Az égési folyamatok kémia. Robbanási energia

Robbanási energia

A robbanóanyagok más energiaforrásokra gyakorolt ​​fő előnyei a tömörség, a hordozhatóság és az a tény, hogy az energia felszabadulása rövid időn belül történhet, ami hatalmas erő fejlesztését teszi lehetővé. Tehát 1 kg tömegű gömb alakú töltés és 1,65 g / cm3 sűrűségű, robbanásveszélyes - hexogénből készült, robbanásveszélyes (iniciált) közepén robbanásszerűen a robbanásveszélyes átalakulás sebessége 8300 m / s. Az út r   (a töltés sugara), amely áthalad a robbanásnak, az egyenlőség alapján kerül meghatározásra

ahol Gup -   tömeg és töltési sűrűség.

A folyamat végrehajtási ideje - τ = r / D (D   - robbanási sebesség).

teljesítmény N   (kJ / e), amelyet a robbanás során fejlesztettek ki, tudjuk a felszabaduló hőmennyiséget q   1 kg RDX robbanásveszélyes átalakulásával:

RDX esetén q   = 5420 kJ / kg. A kiszámított teljesítményt túlbecsülik, mivel az az időszak, amely alatt a bővülő gázok munkát végeznek, nem kerültek figyelembe. Meg kell jegyezni, hogy meghaladja a világ legnagyobb erőműveinek kapacitását. Az ilyen gyors átalakulásra képes robbanóanyagokat hívják robbantási.

A robbanó robbanóanyagok bocsátanak ki robbanóanyagokat, amelyeknek gyakorlatilag nincs önálló felhasználása és csak robbanóanyagok előállítására használhatók fel. A robbantási eszközök (robbantó sapkák, robbanókazetták, biztosítékok, robbanózsinórok stb.) Egy speciális alcsoportba kerülnek. Robbanóanyagok, puskapor és robbanóanyagok robbanásveszélyes anyagok csoportját alkotják. A robbanás és a robbanás során a robbanóanyagok gázokká történő átalakítása során mind a robbanás, mind az égés során a robbanóanyagok robbanásveszélyes robbanásveszélyes állapotában történő elégetése esetén - a robbanóanyagok robbantására - rendkívül nagy mértékű anyagszaporítás.

A robbanóanyagok azonban nemcsak a gyors átalakulásokra képesek. Ha kis mennyiségű robbanóanyagot gyújt be hagyományos eszközökkel, és légköri körülmények között éget, anélkül, hogy akadályozná a gázkibocsátást, az égés lassan és nyugodtan történik. A nem működő robbanóanyagok égetés útján történő megsemmisítési módszere ennek alapján, minősített kivitelezéssel meglehetősen biztonságos és kényelmes. Helytelen égés esetén előfordulhatnak olyan körülmények, amelyek során a robbanóanyagok gázokká történő gyorsabb átalakulásával spontán égés lép fel.

Mi a robbanás? A robbanás egy anyag fizikai vagy kémiai átalakulására utal, amelyben az energiája gyorsan áthalad az anyag tömörítési és mozgási energiájába, vagy az átalakulás és a környezet termékeibe.   A robbanás energiája más lehet. A kémiai, elektromos, nukleáris, termonukleáris, termikus, kinetikai energia, a rugalmas kompressziós energia felszabadulását robbanásveszélyes folyamatok kísérhetik. Például az elektromos szikra módszerben az anyagok megsemmisítésére mikro-robbanásokat alkalmazunk, amelyek energiaforrása egy elektromos kisülés, és az energia hordozója a párolgás és bomlás terméke, vagy egyszerűen a közeget, amelyben a kisülést végzik. A sűrített gázpalackok, gőzkazánok, nagynyomású tartályok megsemmisülése által okozott robbanás nagy sebességgel is folytatódhat, és komoly károkat okozhat a környező térben.

A legfontosabb azonban a potenciális kémiai energia alkalmazása, amely sok esetben bizonyos körülmények között (kémiai reakció eredményeként) gyorsan áthatolhat a sűrített gázok energiájába. Az ilyen transzformációra képes anyagokat robbanásveszélyesnek és a robbanásveszélyesnek nevezik. A jövőben, a robbanás alatt, különleges fenntartások nélkül, csak a kémiai robbanást értjük, és a vizsgált folyamatok mindegyike a kémiai robbanás során előforduló folyamatoknak tulajdonítható.

A robbanást a felszabaduló energia mennyisége jellemzi. Mivel ezt az eljárást néha a berendezés paraméterei határozzák meg (például a pneumatikus radiátorok esetében - a kamra térfogata és a sűrített levegő nyomása), meg kell tudni állapítani az energiáját. Pneumatikus radiátor esetén ez egyenlő PV /(k   - 1), hol P   - a sűrített gáz nyomása; V -   kamra térfogata; k -   korrekciós tényező (levegő esetén) k   = 1,4), elektromos kisülésű radiátorhoz - UC2/2,   ahol C   - kapacitás U - feszültség. A kémiai robbanóanyagok energiáját leggyakrabban a kilojoulokban kifejezett robbanás hősége határozza meg kilogrammonként. Természetesen a források összehasonlítása magában foglalja az energia egy egységről a másikra történő átadását (kalóriákat a džoulákra stb.).

A robbanás megfontolása kapcsán érintsük meg a folyamatot, amely bizonyos mértékben ellentétes vele, az impulzus, amely a technológiában alkalmazandó. A robbanásveszélyes robbanás következtében az energiaszint lehetővé teszi a gázokat a külső környezetben végzett munka folytatásának következtében. Az impulzusnál a forrást körülvevő környezet anyaga nagyobb nyomást gyakorol, mint maga a forrás, és az elválasztó akadály eltávolításakor a forrás belsejében lehet rohanni. Egy ilyen folyamat hullámzavarokat okozhat. Az impulzus legegyszerűbb példája egy villanygömb izzója (kiürített), amely levegőben tört. Minél nagyobb a közeg nyomása, annál több energiát lehet felszabadítani, amikor az üreg összeomlik. A mély kutakban még a kis üregekben is jelentős. Hasonló jelenség figyelhető meg a víz alatti robbanás során, amikor a túlterhelt robbanási termékek a hidrosztatikus nyomás hatására összeomlanak. A szeizmikusban ezt a tartályban keletkező robbanás második hatásának rögzítik, és elegendő töltési mélységgel rendelkeznek benne.

Kémiai robbanás   - egy nagy sebességgel haladó anyag kémiai átalakítása önmagában, hőtermelés és nagy nyomásra sűrített gázok képződése. A robbanás a robbanás egy speciális esete, amelyet egy adott anyag állandó, maximális sebességével végeznek.

Először is meg kell becsülni a robbanás során felszabaduló energiát (hőmennyiséget). A reakciók két fajtájúak: hő (exoterm) és abszorpcióval (endotermikus). A molekulák képződésének hője - atomokból származó vegyületek (az utóbbi képződésének hője nulla) - lehet negatív (szükséges, hogy további energiát kössön a kialakulásukból az elemekből), valamint pozitív. A robbanóanyagokból való hőelvezetést általában az éghető komponensek és az oxidálószer (oxigén) közötti reakció okozza. Ha a robbanóanyag egyéni kémiai vegyület, akkor a molekulában különböző csoportok lesznek, ha kevertek, akkor azok különböző anyagok, amelyek a keveréket alkotják. Az arányuk meghatározza az anyag oxigénegyensúlyát. Ha az oxigén nem elegendő a robbanóanyag éghető összetevőjének teljes oxidálásához, az egyensúly negatív. Pozitív oxigénegyensúlyú anyagoknál a robbanás során az oxigén egy része nem használt, és termelékenysége elveszett. A kompozit robbanóanyagok tulajdonságai megváltoztathatók a megfelelő oxidálószerek és gyúlékony anyagok kiválasztásával.

