1.2.1. Термохимия процесса горения

Каждой химической реакции присущ свой тепловой эффект, который определяется следующим образом. Сначала записывается уравнение,рассматриваемой химической реакции. Например, в случае полного окисления обобщенного топлива, состоящего из атомов C, H, О, N и S в стехиометрической или бедной по топливу смеси с кислородом, уравнение химической реакции можно представить в следующем виде:

В этом случае тепловой эффект реакции, называемый также теплотой сгорания (AZZ_c)₁ определяется как энтальпия, которую нужно сообщить системе, чтобы обобщенное топливо в реакции с кислородом при некоторых начальных давлении и температуре (θο) прореагировало полностью с образованием двуокиси угле­рода, воды, азота и двуокиси серы при тех же начальных дав­лении и температуре.

определяются путем химического анализа топлива (т. е. мас­сового содержания каждого элемента, входящего в состав топ­лива), и тогда они соответствуют числу атомов каждого эле­мента в 1 кг топлива. В последнем случае AZZ_c измеряется в джоулях на килограмм топлива.

Поскольку химическая реакция при горении является сильно экзотермической и так как температура продуктов сгорания должна оставаться равной O₀, то тепло, выделяющееся в ходе реакции, должно отводиться из системы. Следовательно, в этом случае. является отрицательной величиной (заметим, что для величиныв справочниках приводятся положительные значения).

п Заметим, что ниже всюду считается, что I моль содержит 6,023-10²³ молекул, т. е. используются единицы моль, а молекулярная масса, например, углерода считается равной 0,012 кг.

Процессы горения и взрыва

Для любой углеводородной смеси (например, для нефти) не­обходимо знать как элементный состав топлива, так и теплоту его сгорания. В общем случае эти величины определяются экспе­риментально. В случае твердых и жидких топлив их состав ха­рактеризуется массовым содержанием (в процентах) элементов, а теплота сгорания определяется на единицу массы топлива. При описании состава газообразных топлив перечисляют входя­щие в состав смеси индивидуальные газовые компоненты с ука­занием их объемного содержания в процентах. Если же состав топлива известен, то нетрудно рассчитать и теплоту его сго­рания.

В случае произвольных химических реакций тепловой эффект реакции определяется аналогично. Тепловой эффект реакции указывается непосредственно за стехиометрическим уравнением химической реакции. Тепловые эффекты реакций обладают свой­ством аддитивности, так же как и сами стехиометрические урав­нения, например

Это означает, что вовсе не обязательно иметь табличные зна­чения тепловых эффектов всех возможных химических реакций и что практически достаточно знать тепловые эффекты лишь ограниченного количества химических реакций, с помощью ко­торых можно рассчитать тепловые эффекты всех остальных реакций. Стандартный набор таких реакций состоит из реакций образования 1 моль какого-либо компонента из составляющих его элементов при определенной температуре.

а для этилена при 25 °С

Заметим, что процесс образования C₂H₄ из элементов является эндотермическим, а разложение этилена с образованием твер­дого углерода и газообразного водорода является экзотермиче­ским процессом.

Таким образом, для теплового эффекта произвольной реак­ции можно написать

где—стехиометрический коэффициент при і-м компоненте вреакции. При этом нужно учитывать, что если компонент вводит в левую часть уравнения /-Й реакции, то νη берется с отрицательным знаком, а для компонентов, входящих в пра­вую часть этого уравнения, — с положительным знаком. Проил­люстрируем сказанное на примере стехиометрической реакции воды с моноокисью углерода при 1500 К:

Заметим, что последнее слагаемое в квадратных скобках в фор­муле для AH_r равно нулю, так как теплоты образования элемен­тов, в том числе и водорода, по определению равны нулю.

Числовые значения в приведенных выше примерах заимство­ваны из справочника [621] и пересчитаны в СИ. В этом спра­вочнике можно найти требуемые термодинамические константы в интервале температур от 0 до 6000 К для многих компонен­тов Кроме того, в справочнике [622] приведены термодинами­ческие параметры многих других компонентов·, но в более узком интервале температур.

Теплоты взрыва порохов н взрывчатых веществ или смесей определяются при их взрывании или сжигании в специальной бомбе в инертной среде. Как правило, теплоты взрыва оказы­ваются ниже соответствующих теплот сгорания, поскольку в со­ставе пороха или взрывчатого вещества не хватает собственного кислорода для полного сгорания. Таким образом, в конечном состоянии, получающемся при таких измерениях, не достигается полного окисления вещества.

1.2.2.