反应。【板书】（一）直链反应【讲解】直链反应是指在链传递过程中每消耗一个自由基的同时又生成一个新的自由基，直至链终止。例如氢和溴的反应：（链引发）Br2→2Br·；（链传递）Br·+H2→HBr+H·，H·+Br2→HBr+Br·；（链终止）2Br·→Br2。【讲解】上述链锁反应中，一旦形成自由基，就会按链传递反应不断反复进行。在整个链传递中，自由基的数目始终保持不变。【讲解】在直链反应的链传递过程中，虽然自由基的数目保持不变，但链传递的速率却是非常快的。据统计，每产生一个自由基往往能循环反应生成10^4～10^6个分子，直链反应才能终止，而这一循环一般发生在不到1秒的时间内，所以直链反应的速率也是非常快的。【板书】（二）支链反应【讲解】支链反应是指一个自由基在链传递过程中，生成最终产物的同时产生2个或2个以上的自由基。自由基的数目在反应过程中随时间而增加，因此反应速率是加速的。例如氢氧反应：（链引发）H2+O2→2OH·；（链传递）OH·+H2→H2O+H·，H·+O2→OH·+O·，O·+H2→OH·+H·；（链终止）自由基相互结合或碰撞容器壁销毁。【讲解】将链传递反应相加可得：一个H·自由基参加反应后，经过一个链传递形成最终产物H2O的同时产生了3个H·自由基。这3个H·自由基又开始形成另外3个链，而每个又将产生3个H·自由基。这样，随着反应的进行，自由基的数目不断增多，因此反应不断加速，如图2-14所示。【讲解】自由基在链传递过程前后的数目之比称为倍增因子，用α表示。显然在直链反应中α=1，在支链反应中α＞1，而在氢氧反应中α=3。【板书】三、链锁反应理论着火分析【讲解】链锁反应理论认为：反应自动加速并不一定要依靠热量的积累，也可以通过链锁反应逐渐积累自由基的方法使反应自动加速，直至着火。系统中自由基数目能否发生积累，是链锁反应过程中自由基增长与销毁共同作用的结果，如果增长大于销毁，就会发生自由基的积累，反应就会自动加速，最终着火。【板书】（一）自由基的增长与销毁【讲解】在链引发阶段，由于外界能量的作用，反应分子会分解生成自由基。自由基的生成速率用W1表示，因为链引发是一个困难的过程，故W1一般比较小。【讲解】在链传递阶段，由于支链反应的分支，自由基数目增加，例如氢氧反应中氢自由基在链传递过程中1个生成3个。显然自由基浓度n越大，自由基数目增长越快。设在链传递过程中自由基的增长速率为W2，W2=fn，f为增长速率常数。由于分支过程是由稳定分子分解生成自由基的过程，需要吸收能量，因此温度对f的影响很大，温度升高，f值增大，W2也随着增大。增长速率W2在自由基数目增长因素中起决定性作用。【讲解】在链终止阶段，自由基与自由基碰撞或与容器壁、其他惰性分子碰撞后失去能量，变成稳定分子，自由基消失。设其销毁速率为W3，自由基浓度n越大，碰撞机会越多，销毁速率W3增加，即W3=gn，g为销毁速率常数。由于链终止反应是合成反应，需要放出能量，因此温度升高，g值减小，W3也随着减小。【板书】（二）链锁反应着火条件【讲解】在链锁反应过程中，自由基生成速率W1很小，可以忽略，引起自由基数目变化的主要因素是自由基的增长速率W2和销毁速率W3。由于温度对W2、W3的影响不同，在不同温度下，自由基数目的变化会出现不同的情况。【板书】1．系统处于低温时，W2很小，W3很大，因此很可能φ=f-g＜0，自由基数目不能积累，反应速率不会自动加速，因此系统不会着火。【板书】2．系统升高温度，W2增加，W3减小，可能出现φ=f-g=0的情况，但自由基数目仍不能积累，反应速率不会自动加速，系统也不会着火。【板书】3．系统进一步升高温度，W2进一步增加，W3进一步减小，当达到一定的温度，可能出现W2＞W3，即φ=f-g＞0。自由基数目不断积累，反应速率不断自动加速，最终系统发生着火。【讲解】将以上三种情况画在Ws-t图上，很容易找到着火条件，如图2-15所示。