Az oxigénegyensúly az oxidációhoz szükséges oxigénhiány, vagy az oxidáció során maradó 100 g robbanóanyag hiánya vagy feleslege. A tetranitrometa C (0O2) 4 esetében +49, ammónium-nitrát ΝH4ΝΟ3 - +20, trotil-C7H5N3O6 - -74, hexogén (СH2N2) 3 - -21,6. A maximális negatív oxigénegyensúly a definíció szerint hidrogénre vonatkozik (-794), a legnagyobb pozitív az oxigénre (+100).

A negatív oxigénegységgel rendelkező robbanóanyagok példája a trotil, a közösen magas robbanóanyag. Kémiai neve trinitrotoluol, a tol, TNT nevek találhatók. Amint az a szerkezeti képletből látható, az éghető komponensek - a hidrogén és a szén atomjai és az oxidálószer - oxigén, amely a nitrocsoport része (NO2), a TNT molekula még nem kapcsolódik egymáshoz:

Az anyag képlete alapján megadhatja, hogy a reakció milyen irányba megy végbe, milyen termékeket lehet kialakítani ebben az esetben. A TNT esetében a robbanásveszélyes reakció a következő:

A termékek összetétele a robbanás körülményeitől és végső állapotától függ (bővítési fok). Sok robbanásveszélyes rendszer az első, amely megvalósítja azokat a reakciókat, amelyeket az energia maximális felszabadulása jellemez. Így egy olyan anyagban, amely CaH4McOd formájú, viszonylag kis oxigénhiánygal rendelkezik [ d< (2a + b / 2)] először is, a hidrogént a legelőnyösebb oxigénnel reagáltatják, mivel a H2O képződése során 255 kJ szabadul fel oxigénegységenként, és a CO2 képződése során 187 kJ / CO2 (a CO2 képződése 379 kJ / mol).

A robbanóanyagok átalakulási hőjének kiszámítására vonatkozó megközelítést, amelyben a lehetséges reakciótermékeket rögzítik, amelynek kialakulása biztosítja a maximális hőhatást, a maximális működési elvnek nevezzük. A számítás bizonyos mértékig idealizálja a folyamatot, és a legnagyobb pontosságot biztosítja a pozitív vagy kissé negatív oxigénegyensúlyú rendszerek számára. Valójában a robbanási termékek (PT) összetétele általában nem felel meg ennek a számításnak. Ez utóbbi annak a ténynek köszönhető, hogy a kölcsönhatás egy ideig a robbanás után folytatódik, és egyensúly alakul ki a pozitív és negatív termikus hatásokkal rendelkező reakciótermékek között. Az utóbbi példák a reakciók

A negatív oxigénegyensúlyú rendszerek közelítő számításaihoz a Le Chatelier módszert használhatjuk, a maximális térfogat elvén alapulva, és ha a térfogatok azonosak, akkor a nagy hőkioldással való reakció elsőbbséget élvez. A módszer leginkább érvényes a robbanási termékek végső állapotának meghatározásához. A domináns reakció a szén-dioxid oxidációja. Ha az oxigén alul exponált, akkor ez egyenlő mértékben a CO és a H2 további oxidációjára kerül felhasználásra. Ebben az esetben az RDX felbontásának reakciója:

A robbanási termékek összetételének pontosabb kiszámítását a reakciók kinetikáját és körülményeit figyelembe véve végzik. Ezeknek a számításoknak a pontossága nem mindig elegendő, mivel nincs megbízható információ az anyag állapotáról magas hőmérsékleten és nyomáson. A robbanási termékek hőre és összetételére vonatkozó adatokat kísérleti úton is megkapják, amelyekre a robbanás vizsgálatának speciális módszereit kifejlesztették és sikeresen alkalmazták.

Amint már említettük, a robbanási energiát a robbanóanyagok robbanásveszélyes átalakulásának hője jellemzi. Ismerve a robbanás prekurzorainak és termékeinek kialakulásának hőjét és a Hess-törvényt (a folyamat hőhatása nem függ az átalakulás útjától, hanem az anyagok kezdeti és végső állapotától), kiszámíthatjuk a robbanás hőjét és számos más paraméterét. Az ilyen számítások egy geofizikai mérnök gyakorlatában is előfordulhatnak, mivel vegyes robbanóanyagokat és puskaporokat használnak és egyre nagyobb mennyiségben használják fel.

Végezze el az olcsó Idanit típusú robbanásveszélyes keverék kiszámítását a granulált ammónium-nitrátból folyékony tüzelőanyaggal. A kiszámítás megkönnyítése érdekében a felhasznált kőolajtermékek helyett a napkollektor vagy a petróleum, amely anyagok keveréke, vegyen benzint (C6H6). Tekintsük az esetet, amikor a robbanóanyag keveréket az összetevők és az oxigénegyensúly jelzi. Tegyük fel, hogy a benzol és az ammónium-nitrát keverékének oxigénegyensúlya -10 legyen, ellenkező esetben 10 g oxigén hiányzik a 100 g keverék teljes oxidációjához. Először is meg fogjuk határozni, hogy milyen összetételűnek kell lennie a keveréknek a feladat teljesítéséhez.

A megoldás egyszerűsítése érdekében képzeljük el, hogy robbanóanyagaink két részből állnak - az egyik komponensből (ebben az esetben a tüzelőanyag, mivel az egyenleg negatív), olyan mennyiségben, amely a kívánt egyensúlyt biztosítja, és a meghatározott anyagok nulla oxigénegyensúlyú keverékét (néha az úgynevezett sztöchiometrikus). Ha hozzáadunk egy ilyen keveréket a számított mennyiségű üzemanyaghoz, így a teljes tömeg 100 g-ra emelkedik, akkor egy adott oxigénegyensúlyú kompozíciót kapunk.

Következetesen végezzen számításokat.

A benzolmolekula oxidációjáról (molekulatömege 78)

15 oxigénatomra lesz szükség. Ennek megfelelően a benzol mennyisége xAz 1. ábrán az oxidáció 10 g oxigént igényel, a "benzol - oxigén szükséges" arányt kapjuk:

E mennyiség hozzáadása (100 - x1) g nulla oxigénegység keveréke, egy adott készítmény keverékét kapjuk.

Forduljunk az összetevők tartalmának számításához 96,75 g sztöchiometrikus keverékben. Határozzuk meg az oxidálószerben lévő felesleges oxigént. A sósav lebomlik és oxigént bocsát ki:

emellett 80 g oxidálószert (80 móltömegű ammónium-nitrát) 16 g oxigént szabadít fel. A benzol és az ammónium-nitrát közötti reakciót nulla oxigénmérleg keverékében a következőképpen írjuk:

Ezután megkapjuk az arányt:

Ezért 96,75 g keverékben 5,85 g benzolt és 90,85 g ammónium-nitrátot tartalmaz. Ily módon az adott oxigénegységgel rendelkező keverék végső összetétele és a robbanásveszélyes termékek összetétele a maximális működési elv alapján kerül kiszámításra:

A számítás igénybevétele nélkül azonnal fel lehetett jegyezni a robbanásveszélyes termékekben lévő szabad szén tartalmát, mivel pontosan annak jelenléte határozza meg a keverék negatív oxigénegyensúlyát. Mivel a 12 g szén teljes oxidációja 32 g oxigént igényel, 10 g oxigén oxidálhatja a szén-dioxidot, vagy egy mól szén-dioxid töredékét. Ezek a megfontolások jól használhatók az elvégzett számítások helyességének ellenőrzésére.

Az ilyen keverék elkészítése nagyon egyszerű: a megfelelő mennyiségű nitrátot benzollal kell összekeverni. A robbanásveszélyes termékek kezdeti összetevőinek ismeretében és a készítmény összetételének ismeretében könnyű kiszámítani a rendszer robbanási hőjét. A robbanás kezdeti összetevőinek és termékeinek kialakulásának hőt a megfelelő könyvtárakban találjuk. Tehát 1 mól benzol esetében (kJ / mol) -39,1, ammónium-nitrát - + 410,8, CO2 - +444,2, H2O - +271,7.

