燃烧学 2-1 燃烧热力学

1、简历介绍,邓帅 副教授，天津大学机械学院 2000.09-2004.06 天津大学 本科 2005.09-2008.03 中国科学院广州能源研究所 硕士 2008.03-2010.12 上海交通大学 博士 2011.09-2012.09 美国Purdue大学 访问学者 国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项 天津市自然科学基金面上项目 国家自然科学基金面上项目 国家自然科学基金青年科学基金项目 天津市应用基础与前沿技术研究计划青年基金项目,燃烧学,1,燃 烧 学 第二章 第1讲,邓帅 副教授 能源与动力工程专业 SD,2019-2020学年第一学期,上章回顾,燃烧定义中的基本要素 可燃

2、物、氧化剂等 燃烧的定义 可燃物与氧化剂之间发生剧烈的化学反应，并伴有发光发热的现象。也包括只伴随少量热没有光（或少量光）的慢速氧化反应。 燃烧涉及的基本概念 化学计量空燃比 (A/F)stoic 空燃比（A/F）air/fuel ratio 空气过量系数, , , 1/ excessive air ratio ,燃烧学,3,燃烧学中热力学与其他“支撑”的关系,燃烧学,4,燃烧学 定义,热力学,传质与输运,化学,动力学,+,守恒方程,实践环节,着火与熄火,上半学期,下半学期,燃烧化学热力学,研究对象： 带有化学反应的热力学系统 概念复习：开口系统、闭口系统、绝热系统、孤立系统 研究目的： 用热

3、力学第一定律研究燃烧系统有化学反应时的能量转换与守恒关系； 用热力学第二定律研究化学反应的平衡条件、化学反应方向和进行的程度。 特殊性 变工质成分（燃烧前后物质成分不同） 例：化学反应可在定温定压及定温定容条件下进行 燃烧中气体组分及其混合物具有理想气体性质,燃烧学,5,3.1 燃烧热力学系统,状态参数与理想气体状态方程 状态参数：温度、压力、比体积、内能、焓、熵 状态参数特性：与达到该状态所经历的路径无关 理想气体状态方程（括号中为工程热力学中公式） 注意单位 其它形式 Ru, 摩尔气体常数（通用气体常数）；R气体常数,燃烧学,6,Rg=8.314 Jmol-1K-1,强度量与广延量,强度量

4、：p, T, v, u, h, s 广延量：V, U, H, S 强度量以小写字母表示，基于单位物质的量的强度量以小写字母加上划线表示（p, T 除外）,燃烧学,7,标准参考状态,本书定义标准参考温度和标准参考压力与CHEMKIN和NASA热力学数据库一致，即：,燃烧学,8,理想气体混合物,混合气体摩尔质量 Xi，摩尔分数；Yi，质量分数 混合气体压力与分压力 混合气体的焓,燃烧学,9,混合气体的熵 其中，各组分的熵可用标准状态（pref=p0=1atm）的值计算,燃烧学,10,在温度T下，压力从p0变到pi的熵变,气体内能,在热力学中，分子、原子、离子做热运动时遵从相同的规律，所以统称为分子

5、。 单原子分子只能平动；双原子分子气体和多原子气体分子，包括平动、转动和振动能。,燃烧学,11,根据能量按自由度均分原理，理想气体的内能为： 单原子分子， 刚性双原子分子， 刚性多原子分子， 弹性双原子分子， 弹性多原子分子， 对于理想气体，分子内位能（势能）忽略； 理想气体的内能是温度的单值函数，是状态参数,燃烧学,12,i=3(x, y, z轴平动) i=3+2（3平动+2个轴的转动） i=3+3（3平动+3个轴的转动） i=3+2+1（3平动+2转动+1振动） i=3+3+n（n与温度有关）,热力学第一定律的能量方程式,系统总能 总能=内能+动能（宏观）+势能（宏观） 热力学第一定律的能

6、量方程式可写成： 系统中储存能量的增加=进入系统的能量-离开系统的能量 对于不同的系统，拥有不同的表达形式。,燃烧学,13,闭口系统的能量方程式,对闭口系统，不考虑其宏观动能和势能，有 正负号定义与工程热力学中相同,燃烧学,14,开口系统的能量方程式,进入系统的能量 离开系统的能量 系统能量增量,燃烧学,15,开口系统热力学第一定律能量方程式为,燃烧学,16,物质的绝对焓和生成焓,燃烧前后组分改变，需要确定各个组分的绝对焓。 定义：组分i 在标准压力p0 和任意温度T 下的绝对焓 等于其生成焓与显焓之和，即: ：标准参考状态 下的生成焓，即考虑了与化学键相关的能量的焓。下标f，formatio

7、n 约定：在标准状态下元素在其自然状态时的生成焓为零。 例如，在标准状态下，氧是以双原子氧气分子存在的，则有,燃烧学,17,对比,在标准状态下，要形成氧原子，必须破坏氧分子的化学键。在标准状态下，氧分子键断裂的能量是498390kJ/kmol。破坏这个键产生了两个氧原子。因此，氧原子的生成焓为断裂氧分子键能的一半，即 生成焓物理解释：标准状态下元素的化学键断裂并形成新的键而产生所需要的化合物时的焓变。,燃烧学,18,: 显焓，从标准温度到给定温度T之间的焓差,燃烧学,19,“标准生成熵”与“显熵,类比于绝对焓、标准生成焓与显焓的概念，得到熵的表达式：,燃烧学,20,赫斯（Hess）定律求标准生

8、成焓,当反应前后物质的种类给定时，热效应只取决于反应前后的状态。 例，求C2H4生成焓：乙烯不是碳原子和氢原子的简单产物，但可以通过石墨和氢气燃烧的反应热，很方便地求出乙烯的生成焓。 括号中的符号：g气态，l液态。物质的相态不同，焓值不同。 C2H4标准生成焓： -787.4-571.5+1411=52.1（kJ/kmol）,燃烧学,21,在实际应用中，常用组分的标准形成焓通过相关手册查到,燃烧学,22,理想气体的比热容,物体温度升高1K所需的热量称为热容，J/K 比热容为单位质量物体物质温度升高1K时所需热量，也称比热，J/(kgK)。 摩尔热容，J/(mol K)，M, (kg/mol),

9、燃烧学,23,定压热容（比定压热容）Cp，cp,比定压热容与比定容热容（定压比热，定容比热）,定容热容（比定容热容）CV，cV,定容过程dv=0,cV,比定容热容是在体积不变的情况下比热力学能对温度的导数,仅是温度的函数,对于理想气体,若为理想气体，h是温度的单值函数（h=u+pv=u+RgT）,Cp 仅是温度函数,cp-cV,迈耶公式,cp与cV均为温度函数，但cpcV恒为常数：R,cpcv，原因分析：差膨胀功？ 对于不可压缩流体及固体，比定压热容与比定容热容相等。,摩尔比热容：,分子结构对比热容的影响,分子结构越复杂，比热容越大，与分子自由度有关。,燃烧学,27,可采用EGR降低燃烧温度，以降低NOx排放。,温度与比热容的关系,燃烧学,28,低温下，只有三个平移自由度被激发，定容摩尔热