燃烧学-1.燃烧动力学基础.ppt

1、第一章 燃烧热力学基础,（thermodynamics）,确定化学反应的热效应,化学平衡条件以及平衡时系统的状态,燃烧反应计算,燃烧空气量的计算,燃烧产物的组成,生成热、反应热和燃烧热,燃烧热的测量与计算,燃气的离解,化学平衡,燃气的离解,化学平衡时燃烧产物成分计算,质量作用定律，阿累尼乌斯公式，碰撞理论，化 学反应速率，化 学反应的动力学分类，影响化学反 应速率的因素，链锁反应，爆炸反应三界限,燃烧热概念，燃烧反应计算方法,燃气的离解过程,1.1 燃烧反应计算,燃烧进行的两种方式：完全燃烧和不完全燃烧,完全燃烧：当初始物质的全部化学能都转化为另一种能 量时，也就是说，最终物质不再含有化学能时

2、，燃烧是 完全的。为此，必须提供至少能使全部燃料氧化的氧量。,不完全燃烧：假如为燃料供应的氧量低于它全部氧化所 需要的氧量，则燃烧是不完全的。这时，尚有部分初始 化学能保留在燃烧产物中，不完全燃烧获得的能量比较 少。,何为燃烧反应计算？,燃烧反应计算：按照燃料中的可燃物分子与氧化剂分 子进行化学反应的反应式，根据物质平衡和热量平衡 的原理，确定燃烧反应的各参数。,燃烧反应计算,燃烧空气量的计算,燃烧产物的计算,燃烧反应计算的条件,燃料成分,氧化剂（空气）,一、燃烧空气量的计算,氧占空气的21,燃烧所需空气量,完全燃烧所需 要的最小氧量,表示燃烧反应物化学 当量关系的计量方程， 即燃烧的化学方程

3、式。,依据,如：,(1-2) (1-3) (1-4) (1-5) (1-6),燃烧的化学方程的通式：,例：燃料成分由C、H、O、S组成，其中C为Ckg，H为Hkg，O为Okg，S为Skg，且CHOS1kg，求燃烧所需空气量？,C ：C kg,：H kg,：O kg,S ：S kg,：,：,：,燃烧所需要的最小氧量：,对应的最小空气量：,实际空气消耗量：,过量空气系数,表1-1 发动机用燃料特性,例：柴油C：0.857kg，H：0.133kg，O：0.010kg，求完全燃烧所需的最小氧量Omin及对应的Lmin？,二、燃烧产物的组成,1. 完全燃烧产物组成： ： CO2、H2O、SO2、N2 ：

4、 CO2、H2O、SO2、N2，还有O,（combustion production）,2. 不完全燃烧产物组成：（空气量不足） ：CO2、 H2O、 SO2、 N2 及部分没完全燃烧的C，H以CO 、 C 、 CH4 、 H的形式存在。,3. 理论分子变化系数,：,：反应产物分子数与反应物分子数之比。用来衡量 燃烧反应引起的分子数及相应的体积的变化。,例： C=0.87，H=0.126，O=0.004时，求 ？,1.2 生成热、反应热和燃烧热,所有的化学反应都伴随着能量的吸收或释放。而能量通常是以热量的形式出现。当反应体系在等温条件下进行某化学反应过程时，除膨胀功外，不作其它功，此时体系吸收

5、或释放的热量，称为该反应的热效应。,标准热效应 ： 反应在latm、298K下进行,表示为 ，上标0代表1atm标准压力，下标298”代表标准温度298K,吸热为正值，放热为负值,1. 何谓生成热、反应热、燃烧热？ 2判断下列热化学方程式的反应热是否为生成热？原因？ 3反应热、生成热、燃烧热三者的区别？,H2 (g) + I2 (s) HI (g) = 25.10 kJmol,CO (g) + O2 (g) CO2 (g) =-282.84kJmol N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) =82.04 kJmol,1. 何谓生成热、反应热、燃烧热？,燃烧热：一摩尔的燃料和氧化

6、剂在等温等压条件下 完全燃烧释放的热量。标准状态时的燃烧 热称为标准燃烧热。,生成热：由最稳定的单质化合成标准状态下一摩尔 物质的反应热。,反应热：等温等压条件下反应物形成生成物时吸收 或释放的热量。 反应热生成物焓的总和 反应物焓的总和,2判断下列热化学方程式的反应热是否为生成热？原因？,H2 (g) + I2 (s) HI (g) = 25.10 kJmol,CO (g) + O2 (g) CO2 (g) =-282.84kJmol,N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) =82.04 kJmol,生成热一定是由稳定单质化合反应生成1mol物 质的热量。,3. 反应热、生成