A robbanás hőhatása Qx a probléma terhelését az egyenletből lehet meghatározni

(4.29)

Ez 374 kJ / 100 g keverék, vagy 3740 kJ / kg.

A képződött gáznemű termékek térfogata (literben) kiszámítható a reakcióegyenletből, a gázok mólszámának szorzásával 22,4-rel (a gramm molekula térfogata). Természetesen ennek figyelembe kell vennie az anyag állapotát. Tehát a szén (a szublimációs hőmérséklet normál légköri nyomáson 3700 ° C felett) nem ad gázfázist, természetesen a víz gőz lesz. A robbanásveszélyes termékek térfogatát normál légköri körülményeknek nevezzük adott kötetben.   A fentiekben tárgyalt probléma körülbelül 800 l / kg.

Ha a robbanásveszélyes termékek hője és összetétele ismert, akkor a hőmérsékletük Ta napot a viszony alapján lehet meghatározni Ttett = = Q / Cvcr hol Cv cp a robbanási termékek átlagos hőteljesítménye (állandó térfogatban) az intervallumban Τ 0–Τ hozni. Fontos megjegyezni, hogy a hőteljesítmény a hőmérséklet függvénye.

Ez utóbbi néhány (tisztán technikai) komplikációt vezet be a számításba, mivel a függőség típusa ismert. Könnyebb azonban a különböző hőmérsékletű gázok hőtartalmára vonatkozó kész adatok felhasználása (4.1. Táblázat).

4.1. Táblázat

Néhány gáz hőtartalmának (belső energia) változása (kJ / mol)

A hőmérséklet és a robbanás termékeinek összetételének ismeretében megtalálható a hőtartalom és összehasonlítható a robbanás hőjével. Az összehasonlítás meghatározza a hőmérséklet kiválasztásakor elkövetett hiba jellegét. A művelet megismétlése, de eltérő (korrigált) hőmérséklet mellett a közelítéses módszerrel találhatja meg a robbanás hőmérsékletét.

Meg kell jegyezni, hogy a robbanás során felszabaduló energia viszonylag kicsi: a legerősebb robbanóanyagok robbanási hője 6500-6700 kJ / kg. Az 1 kg TNT robbanásával kb. 4000 kJ hőt szabadít fel a levegőben, és 1 kg dízelolaj égetésénél - körülbelül 44 000 kJ. De 1 kg dízelolaj és oxigén keverékének égési hője csak 10 000 kJ, és 1 kg dízelolaj és levegő keveréke - 2670 kJ. Ismételten hangsúlyozták, hogy az energia felszabadulása mellett a robbanást olyan termékek képződése jellemzi, amelyek gáznemű állapotban vannak a robbanás során elért hőmérsékleten.

Bár a termeszek reakciója a hő

körülbelül 2,3-szor nagyobb, mint a TNT robbanásveszélyes bomlása, az égése nyugodtan halad; a keletkezett termékek, még azokban a hőmérsékleteken is, amelyekre melegítik, folyékonyak maradnak. De csak akkor kell nedvesíteni a termeszet, ahogy a kép megváltozik: a hő a vizet gőzgé alakítja, és az égést robbanásveszélyes folyamatok kísérik. A robbanás a töltet által elfoglalt térfogatban, a robbanás azonnal nagy nyomású gázok - reakciótermékekké alakult, ami biztosítja a kibocsátott energia megvalósítását a kibővülő gázok formájában.

Robbanóanyag létrehozásakor természetesen érdekel, hogy száz robbanás esetén több energiát szabadítanak fel és sűrített gázokat képeznek, amelyek képesek az energia megfelelő módon való megvalósítására. Néha ezek a követelmények ellentmondanak. Ily módon a robbanásveszélyes bomlás energiája növelhető a megfelelő éghető anyag kiválasztásával, különösen a fémek bejuttatásával a robbanóanyag összetételébe, például alumíniumba (az A12O3 képződésének hője 1599 kJ / mol). Az alumínium oxidációs termékek szilárd anyagok. Az alumínium hozzáadásának (bizonyos határértékig) egyes robbanásveszélyes keverékei növelhetik az utóbbi hatékonyságát. Vannak robbanóanyagok, amelyek megnövekedett robbanáshővel rendelkeznek, összetételű fémekben. Amint azt már említettük, a robbanás termékeinek összetétele nemcsak a robbanóanyagtól függ, hanem a robbanás körülményeitől is: az indítás módjától, a töltés méretétől és kialakításától, valamint a héjtól, azon környezet feltételeitől, ahol a robbanás történik. Ha a kezdeti termékek változatlanok maradnak, és a robbanási termékek összetétele megváltozik, akkor a robbanás termikus hatása is megváltozik, ezért egyes robbanóanyagok esetében a robbanás különböző értékei adódnak, attól függően, hogy milyen körülmények között történik. Például a táblázatban. 4.2. R. R. Schmidt szerint mutatja a TNT robbanásveszélyeinek összetételét (sűrűség 1,52), amikor a gyenge és erős iniciátorok töltésrobbanást gerjesztenek.

Annak érdekében, hogy a robbanóanyagok átalakuljanak a teljes töltésen áthaladó gyors kémiai reakció következtében, az eljárásnak önszaporítónak kell lennie. Ehhez a kémiai reakciónak megfelelő kinetikai jellemzőkkel kell rendelkeznie, és az energia kibocsátásának kiegyenlítenie kell az elkerülhetetlen veszteségeket. A reakciósebesség, az önszaporodási képesség, az exoterm, a gázképződés szorosan összefügg egymással és befolyásolja egymást és a robbanásveszélyes folyamat határait.

4.2. Táblázat

A TNT robbanási termékeinek összetétele

A lapon. 4.3 az ipar által használt számos robbanóanyag és por jellemzőit mutatja.

4.3. Táblázat

Egyes robbanóanyagok robbanásveszélyes tulajdonságai

Robbanásveszélyes robbanóanyag energiát hoz létre, mivel kis mennyiségű szilárd vagy folyékony robbanóanyag hatalmas mennyiségű gázgá válik, ezer fokos hőmérsékletre melegítve. Különböző típusú robbanóanyagok esetében a kibocsátott gázok mennyisége 1 kg robbanóanyagra vonatkoztatva, amelynek kezdeti térfogata legfeljebb 0,8-1 l, 300 és 1000 l közötti érték. A forró gáznemű bomlástermékek robbanásakor keletkeznek robbanóanyagok, amelyek elkezdenek terjeszkedni, és mechanikai munkát végeznek. Így a robbanóanyagok robbanás közben felszabadult látens kémiai energiával rendelkeznek. Nemcsak a robbanóanyagok látens energiájúak, hanem például benzin, szén, tűzifa és egyéb éghető anyagok. A gyúlékony anyagok energiája égés közben szabadulhat fel. Miért, a pusztítás és dobás céljára, például a benzin helyett robbanóanyagokat és lőporokat használnak? Ismeretes, hogy 1 kg benzinenergia 10-szer több, mint 1 kg TNT, és 12-szer több, mint a füstmentes piroxil-por. De a robbanásveszélyes töltés és a puskapor töltése óriási sebességgel gázokká válik, és a benzin vagy bármely üzemanyag elégtelen levegő vagy szabad oxigén nélkül nem tud égetni. Az 1 kg benzin elégetése annyi oxigént igényel, mint amennyi 15,5 kg levegőben van. Ezért az üzemanyag égési hőjét (energia) 1 kg-ra kell számolni a teljes égéshez szükséges oxigénnel. Ezzel a számítással a benzin és az oxigén keverékének égési energiája és az azonos mennyiségű robbanóanyag-robbanás energiája alacsonyabb, mint a fentiekben megadott, azonban ebben az esetben a benzin elégetése során felszabaduló energia mennyisége: füstmentes por - 2860 kJ / kg, trotil - 4100 kJ / kg, benzin és oxigén keveréke - 11 000 kJ / kg. Következésképpen nem a robbanóanyagban lévő energia mennyisége és a puskapor, hanem a megsemmisítés és a dobás céljára való felhasználásának fő oka. A fő ok nem az energia nagysága, hanem nagyon gyors felszabadítása. Ha 1 kg benzint egy gépjármű motorban éget (a motor teljesítményétől és terhelésétől függően) 10–60 perc alatt, 1 kg por ég egy tüzérségi pisztoly töltő kamrájában néhány másodpercig, és 1 kg TNT robbanása csak 30 percig tart -40 másodperc másodperc. A robbanás során az energia tízmilliószor gyorsabban szabadul fel, mint a tüzelőanyagok égése során. Ez magyarázza a robbanás hatalmas erejét. Ugyanakkor helyesebb a robbanás erejét nem a teljes töltés detonációs idejével számítani, de mire a robbanási termékek meghaladják a normál légköri nyomásszintet, a robbanásveszélyes folyamat nagysebességű felvételének eredményeképpen egy ilyen szint elérése néhány milliszekundumon belül történik. Ebben az esetben az 1 kg TNT teljesítménye 1 MW-nál nagyobb. A valóságos körülmények között azonban ez a hatalom nem valósítható meg teljes mértékben a rövid időtartam, az átadandó vagy megsemmisített anyag tömeges tehetetlensége miatt, valamint a környezeti fűtésből, a túlzott csiszolásból és annak elterjedéséből adódó veszteségekből, a maradék hőből. robbanásveszélyes termékek a végső terjeszkedésük után és az elkerülhetetlen kémiai veszteségek miatt. Ennek eredményeképpen a hasznos mechanikai munkák gyakran nem haladják meg az 1-2% -ot, és ha robbanóanyagként robbannak, a robbanóanyagban lévő energia 8-9% -a. Azonban a robbanóanyagok és a puskaporban lévő potenciális energia hatalmas mennyisége elengedhetetlen ahhoz, hogy robbanásuk során nem használják fel. A nagy teljesítmény jellemző a robbanóanyagokra és a lövedékek dobására. Egy nagy kaliberű tüzérségi lövés por töltésének teljesítménye 10 MW.