只有当φ＞0时，即自由基的增长速率W2大于销毁速率W3时，系统才能着火。而φ=0是着火的临界条件，对应的温度则为着火的临界温度。【提问】请同学们思考：链锁反应着火的临界条件是什么？温度升高对自由基增长速率和销毁速率各有何影响？【讲解】链锁反应着火的临界条件是φ=f-g=0，即自由基增长速率W2等于销毁速率W3；只有当φ＞0（W2＞W3）时系统才能着火。温度升高，链传递分支需要吸收能量，增长速率常数f增大，W2增大；链终止是放热的合成反应，销毁速率常数g减小，W3减小。【板书】（三）链锁反应对爆炸极限的影响【讲解】以化学计量浓度混合的氢气和氧气发生爆炸的临界温度和临界压力的关系如图2-16所示。【讲解】由图2-16可以看出，在450℃以下氢氧混合气体由于反应速率太慢，任何压力下均不会发生爆炸；在600℃以上，则在各种压力下均会发生爆炸；在450～600℃范围内，则随着压力的不同存在爆炸区和非爆炸区，即氢氧反应有三个爆炸极限，这是热自燃理论解释不了的。现用链锁反应着火理论进行简单解释。【板书】第一极限【讲解】设第一、二极限之间的爆炸区内有一点P，保持系统温度不变而降低压力，P点则向下垂直移动。此时因氢氧混气压力较低，自由基不易与反应物分子发生碰撞，很容易快速扩散与容器壁碰撞，自由基销毁主要发生在容器壁上。压力越低，自由基销毁速率越大，当压力下降到某一值后，自由基销毁速率W3有可能大于增长速率W2，即φ＜0，于是系统由爆炸转为不爆炸，爆炸区与非爆炸区之间就出现了第一极限。【板书】第二极限【讲解】如果保持系统温度不变而升高压力，P点则向上垂直移动。这时因氢氧混气压力较高，自由基在扩散过程中，很容易与大量稳定分子碰撞或自由基之间碰撞而结合成稳定分子，因此自由基主要销毁在气相中。压力增加，自由基气相销毁速率增加，当压力增加到某一值后，自由基销毁速率W3有可能大于增长速率W2，即φ＜0，于是系统由爆炸转为不爆炸，爆炸区与非爆炸区之间就出现了第二极限。【板书】第三极限【讲解】压力再增大，氢氧混合气体又会发生新的链锁反应，新的链锁反应导致自由基增长速率W2增大，出现φ＞0的情况，于是系统由不爆炸转为爆炸，这就是爆炸的第三极限。【板书】四、链锁反应理论灭火分析【讲解】根据链锁反应理论，若要使系统不发生着火，或使已经着火的系统灭火，必须使系统中的自由基增长速率（主要是链传递过程中由于链分支而引起的自由基增长）小于自由基的销毁速率。在燃烧过程中，自由基主要有H·、OH·、O·等，尤其是H·较多，在烃类可燃物的燃烧中具有重要作用。为此，可以采取以下措施：【板书】（一）降低系统温度，减慢自由基增长速率【讲解】在链锁反应的链传递过程中，由于链分支而产生的自由基增长是一个分解过程，需要吸收能量。因此，系统温度越高，自由基增长越快，反之系统温度越低，自由基增长越慢，所以降低系统温度可以减慢自由基的增长速率。【板书】（二）增加自由基固相销毁速率【讲解】自由基碰到固体壁面，会把自己大部分能量传递给固体壁面，而自身结合成稳定分子。为增加自由基碰撞固体壁面的机率，可以增加容器的比表面积，或者在着火系统中加入砂子、粉末灭火剂等固体颗粒。例如，将三氧化二锑（Sb2O3）与溴化物同时喷入燃烧区，可生成三溴化锑（SbBr3），而SbBr3可迅速升华成极细的颗粒，分布在燃烧区内，对链锁反应起到抑制作用。【板书】（三）增加自由基气相销毁速率【讲解】自由基在气相中碰到稳定分子，会把自己大部分能量传递给稳定分子，而自身也结合成稳定分子。为此，可以在着火系统中喷洒卤代烷等气体灭火剂，或者在材料中加入卤代烷阻燃剂，例如溴阻燃剂。【讲解】溴阻燃剂在燃烧过程中受热会分解出HBr，HBr与H·、OH·自由基会发生一系列反应，在燃烧过程中不断捕捉H·和OH·自由基，使得系统中的H·、OH·自由基不断减少，从而使燃烧终止，起到灭火的作用。【提问】请同学们思考：为什么卤代烷等含溴阻燃剂能有效抑制燃烧？增加自由基销毁速率在灭火中有何意义？