7、热、燃烧热三者的区别？,生成热和燃烧热均是反应热的特殊情况； 当反应物是稳定单质，生产物是一摩尔的化合物时的反应热就等于其生成热； 当反应物中的燃料为一摩尔时，其参加反应生成的反应热就为燃烧热。,燃烧热和生成热的最大区别则在于：燃烧热是针 对反应物而言，生成热是针对生成物而言的。,4燃烧热的计算,燃烧热计算步骤：,1）写出热化学方程式 ； 2）根据质量守恒，确定一摩尔燃料对应下的其它各反 应物和生成物的计量系数； 3）查表确定各反应物和生成物的生成热； 4）根据（1-43）计算出燃烧热。,(1-43),例：求甲烷在空气中完全燃烧时的燃烧热？,CH4(g)+2O2(g)+ 7.52N2(g) C

8、O2(g)+2H2O(l)+ 7.52N2(g),查表1-2 ：,1.3 燃烧热的测量和计算,燃烧热的直接测量 (两种方法） 定容量热计：燃烧热不做功，所以所吸收的 热 量等于使内能增加了 ； 定压量热计：燃烧热做功，所吸收的热量等 于焓增大了 。 二. 烧热的间接计算法 (化学两个定律） 拉瓦锡-拉普拉斯 ( Laplace ) 定律 盖斯 ( Hess ) 定律,1. 拉瓦锡-拉普拉斯(Laplace)定律,化合物的分解热等于它的生成热，而符号相反。,CO2的分解热 （很难测定）,例：,根据这个定律，我们能够按相反的次序来写热化学方程，从而可以根据化合物的生成热来确定化合物的分解热。,2盖

9、斯(Hess)定律（1840年盖斯通过试验得出）,不管化学反应是一步完成的，还是分几步完成的，该 反应的热效应相同，换言之，即反应的热效应只与起 始状态和终了状态有关，而与变化的途径无关。,暗示了热化学方程能够用代数方法作加减。,碳和氧化合成一氧化碳的生成热 （产物中混有CO2，不能直 接用实验测定）,例：,苯的生成热 （很难测定）,一、 化学平衡（chemical equilibrium） 概念 化学平衡常数Kp计算式,1.4 燃气的离解（dissociation）,化学平衡： 对一定温定压系统，若所有组分的浓度变 化率均趋于零，则称系统达到了化学平衡，是一种动 态平衡。,其中，pA、 pB

10、、 pE、 pF及xA、 xB、 xE、 xF分别为成分A、B、 E、F的分压力和摩尔分数；p为总压。,二 、燃气的离解,燃气离解的原因：温度升高，分子能量的提高使分子中原子振幅增大，分子转动速度、分子运动速度显著加快，从而，分子间碰撞几率增加，于是很容易使分子间的连接断开，导致气体分子的离解。,不同温度压力下燃气的离解 燃烧产物组成和含量在不同温度压力下是不同的，也就是说是燃气离解产物是温度和压力的函数。 T2200K，p1atm或T2500K，p20atm： T2400K，p1atm或T2800K，p20atm： T3000K，p1atm或T3600K，p20atm：,CO2和H2O分别离

11、解,CO、H2 、OH和O,O2 、 H2和H2O分别离解,H和O,N2参加反应 N2离解,NO和N,三、化学平衡时燃烧产物成分的计算,计算步骤 （1）由燃料分子式，得出完全燃烧需要的空气量； （2）由原子平衡，得到反应物与产物系数等式； （3）给出约束条件方程； （4）根据离解化学反应平衡条件，写出平衡方程； （5）联立求解方程组，得到产物成分系数； （6）进一步求产物内能、焓等。 计算,假设：燃料的一般分子式为CnHmOlNk，燃烧产物共有H、 O、N、H2、OH、CO、NO、O2、H2O、CO2、N2、Ar等 12种，依次用x1x12表示其摩尔分数。x13为产生1摩尔燃 烧产物的燃料摩尔

12、数。,（1） 理论 实际 （2）燃料和空气的化学反应方程式为：,当量比,左边简记为： 其中： ， ， ，,根据左右原子平衡：,C原子平衡 （151） H 原子平衡 （152） O原子平衡 （153） N原子平衡 （154） Ar原子平衡 （155）,（3）约束条件：,（156）,(157) (158) (159) (160) (161) (162) (163),（4）据离解平衡条件，建立平衡方程： （5）联立上述13个方程，求解方程组，其中K1K10为平衡常数，是温度的单值函数，P为系统总压力（单位是大气压），最终求出各种燃烧产物的成分系数，也即摩尔分数x1x13。 （6）进一步可求出燃烧产物内能ui、焓hi等。,图1-1 燃烧产物组成变化与温度的关系,在进入离解区域之前，摩尔数是不变的，开始