Az első kronológia (a tizenkilencedik század vége) volt a termikus elmélet, amelynek alapítói a festő, Le Chatelier és Nusselt. Ennek az elméletnek az alapja a van't Gough hipotézis a kémiai reakció sebességének függőségéről. A termikus robbanás feltétele az, hogy a hőenergiát a hő a környezetbe történő eltávolítása következtében a hőenergiának köszönheti. Ebben az esetben a rendszer felhalmozja a hőt, ami önmelegedéshez és ennek megfelelően a reakció öngyorsulásához vezet.

Az éghető oxidációs reakciórendszer előfordulását leggyakrabban a rendszer egy vagy másik gyújtóforrással történő melegítésével társítják. Az üzemanyagrendszer felmelegítésekor az üzemanyag-molekulák és az oxigén energiája növekszik, és amikor elér egy bizonyos értéket, aktiválódnak, azaz A szabad szelekcióval rendelkező aktív központok (radikálisok és atomok) képződnek, aminek következtében az éghető anyag molekulái könnyen összekapcsolódnak a levegő oxigénjével. AN Bach és C. Engler 1898-ban önállóan javasolta az oxidáció peroxidációs elméletét, amely szerint egy éghető rendszer felmelegítésekor az oxigén aktiválódik az atomok közötti kötés megszakításával, és az aktív molekula éghető anyaggal egy vegyületbe lép, anélkül, hogy atomokra bontaná és képződik. peroxidvegyületek az R 1 -OOR 2 vagy ROO-OH típusúak.

A peroxidelmélet azonban nem tudja megmagyarázni az oxidációs folyamat néhány jellegzetességét, például a szennyeződések éles hatását, néha jelentéktelen nyomait.

A kémiai reakció mértéke, m / s, az Arrhenius-törvény alapján, a következő egyenlet alapján fejezhető ki:

, (1.12)

ahol a reakciósebesség állandó (a kémiai reakció sebessége a reagensek koncentrációjánál csökkentve);

A reagensek koncentrációja, mol / m 3;

A sztöchiometriai együtthatókat a sztöchiometrikus reakcióegyenletben a kezdeti reagensek koncentrációjának aránya határozza meg;

A természetes logaritmusok alapja;

Az univerzális gázállandó = 8,3 J / (mol ∙ K);

  - hőmérséklet, K.

Az öngyulladás termikus elmélete (más néven a termikus robbanás elmélete) az exoterm oxidáció során fellépő hőtermelés arányának és a reaktív keverékből származó hő eltávolításának az összehasonlításán alapul. Az öngyulladás állapotát ezen sebességek egyenlősége határozza meg. Az edényfalak hőmérsékletét, amelyen ez az egyenlőség érhető el, az autoignációs hőmérsékletnek nevezzük. Ebből a hőmérséklettől kezdve (minden esetben az adott körülményekre jellemző - az edény mérete és alakja, a gáz termofizikai tulajdonságai) önfűtés történik, ami vakuhoz (öngyulladáshoz) vezethet.

Figyelembe véve a fentieket, a reaktív környezetben történő önmelegítésre felírhatunk:

ahol a hőteljesítmény állandó térfogatban van, J / K;

Gázsűrűség, kg / m 3;

Gázhőmérséklet, K;

Idő, s;

Reakciós hőhatás, W;

Reakciósebesség, m / s;

A reakcióedény felülete, m 2;

A reakcióedény térfogata, m 3;

Hőátadási együttható, W / (m 2 × K);

A tartály falának hőmérséklete, K.

DA Frank-Kamenetsky javaslatot tett a termikus gyújtás kritériumára, amely a megfelelő hőmérséklet-leadási sebességű víztartályban a helyhez kötött hőmérséklet-eloszlás megsértése alapján történt:

, (1.14)

ahol a hajó jellemző mérete, m;

Ponxponenciális tényező;

A gázkeverék hővezetése, W / (m × K);

A 3.3-as dimenzió nélküli kritérium; 0,88 és 2, gömb alakú, sík-párhuzamos és hengeres edények esetében.

A D.A. Frank-Kamenetsky kritériumát a következőképpen kell értelmezni: ha minden paraméter meghatározása során egy értéket kapunk, akkor a gyújtás bekövetkezésekor nem lesz gyújtás. A kritérium egyenletéből következik, hogy a reakcióhő és az edény sugara, amelyben a reakció megtörténik, a robbanás fontos meghatározó tényezői. A termikus robbanás a fényesebb, annál jobb az egyenlőtlenségek:

Ha ezek az egyenlőtlenségek rosszul teljesülnek, akkor a termikus robbanás degenerálódik - a hőmérséklet emelkedésével egyidejűleg az eredeti anyag gyors kiégése következik be, ami elmosja a robbanási képet.

Az égés előfordulását leggyakrabban az éghető rendszer egyik vagy másik gyújtóforrással történő melegítésével társítjuk. N.N. akadémikus elmélete szerint. Semenov, az oxidációs folyamatot a hő leadása kíséri, és bizonyos körülmények között felgyorsulhat. Az oxidációs reakció öngyorsulásának folyamatát az égéshez való átmenetnek nevezzük öngyulladásnak.

Termikus öngyulladás esetén ez a hőelnyelési ráta túlhevülése miatt következik be.

Vegyük figyelembe például a gyúlékony gáz vagy a gyúlékony folyadék gőzök levegővel történő termikus gyulladási folyamatát, amelyet egy térfogatú edénybe helyezünk. Az edény és az éghető keverék hőmérsékletének emelkedésével a reakciósebesség és a hő növekedni fog. A hőmennyiség sebességétől, J / s-tól való függését a következők határozzák meg:

, (1.15)

hol van a gáz égési hője, J;

Az éghető keverék térfogata, m 3;

A reakciósebesség állandó;

A reagens koncentrációja, kg / m3;

Reakciós sorrend;

Aktiválási energia, j / mol;

Univerzális gáz konstans J / (mol · K);

A keverék hőmérséklete, K.