【讲解】卤代烷、溴阻燃剂在燃烧中分解出HBr等，与H·、OH·等自由基发生反应，不断捕捉和销毁自由基，使自由基浓度下降，链传递中断，链锁反应终止，燃烧熄灭。增加自由基销毁速率（固相或气相）能够有效中断链锁反应，是化学灭火（抑制灭火）的重要原理。【板书】【思考题】【板书】1．自由基是如何产生的，其有何特点？【板书】2．链锁反应可分为哪几个阶段？对消防工作有何启示？【板书】3．链锁反应可如何分类，其有何区别？【板书】4．链锁反应着火理论的基本观点是什么？【板书】5．根据链锁反应理论的灭火分析，可提出哪些灭火措施？通过本次课，学员理解了链锁反应（链式反应）的概念、特点及自由基的定义，掌握了链锁反应三个阶段（链引发、链传递、链终止）及消防启示，掌握了直链反应与支链反应的区别及倍增因子α，掌握了链锁反应着火条件（φ=f-g＞0）及对爆炸极限的影响（氢氧三个爆炸极限，图2-16），掌握了链锁反应理论的灭火措施（降温、增加固相/气相销毁速率）。重点要求掌握链锁反应三阶段、着火条件及灭火原理。小结本节知识框架：链锁反应（概念、自由基、三阶段）→链锁反应分类（直链、支链，图2-14）→着火分析（自由基增长/销毁、着火条件φ>0、爆炸极限图2-15/2-16）→灭火分析（降温、固相/气相销毁）。下节课将学习着火延滞期、闪燃与闪点，请预习相关内容。六、参考资料参考资料：1.胡源，宋磊，尤飞，钟茂华.火灾化学导论[M].北京：化学工业出版社，2012.2.刘永基，王作福，单大国.消防燃烧原理[M].北京：辽宁人民出版社.3.杜文锋，伍作鹏.消防燃烧学[M].北京：中国人民公安大学出版社.七、教学后思《消防燃烧学》教案序号2.4课题第二章第四节电火花引燃理论课时课型理论课一、教学目标及要求（一）教学目标【知识与技能】1.掌握引燃的特征（与自燃的本质联系和具体区别，3条特征）；2.掌握电火花引燃的机理（着火的热理论、着火的电离理论，两种机理同时存在）及两个阶段，理解式（2-4）电容放电能量的计算；3.掌握最小点火能量（最小引燃能量Emin）的概念及影响因素，理解表2-2中不同可燃预混气体的Emin和电极熄火距离dq；4.掌握电极熄火距离dq的概念、式（2-5）Emin=Kdq²及最危险电极距离d危的意义。本节是着火与灭火基本理论中的一节。在第二章前几节中，我们学习了着火方式与着火条件、热自燃理论、链锁反应理论，认识了着火的本质。引燃是绝大多数火灾的起火方式（如电气火灾中的电火花引燃），而电火花又是实验室和发动机中最常用的点火方式。掌握电火花引燃理论，对于理解电气火灾的机理、评估可燃物引燃危险性、掌握最小点火能量和电极熄火距离等参数具有重要意义，也为后续学习气体、液体、固体可燃物的燃烧打下基础。【过程与方法】1.通过引燃特征与自燃特征的对比分析，掌握引燃的3条特征；2.通过着火的热理论与电离理论的对比，理解电火花引燃的机理及两种机理的关系（低压电离为主，高电压热为主）；3.结合表2-2（不同可燃预混气体的最小点火能量Emin和电极熄火距离dq）分析，掌握最小点火能量的概念及影响因素；4.通过图2-17（Emin与电极距离d的关系）及式（2-5），掌握电极熄火距离dq和最危险距离d危的物理意义。【情感、态度、价值观】通过本节学习，使学员理解电火花引燃是电气火灾和爆炸事故的重要起火方式，掌握最小点火能量这一衡量可燃物危险性的重要参数，树立对电气火灾、静电放电、爆炸危险场所的防范意识。理解"控制和消除火源是防火的关键"在电气防火中的具体体现，增强消防工作的科学性和责任感。（二）教学要求1.识记引燃、电火花引燃、最小点火能量（最小引燃能量）、电极熄火距离等概念；2.掌握引燃的3条特征；3.掌握电火花引燃的两种机理及两个阶段；4.掌握最小点火能量Emin的概念及影响因素；5.掌握电极熄火距离dq及最危险电极距离d危的意义。二、教学重点1.引燃的特征（与自燃的联系和区别）；2.电火花引燃的机理（着火的热理论、电离理论）及两个阶段；3.