A felszabaduló hő az éghető keverékbe kerül, és felmelegszik. Amint a keverék hőmérséklete meghaladja az edényfalak hőmérsékletét, az edényfalakon keresztül történő hőelvonás időegységenként kezdődik, arányos a keverék és az edényfalak közötti hőmérsékletkülönbséggel, és azt az összefüggés határozza meg:

, (1.16)

ahol - a hajó falain keresztül a hőelvezetés sebessége, j / s;

Hőátviteli együttható, J / (K · m 2 × s);

Az edényfalak felülete, m 2;

A keverék hőmérséklete, K;

Az edényfalak hőmérséklete, K

1.5. Ábra - A hőtermelés hőmérséklettől való függése különböző nyomáson

Az 1.5. Ábrán a 2., 3. és 4. görbék a hőtermelés hőmérsékletének különböző nyomáson és ugyanazon keverékösszetételben való függését mutatják. Állandó edény- és közeghőmérsékleten és állandó keverék-összetételnél az égési zónából eltávolított hőmennyiséget egy egyenes vonal jellemzi. Amikor a keverék összetétele megváltozik, megváltozik a hőveszteség mértéke és ennek következtében az egyenes vonal lejtése. Minél nagyobb a nyomás, annál több hő keletkezik a reakció során (4. görbe). A 2. görbe által meghatározott körülmények között az öngyulladás nem fordulhat elő, mivel a hőveszteség (egyenes vonal 1) magasabb, mint a hőtermelés ezen a nyomáson. A 3 görbe érintkezési pontja egy egyenes vonalnak felel meg a felszabaduló és eltávolított hő közötti egyensúlynak - egy adott éghető rendszer minimális öngyulladási hőmérsékletén, adott körülmények között. Kis külső energiaellátással öngyújtás lehetséges. A 4. görbe azokat a körülményeket írja le, amelyek mellett az öngyulladás elkerülhetetlen, mivel a hőt több, mint amennyit eltávolítottuk.

Az adott rendszer elemzése, N.N. Semyonov megalapozott függősége:

, (1.17)

ahol a legkisebb gyújtási nyomás, Pa;

Az öngyulladás minimális hőmérséklete, K;

Reakciós sorrend;

Állandó, a keverék összetételétől és egyéb tulajdonságaitól függően.

Az (1.17) egyenlet alapján elméletileg előre meghatározhatjuk, hogy az éghető keverék öngyulladása lehetséges-e ezekben a különleges körülmények között. A minimális nyomás és az önfelszívási hőmérséklet közötti kapcsolatot számos kísérlet megerősítette, és hasznosnak bizonyult az égési folyamatok tanulmányozásában.

Az égés láncelmélete

N.N.Semenov már 1928-ban fejleszti a kétféle robbanás - lánc és termikus - létezésének lehetőségét a kémiai rendszerekben.

A láncreakciók azok, amelyek egy sor lépcsőn haladnak keresztül (közbenső reakciók sorozatán keresztül), amelyekben a szabad valenciákkal rendelkező közbenső vegyületek képződnek, az úgynevezett aktív központok, amelyek a folyamat következő, gyorsan áramló szakaszainak baktériumai.

A láncreakció fogalma először 1913-ban jelent meg, amikor egy német fizikai kémikus, Bodenstein azt találta, hogy amikor a hidrogén és a klór keveréke megvilágosodik, a klórmolekula, amely elnyeli a könnyű energiát, atomokra bomlik:

.

A klór atomok azonnal reagálnak hidrogénnel, ami a keverék robbanását eredményezi. Egy klór molekula aktiválása két molekula képződését eredményezné:

.

A kísérletek azonban azt mutatják, hogy ez 100 000 molekula hidrogén-kloridot eredményez. Ez akkor magyarázható, ha feltételezzük, hogy a klór és a hidrogén kölcsönhatása olyan terméket eredményez, amely másodlagos reakcióba lépésekor újraélesztik és folytathatja a reakciót. Ez a feltételezés a következő reakcióvázlatnak felel meg:

I. Elsődleges reakció

IV nyílt áramkör

A találmány szerint az egyik (I) általános képletű klór-molekula aktiválása két klóratom megjelenését eredményezi - a láncreakció két aktív centruma. A klór atomok mindegyike saját láncreakciót eredményez, amelyben az aktív központ folyamatosan helyreáll (II, III). Így az iniciáló reakció (I) hatása alatt egymást követő reakciók lépnek fel, amelyek láncot képeznek (II, III stb.). Az ilyen reakciók számát a láncindítás pillanatától a töréséig lánchossznak nevezzük. A lánc megszakadhat a klór (IV) atomok vagy a hidrogén (V) atomok ütközésénél, valamint molekuláik képződésénél, vagy az aktív centrumok ütközésénél egy szilárd anyag felületével. Ez egy tipikus, nem elágazó láncreakció. Ebben minden aktív központ csak egy új aktív központ megjelenését okozza, így a reakció folytatódhat, de nem gyorsítható.

Elágazó láncreakcióban minden aktív központ két vagy újabb aktív centrumot hoz létre.

A láncreakciók elmélete szerint az oxidációs folyamat egy éghető anyag aktiválásával kezdődik.

A gyakorlat azt mutatja, hogy izotermikus körülmények között, például a gyulladás előfordulhat. a reakcióközeg hőmérsékletének növelése nélkül (a keverék „hideg” gyújtása). Ebben az esetben egy lánc (izometrikus) robbanásról beszélnek.

Két kezdeti komponens: az üzemanyag és az oxidálószer, amelyek viszonylag stabil molekuláris állapotban vannak, mielőtt új, stabilabb égéstermékekhez kapcsolódnának, teljes összetett közbenső átalakítások láncát képezik, amelyek instabil termékek képződéséhez vezetnek: atomok, gyökök, gerjesztett molekulák viszonylag nagy az ionizáció mértéke (formaldehid, szénhidrogén- és hidrokloridcsoportok, atom oxigén és hidrogén).

Kondratyevu V.N. Különböző szénhidrogének lángjában kimutatható volt az atom oxigén (O), hidroxisav-csoport (OH), szénhidrogéncsoportok (CH3), szén-monoxid (CO), formaldehid (CH 2 O) és mások magas koncentrációja. és a végső reakciótermékek lánghőmérsékletén történő hőbomlás közben az egyensúlyi koncentrációjukat meghaladó milliószor nagyobb mennyiségben, például H20 + H + OH-ban.

Ezeknek a megfigyeléseknek az eredményei arra a következtetésre jutottak, hogy a vizsgált atomok és gyökök a reakcióelegyben nem a termékek végső bomlása miatt jelentkeznek, hanem a reakció közbenső termékei.

Így a gyújtás láncmechanizmusa egy anyag kémiai átalakulásának egész láncán alapul, amelynek eredményeképpen bizonyos közbenső szakaszokban kémiailag nagyon instabil termékek, úgynevezett aktív centrumok képződnek, amelyek könnyen reagálnak egymással és a kiindulási anyagok molekuláival. Új aktív központok és végtermékek, például H20 és CO 2 metán-levegő keveréke.

A radikálisok és atomok nagy reaktivitását a reakciók alacsony aktivációs energiája magyarázza, amely közel áll az atomreakciók aktivációs energiájához:

OH + H 2 = H20 + H - 25 kJ / mol

СН 3 + С 3 Н 6 - 12,5 kJ / mol

CH3 + C6H6- 23,5 kJ / mol

H20 → H + OH

A kapott aktív részecskék (H vagy OH) bármelyike ​​rendkívül instabil és ezért kémiailag aktív, az eredeti anyag molekulájával ütközik, új aktív részecskéket képez:

H + O 2 = OH + O

OH + H 2 = H20 + H

A H és HE aktív részecskék reakciójának részecskéi ismét reakcióba lépnek, és az O részecskék kölcsönhatásba lépnek a hidrogénnel:

O + H 2 = OH + H.

Ez azt jelenti, hogy az aktív részecskék és a kiindulási anyagok molekulái közötti reakció eredményeként nem csak a végtermékeket, hanem az új aktív részecskéket is képezik. A reakció eredményeként képződő aktív részecskék új kémiai átalakulási fázisokat eredményeznek, amelyek a kiindulási anyagok teljes fogyasztása előtt következnek be.

Az ilyen ismételten ismétlődő kémiai reakciókat láncreakcióknak nevezzük, és az aktív részecskék, amelyek új transzformációs láncokat hoznak létre, aktív centrumok.

A hidrogénégés fenti láncfolyamata diagramként ábrázolható (1.6. Ábra).

1.6. Ábra - A hidrogén lánc égésének diagramja

Az ábrán látható, hogy csak hidrogén (H) részecskék, amelyek aktív centrumok, új transzformációs láncokat eredményeznek. Ugyanakkor a láncprocesszor minden egyes kapcsolatában, a H és az oxigén molekula közötti aktív reakció eredményeként, a H20 végtermék mellett 3 új H aktív centrum keletkezik, ami új transzformációs láncokat eredményez.

Az ilyen láncreakciót, amely az aktív központok növekedésével történik, elágazónak nevezzük. A reakció lavinaként fejlődik, és nagyon magas ütemben halad, messze meghaladja a szokásos molekuláris reakciók sebességét.

A nem elágazó láncokkal jellemezhető tipikus reakció a klór hidrogénnel való kölcsönhatása. A reakció aktív centrumai a klór és a hidrogén váltakozó atomjai. Amikor egy klóratom reagál, egy hidrogénatom képződik, ugyanúgy, mintha egy hidrogénatom reagálna, egy klóratom képződik. Ezért a reakció folytatódhat, de nem gyorsul.

A jól ismert tény, hogy a klór és a hidrogén fotokémiai reakciója robbanásveszélyes (öngyulladás) végbemegy, annak a ténynek köszönhető, hogy a hőelnyelés elég magas láncreakciós sebességnél meghaladja a hűtőbordát, aminek következtében a keverék nagyon meleg, és a termikus öngyulladás feltételei is felmerülnek.

Ha elágazó láncú reakció lép fel, ami a szénhidrogénekre jellemző, az aktív centrumok koncentrációja növekedhet a kezdeti kezdeti feltételektől függetlenül, és ha az elágazás során az aktív centrumok képződésének sebessége meghaladja a lánc törését, akkor öngyorsuló lavina-szerű folyamat lép fel, ami gyulladást eredményez.

A láncreakciók elmélete lehetővé tette számunkra, hogy megmagyarázzuk az égési folyamatok számos jellemzőjét (a szennyeződések erős hatása, a nyomáson az öngyulladás határai, a katalízis és a nyomás gátlása stb.), Amit nem lehet magyarázni a termikus elmélet. A valós tüzek és robbanások előfordulásának és kialakulásának mechanizmusát kombinált lánc-termikus folyamat jellemzi. Láncos úton kezdődően az exoterm hatásából adódó oxidációs reakció a termikus úton tovább gyorsul. Ezért végső soron az égés bekövetkezésének és fejlődésének kritikus (korlátozó) feltételeit a reakcióképes rendszer hőképző és hőcserélő körülményei határozzák meg.

Számos kémiai folyamat a kémiai láncreakciókon alapul. Ilyen eljárások például a polimerizációs eljárások, amelyek a szintetikus kaucsuk, műanyag, polimer szálak és sok más termék alapját képezik. Olyan fontos ipari folyamatokat is magukban foglalnak, mint a szintetikus zsírsavak előállítása, a korábban használt ehető zsírok helyettesítése a tisztító kenőanyagok gyártásában, repedés - a magas minőségű üzemanyagok olajból történő előállításának folyamata stb.

égő   - az éghető anyagok gyorsan áramló kémiai kölcsönhatása egy oxidálószerrel, amelyet nagy mennyiségű hő és fényes ragyogás (láng) szabadít fel. Az égés csak akkor lehetséges, ha három tényező van: éghető anyag, oxidálószer, hőforrás.

Hőforrás   (Tűz) nyílt láng, szikra, hő, a súrlódás következtében felmelegített heveder (övek az öv átvitele), ütés, nyomás. A hőforrás lehet elektromos (vezetők fűtése, ív), kémiai és sugárzó energia a nap.

Oxidálószerek   klór, fluor, bróm. A leggyakoribb oxidálószer a levegő oxigénje, az égési folyamat a levegő tartalmától függ. Ha az oxigén a levegőben több mint 14-16%, akkor állandó égés figyelhető meg. Ha az oxigéntartalom kevesebb, mint 14%, a szaglás megfigyelhető, és ha a tartalma kevesebb, mint 8-10%, a szaglás is megáll.

Éghető anyag. Ezek lehetnek gázok (ammónia, acetilén, hidrogén), folyadékok (benzin, aceton, alkohol), szilárd anyagok (szén, fa). Ahhoz, hogy egy szilárd vagy folyékony anyag meggyulladjon, egy hőforrás segítségével szükséges a hőmérsékletet felmelegíteni, hogy az éghető gőzök intenzív felszabadulása lépjen fel a felületükről. Bizonyos koncentráció elérésekor ezek a gőzök világítanak. Az égési folyamatban lévő gázok nem változtatják meg az aggregáció állapotát.

A következő típusú égés van: 1) vaku; 2) gyújtás; 3) öngyulladás; 4) öngyulladás; 5) dörzsölés; 6) a robbanás.

1. vaku   a levegő oxigén keverékének gőzökkel, gázokkal, porokkal történő azonnal égését, nem pedig sűrített gázok képződésével együtt. A lobbanáspont az éghető anyag legalacsonyabb hőmérséklete, ahol a felszínén gőzök vagy gázok képződnek, amelyek képesek villogni a gyújtóforrásból, de az ezt követő egyenletes égésnél a képződés sebessége nem elegendő.

E hőmérséklet nagyságától függően a gyúlékony folyadékok a következőkre oszthatók:

a) gyúlékony (gyúlékony folyadékok - benzin, aceton, alkohol) - tf ≤ + 45 ° C;

b) éghető folyadékok (GZh - olajok, dízelolaj, üzemanyag) - t vec\u003e + 45 ° C.

2. gyújtás   az anyag hőforrásból történő folyamatos folyamatos égetésének. A gyújtási hőmérsékletnek nevezzük az éghető anyag minimális hőmérsékletét, amelynél a gyújtóforrástól gyullad, és továbbra is égve marad. Ez magasabb, mint a lobbanáspont.

Az éghető anyagok koncentrációja a levegőben, ahol a gyújtás vagy robbanás lehetséges, bizonyos határokon belül van: az alsó - CWP és a felső - ERW. Az éghető keverékek gyulladása nem lehetséges a CEL-nél alacsonyabb koncentrációban (nem elegendő éghető molekula a keverékben) és magasabb ERW-ben (nem elegendő az oxigén molekulák a keverékben). Minél nagyobb a különbség az ERW és a CWP között, annál veszélyesebb az anyag. Ezeknek a paramétereknek az értékei csökkenhetnek például a por-levegő keverék (PLN) nedvességtartalmának növekedésével, például levegő keverékével cukor, liszt, szénpor.

Adjunk példákat az NVP és az SVV értékére a folyadékok és gázok száma tekintetében:

Acetilén 3,5-82%;

Földgáz 3,8-19,2%;

Benzin 1-6%;

Szén-monoxid 12,8-75%.

3.Öngyulladás- a külső forrásból származó anyagok (láng, fűtött vagy fűtött test) gyújtásának folyamata, közvetlen érintkezés nélkül a gyújtási hőmérsékleten. Ez a hőmérséklet a nyomás növekedésével csökken, és a legtöbb gyúlékony gáz esetében 400-700 ° C, a fa esetében - 340-400 ° C; szén - 400-500 ° C. Egy öngyulladás példa: faanyag, papír, amely a nyílt láng közelében helyezkedik el (érintkezés nélkül) vagy forró tárgyak (szén, nyitott fűtő spirál).