最小点火能量Emin的概念及影响因素（表2-2）；4.电极熄火距离dq及最危险电极距离d危。三、教学难点1.电火花引燃的着火热理论与电离理论的原理及关系；2.最小点火能量Emin与电极距离d的关系（图2-17），电极熄火距离dq、最危险距离d危的理解；3.式（2-4）电容放电能量、式（2-5）Emin=Kdq²的应用。四、教学方法与手段本节教学内容以概念、机理和参数分析为主，插图1个（图2-17最小点火能量Emin与电极距离d），数据表1个（表2-2不同可燃预混气体的最小点火能量Emin和电极熄火距离dq），公式2个（式2-4、2-5）。教学应注重概念的条理化讲解、机理的深入剖析和参数的对比分析。授课全过程使用PPT课件，将电火花引燃机理、Emin-d曲线（图2-17）、表2-2数据清晰展示；采用讲授法与案例法相结合，结合电气火灾、静电放电等实际案例帮助学员理解电火花引燃的危害。教学中注重理论联系实际：电火花引燃是电气火灾和爆炸的重要起火方式，最小点火能量是衡量可燃物危险性的重要参数。教学中设置提问、讨论环节（如"为什么氢气的Emin只有0.02mJ，极易被引燃""为什么电极距离过小反而不能引燃""静电火花为什么能引起易燃液体蒸气爆炸"），启发学员思考，将理论应用于电气防火实践。五、教学过程设计首先，从引燃与自燃的联系和区别入手，讲解引燃的3条特征；其次，讲解电火花引燃的机理（着火的热理论、电离理论及两个阶段）和特点；再次，讲解最小点火能量Emin的概念、影响因素（表2-2）；第四，讲解电极熄火距离dq、式（2-5）及最危险电极距离d危（图2-17）；最后，进行课堂小结和布置思考题。（一）引言同学们，前几节课我们学习了着火方式与着火条件、热自燃理论、链锁反应理论。其中，着火方式分为自燃和引燃。引燃（如火花、火焰、炽热体引燃）是绝大多数火灾的起火方式，尤其是电气火灾中的电火花引燃。据统计，电气火灾约占火灾总数的三分之一。那么，引燃有什么特征？电火花是如何引燃可燃物的？需要多大的点火能量？电极之间的距离有何影响？带着这些问题进入本节学习。引导学员回顾着火方式（自燃、引燃）和链锁反应理论。引燃与自燃本质上都需要外部能量初始激发，都具有依靠热反应和（或）链锁反应促使温度升高、反应加速的共同特征。本节以电火花引燃为例，深入讲解引燃的特征、机理和参数。（二）阐述、分析、推导【板书】第二章着火与灭火基本理论【板书】第四节电火花引燃理论【板书】一、引燃的特征【讲解】引燃与自燃在本质上没有什么差别，都需要外部能量的初始激发，都具有依靠热反应和（或）链锁反应促使温度升高、反应加速的共同特征。但在具体上，引燃有如下特征：【板书】1．引燃仅在反应物的局部（点火源周围）进行，所加入的能量快速在小范围引燃可燃物，所形成的火焰要能向反应物的其余部分传播。【讲解】也就是说，引燃首先在点火源周围的局部形成火焰中心，然后依靠火焰向周围传播使整个可燃物燃烧。这与自燃（整体加热达到自燃点）不同，引燃是局部加热形成火焰中心。【板书】2．引燃条件下的可燃预混气体通常温度较低，为保证着火成功并使火焰能在较冷的预混气体中传播，引燃的温度要远高于自燃温度。【讲解】因为预混气体本身温度低，要靠点火源提供高温使局部着火，并在较冷的环境中维持火焰传播，所以引燃所需的温度（点火源温度）要远高于自燃温度。【板书】3．引燃的全部过程包括在可燃物局部形成火焰中心，以及火焰在可燃物中传播扩散两个阶段，其过程比自燃要复杂。【讲解】引燃的两个阶段是：局部形成火焰中心、火焰传播扩散。由于涉及火焰中心的形成和传播，引燃过程比自燃（单一的整体升温过程）要复杂。【讲解】引燃与自燃一样，也有着火温度、着火感应期和着火浓度极限，但其影响因素更复杂，除可燃物的化学性质、浓度、温度、压力外，还有点火方法、点火能量和混气流动性质等。【讲解】引燃的方法很多，有炽热体引燃、火焰引燃、电火花引燃等。到目前为止，这些引燃理论