4. Spontán égés   az anyag (anyag) fizikai, kémiai és biológiai reakciói következtében előfordulnak olyan anyagok, amelyek gyújtóforrás nélkül égnek.

Nagy mennyiségű nedves gabona, széna, szalma és elégtelen szellőztetés során tárolva ezekben az anyagokban biokémiai folyamatok (bomlás) fordulnak elő a hő felszabadulásakor. Ezeknek az anyagoknak a hőmérséklete növekszik, nagy tömegük (rack, halom) megakadályozza a keletkező hő szétszóródását a környezetbe, ami tüzet okoz. Az ilyen anyagokat a tárolás előtt jól meg kell szárítani. Szellőztetés nélkül hajtogatott, olajfoltokat tartalmazó szövetkontaktus (overall, tisztítóanyag) is spontán gyullad. Ezért a munkaruhát úgy kell lógni, hogy a levegő szabadon hozzáférhessen, és az olajat azonnal el kell távolítani a munkaterületekről.

A reakciósebességtől függően az égési folyamat folytatódik vesztegetés   (sebessége néhány cm / s) égő   (néhány m / s) és a robbanás   (több száz és ezer m / s).

5. A robbanás- az anyag fizikai és kémiai állapotának hirtelen változása magas hőmérséklet, nyomás, kémiai reagensek hatására. A robbanás következtében a keletkező gázok és gőzök mennyisége drámaian megnő, hatalmas mennyiségű energiát szabadít fel, amely sokkhullám formájában képes mechanikai munkát végezni (épületek, szerkezetek, emberek sérülése).

Az anyagok égése teljes vagy hiányos lehet. A teljes égés során (felesleges oxigén) nem éghető termékek keletkeznek (CO 2 és H2O), nem teljes égés esetén (O 2 hiánya) a nem teljes oxidáció (CO, alkoholok, savak) képződnek. Ezek mérgezőek és robbanékonyak. Ezért a tüzelőanyag égetésének folyamatában (kazánokban, kályhákban) biztosítani kell a megfelelő mennyiségű oxigént a kemencében.

1. Az égéselmélet alapfogalma.

1. Az égési folyamatok jellemzői.

Az égés összetett fizikai-kémiai folyamat, amelynek során a kémiai átalakulás

schenie energiával (főként hő és sugárzás formájában) szabadul fel.

valamint a hő- és tömegátadás a környezettel.

Az égési folyamat alapja egy kémiai reakció, amely az a

mouskoreniem. Az öngyorsulás oka lehet:

1. Hőfelhalmozódás a rendszerben - termikus gyorsulás

2. Aktív részecskék felhalmozódása - lánc öngyorsulás

3. Az autokatalízis a termékekkel való reakció gyorsulása.

Sok esetben a gyakorlatilag fontos égési folyamatok tisztán fizikai jellegűek

mivel a magas hőmérsékleten a kémiai átalakulás nagy sebességgel folytatódik, és a kémiai folyamat tisztán fizikai törvényeknek, például hőátadásnak és diffúziónak van kitéve, és szabályozza őket. Ez azt jelenti, hogy egy olyan kémiai reakció, amely nagy sebességgel folytatódik

korlátozott sebességgel rendelkezik, és engedelmeskedik egy vagy másik törvényeinek

zikus jelenség.

Az égési folyamatok fő jellemzője az öngyorsulás feltételei

önmagában létrehozott kémiai reakció. A kibernetikában ezt a jelenséget pozitív visszacsatolásnak nevezik, vagyis a külső körülmények kis változása esetén lehetőség van alacsony sebességű, helyhez kötött üzemmódból egy üzemmódra váltani, hogy

ahol a reakció sebessége exponenciálisan nő. Ilyen jelenségeket jeleznek a reakció módjának éles változásai, és a külső körülmények kis változása

vannak kritikus jelenségekés azok feltételeit, amelyek mellett megfigyelik őket, hívják

kritikus körülmények között.

A kritikus jelenségek a következők:

1. Öngyulladás

2. Gyújtás

3. A láng terjedésének határértékei.

A kritikus jelenségek nem abból adódnak, hogy a természeti törvények drasztikusan megváltoznak, hanem

a reakciórendszer és a környezet közötti egyensúlyhiány következménye

vezető közeg.

Az öngyulladás feltétele a hő- vagy diffúzió lehetetlensége

környezeti feltételek mellett, a gyújtási állapot az adott kezdeti körülmények között egyensúlytalanság.

Az égési folyamatok második jellemzője azok terjesztési képessége

az űrben. A termikus égési módban a terjedés hőátadással történik, lánc vagy autokatalitikus esetben - aktív részecskék diffúziója révén.

2. Az égés típusai és módjai.

1. A résztvevők összesített állapota szerint:

a. Égési gázrendszerek - homogén égés

b. Szilárd és folyékony éghető (szilárd-folyadék-rendszer és szilárd-gáz rendszerek) égése - heterogén égés

c. Sűrített rendszerek égése (szilárd-folyékony rendszerek, \\ t

folyékony - folyékony, szilárd - folyékony).

2. A folyamat terjedésének sebessége szerint:

a. Deflagrációs égés - az eljárás lassú terjedése (hővezetéssel vagy diffúzióval)

b. Detonációs égés - a folyamat gyors elterjedése

a lökéshullám ereje).

3. Aerodinamikai feltételek szerint:

a. A lamináris égés sima láng elülső.

b. A turbulens égés erősen ívelt láng elülső.

Példák a különböző típusú égésre a résztvevők összesített állapotában:

Homogén égés:

Szerves égetés oxigénben

CH4 (g) + 2O 2 (g) = CO2 (g) + 2H2O (gőz)

Égés más oxidáló gázok jelenlétében

H2 (g) + Cl2 (g) = 2HCI (g)

Az instabil anyagok (ózon) bomlása

2O3 (g) = 3O2 (g)

Heterogén égés:

Folyékony hidrazin égetés:

N2H4 (g) + O2 (g) = N2 (g) + 2H2O (gőz)

Szénégetés:

C (TV) + O2 (g.) = CO2 (g.)

Instabil anyagok (acetilén) bomlása

C2H2 (g) = 2C (s) + H2 (g)

Égő égési rendszerek:

KClO3 (sv.) + Al (sv.) = KCI (sv.) + Al2O3 (sv.) 2NH4N03 (sv.) = 2N2 (g) + 4H 2O (gőz) + O2 (g)

3. Az égési folyamatok termodinamikája. Hőmérleg.

Égési hőmérséklet: Az égési folyamatokat jellemzően négy hőmérséklet jellemzi

peruratikus égés

keverék kezdeti hőmérséklete T 0 273K, anélkül, hogy figyelembe venné a hőcserét a

természetes környezetre.

3. Adiabatikus Tg-ad - az önkényes összetételű keverék égési hőt határozza meg, anélkül, hogy figyelembe venné a hőcserét a környezettel.

4. A Tg tényleges hatása a ténylegesen megfigyelt (mért) hőmérséklet

Az égési hőmérséklet különböző definíciói közötti arány

Az égési folyamatok hőegyensúlya az elnyelt hő meghatározásán alapul

égő termékek. A hőegyensúly egyenlet formája:

ahol Q PG az égéstermékek által elnyelt hő, Q p a kémiai reakció hője,

A Q ex a külső forrásokból származó hő, a Q verejték hőveszteség.

égést. Szinte az égéstermékek disszociációja jelentősen hozzájárul a 20 000 C feletti hőmérséklethez.

Magasabb és alacsonyabb fűtőérték van. Az első esetben a vizet, mint égésterméket, folyékony formában, a második esetben gőzformában veszik. Mivel az Ön száma

az elosztott hő függ az égett anyag mennyiségétől, mólhőmérséklete

tutaj és az égés specifikus hőt. Ie az égés során kibocsátott hő 1

mól vagy kilogramm éghető anyag.

A fajlagos égési hő kiszámításához (kJ / kg) gyakran alkalmazzák a D.I. képletet.

Mengyelejev

ahol X az elem összetétele az üzemanyag összetételében,% (tömeg), W - páratartalom.

A reakcióhő kiszámításának általános megközelítése a kémiai termodinamikán alapul

a rendszer. Aztán az első termodinamikai törvényből (az energiatakarékossági törvényből)

az izobarikus folyamatban p = const, az integráció (1.7) és az egyszerű transzformációk adnak

(1.8.) És (1.10) -ből következik, hogy az izokorikus és az izobar folyamatokban a hő megszerzi az állapotfüggvény tulajdonságait, azaz. nem függ a folyamat útjától. Ezt a rendelkezést hívják gI törvénye Hess. A vegyi anyag kezdeti és végső állapota

a készletek kiindulási anyagok és reakciótermékek. Az egyszerű anyagok entalpiái, \\ t

stabil körülmények között (298 K és 0,011313 MPa) nulla. Komplex anyagok esetén az entalpiában bekövetkezett változást akkor kell figyelembe venni, ha az elemekből képződnek.

exoterm (hőt termel).

4. Hőteljesítmény. A reakció hőhatásának függősége a hőmérsékletre

Hőteljesítmény - az egység felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség

az anyag tömege 1 K. Megkülönbözteti a specifikus imoláris hőteljesítményt, azaz az 1 kg hevítéshez szükséges hőmennyiség. Vagy 1 mól anyag 1 K-ra.

Az igazi moláris hőteljesítményt a következőképpen határozzuk meg.

C (1,12) dT

ahol C a moláris hőteljesítmény, mol K.

A hőteljesítmény állandó térfogatban és nyomáson (izocorikus és izobarikus)

figyelembe véve (1.8) és (1.10)

Figyeljük meg az eljárás hőjének függőségét a hőmérsékleten állandó térfogatban vagy nyomáson. Figyelembe véve az (1.13) egyenleteket, kapunk

Az (1.14) egyenleteket hívjuk kirchhoff egyenletek.

A reakció során a hőteljesítmény változását a kifejezés határozza meg

azaz a reakciótermékek és a kiindulási anyagok hőteljesítményeinek összege közötti különbség.

Az (1.14) egyenletből következik, hogy ha a hőteljesítmény változása a reakció során

indokolt (azaz a termékek hőteljesítménye kisebb, mint a kiindulási anyagok hőteljesítménye), majd a reakció hőhatása negatívabbá válik, a reakció hatékonyabbá válik.

zotermichnoy.

dart feltételek kiszámítása (1.11).

A valós anyagok hőteljesítménye komplex módon függ a hőmérséklettől

Az égés molekuláris energiája

A legtöbb égési folyamat éghető, hidrogént és szénatomot tartalmaz, a levegőből oxigént tartalmaz.

Mielőtt megvizsgálnánk az égéselmélet fizikai és matematikai alapjait, próbáljuk meg megérteni a molekuláris szinten, ahol az égési energia származik, melynek felszabadulása minden mástól függ: a gáz fűtését, az aktív kémiai központok megjelenését, stb.

Nézzük meg, hogy a szén és a hidrogén és a levegő oxigénjével történő főbb reakcióinak melegei készülnek.

Az adattáblázatnak megfelelően írunk. 3.1. A szilárd szén egymás utáni oxidációjának energiaegyensúlya, például grafit:

Így a teljes szilárd szén-oxid oxidációs reakcióban 386 kJ / mol szabadul fel:

A hidrogén és az oxigén kombinálásával közeli méret és a felszabaduló energia:

A CO-molekula talán a legtartósabb, kötési energiája 1016 kJ / mol. (A következő erősség az 892 kJ / mol kötési energiájú N2 molekula. Mindkét molekulában három pár kötő elektron van, kémiai nyelven három valencia kötés van. A CO molekulában az első elektron egy O-ból C-be, majd O + és C- hasonlít a nitrogénatomokhoz, ezt megerősíti a dipólus pillanat jelenléte a CO molekulában.) A CO2 molekulában a második oxigénatom kötése gyengébb: a táblázat szerint. 3.1

Az oxigén kötési energiái ezekben a vegyületekben összehasonlíthatók az eredeti oxigénmolekula kötési energiájával. Tehát mint

majd oxigénatomonként csak 240 kJ / mol. Az oxigén molekula alacsony kötési energiájában a kémiai aktivitásának oka és az oxidáció energiaforrásként való alkalmazásának oka.

A grafit (valamint a gyémánt és az amorf szén) kristályrácsában lévő szénatom kötési energiája nagyon magas. A viszonylag kis C (reakció) energia + 0,5O2 = = CO + 98 kJ / mol a két nagyon nagy mennyiség különbsége: az O2-rés energiájának felét le kell vonni a szén-dioxid-kötés energiájából (256 kJ / mol) (59 kJ / mol). ) és kivonjuk a szénatom párolgási hőjét. Valójában meghatározzuk a 671 kJ / mol értékű párolgási hőt. Ez is nagyon nagy mennyiség.

A szilárd szén és a gáz halmazállapotú hidrogén átalakítása szénhidrogén-üzemanyagként az energia kis változásával történik. Másrészt, ha oxigént vezetnek be a tinaalkoholok, aldehidek és ketonok, szerves savak, szénhidrátok szerves molekuláiba, majdnem ugyanolyan mennyiségű energiát szabadítanak fel, mint amennyit a teljes égés során (CO2 és H2O) szabadítanak fel, egyenlő mennyiségű oxigén felhasználásával. Ezért közelíthető meg, hogy bármilyen szerves tüzelőanyag teljes égésével 419-500 kJ / mol elfogyott oxigén szabadul fel. Az egyetlen kivétel néhány endotermikus, energiában gazdag vegyület, mint például az acetilén és a dicyan, az égési hőt nagyobb.

A hiányos égés energiaellátása nemcsak az üzemanyag-molekula, hanem a kiégett oxigénmolekula kiszámításánál is hátrányos. A 2Q (s) + O2 = 2CO reakcióban csak 210 kJ / mol szabadul fel a 466 helyett, ha a hidrogén ég, és 526, amikor a CO ég.

A szilárd C szénatom szoros kötése azt eredményezi, hogy a szén nem párolog. A szén csak a CO vagy CO2 formájú oxigénnel hagyja el a szilárd állapotot.

Hiányos égés és alacsony hőmérséklet esetén a 2СО = СO2 + С (tv) + 41 kJ / mol reakció csak a szilárd szén szempontjából előnyös. A szabad szénatom számításakor a megfelelő 2CO = СO2 + С - 129 kJ / mol reakciónak nagy energiás akadálya van. Ezért az égés során a korom és a korom csak szén-csontvázzal rendelkező szerves molekulák bomlásából keletkezik, de nem a CO-ból.

Most a nitrogént tartalmazó oxidációs reakciókhoz fordulunk.

Az N2 nitrogénmolekula nagyon erős - disszociációs energiája 226 kJ / mol. Ezért az N2 és az O2 2NO-ra történő átalakításának reakciója endotermikus, és termodinamikai okokból csak magas hőmérsékleten végezhető.

Magasabb oxidok (NO2, N2O3, N2O4, N2O5) képződése nitrogénből és oxigénből gyakorlatilag nem változik az energiában (az N2 és O2 kötési energiájához képest). Ezért az energia szempontjából a nitrogénnel (CH3-ONO2-nitro-észter, CH3 (CeH2) (NO2) 3-trinitrotoluol) vegyületekbe csomagolt oxigén majdnem egyenértékű a gáz halmazállapotú oxigénnel. A szerves molekulába integrált, de nitrogénhez kötött oxigén lehetővé teszi olyan anyagok létrehozását, amelyek sok energiát bocsátanak ki, amikor a molekulát N2-re alakítják át, és az oxigént a CO2 és H2O molekulákba helyezik át. Ezért porokat és robbanóanyagokat használnak olyan vegyületekre, amelyekben oxigén kötődik a nitrogénhez (valamint a klórhoz a С3 és СlO4 csoportokban).

Ezek az általános gondolatok az égés molekuláris energiájáról.