§ 1.6. Основные химические реакции процесса горения. Теплота сгорания

При исследовании процесса горения различных веществ важно знать уравнение химической реакции этого процесса.

При построении уравнения поступают следующим образом: горючее вещество и участвующий в горении воздух помещают в левой части уравнения, в правой – образующиеся продукты горения.

Целый ряд горючих веществ и материалов может быть определён формулой , где индексы a, b, c, d отвечают количеству атомов углерода, водорода, кислорода, азота в молекуле горючего вещества. Известно, что воздух представляет собой смесь газов, основными компонентами которой являются азот (78%), кислород (21%), аргон (0,9%). Процентное содержание газов приведено по объёму. Аргон, как инертный газ, в процессе горения не участвует. Для простоты расчётов принимают, что воздух состоит из 21% кислорода и 79% азота, то есть на один объём кислорода в воздухе приходится 79/21=3,76 объёма азота, или на каждую молекулу кислорода приходится 3,76 молекул азота. Тогда левая часть уравнения (без учёта согласующих коэффициентов) может быть представлена в виде .

При определении продуктов сгорания нужно ориентироваться на состав горючего вещества. Углерод горючего при полном сгорании превращается в углекислый газ , водород - в воду (пары воды). Азот воздуха в процессе горения участия не принимает, он целиком переходит в продукты сгорания. Содержащийся в горючем веществе кислород выделяется в виде соединений с другими элементами горючего, в рассматриваемом случае в виде, например, или (поэтому при горении веществ, богатых кислородом, как правило, требуется меньше воздуха). Таким образом, правую часть уравнения (без учёта согласующихся коэффициентов) можно представить в виде .

В дальнейшем необходимо найти согласующие коэффициенты. Согласно закону сохранения масс, масса веществ, вступивших в реакцию, должна быть равна массе веществ, полученных в результате реакции. Следовательно, число атомов одного и того же элемента в правой и левой частях уравнения должно быть одинаковым, независимо от того, в состав какого вещества этот элемент входит. Сначала уравнивают число атомов углерода, затем водорода, кислорода, азота. Окончательно рассматриваемое уравнение реакции горения будет иметь вид:

(1.33)

где - тепловая энергия, выделяющаяся в процессе рассматриваемой реакции.

Следует отметить, что по уравнению (1.33) расчёт ведётся на один моль горючего вещества, поэтому в левой и правой частях уравнения перед могут появиться дробные коэффициенты.

Если в состав горючего вещества, кроме углерода и водорода, входят хлор или сера, то при горении они выделяются в виде и соответственно.

Сгорание веществ может происходить также за счёт кислорода, находящегося в составе других веществ, способных его отдавать. Такими веществами являются азотная кислота , бертолетова соль , селитры , , , и др. Смеси этих окислителей с горючим веществом взаимодействуют с большой скоростью, часто со взрывом [6].

Количество тепла , выделяемое при полном сгорании вещества и отнесённое к единице массы (или одному молю), называется теплотой сгорания. Теплоту сгорания можно вычислить, пользуясь законом Гесса Г.Г., который является частным случаем закона сохранения энергии. Существо закона состоит в следующем: тепловой эффект химического превращения не зависит от пути, по которому протекает реакция, а зависит лишь от начального и конечного состояния системы при условии, что температура и давление (или объём) в начале и конце реакции одинаковы.

С целью пояснения рассмотрим пример вычисления теплоты сгорания метана. Реакции получения и сгорания метана можно записать в виде [6]:

Q₁=74,8 кДж

Такие же продукты образуются при сгорании водорода и углерода

Q₂=570,6 кДж

Q₃=392,9 кДж

Поскольку начальные и конечные продукты в обоих случаях одинаковы, их общие тепловые эффекты согласно закону, равны, то есть

Q₁+Q_сг=Q₂+Q₃

или Q_сг=Q₂+Q₃ -Q₁=570,6+392,9-74,8=888,7 кДж

Согласно закону Гесса Г.Г. теплота сгорания химического вещества (или смеси) равна разности между суммой теплот образования продуктов сгорания и теплотой образования сгоревшего вещества (или веществ, составляющих горючую смесь).

Теплотой образования называется тепловой эффект, получающийся при образовании одного моля вещества из свободных элементов в стандартных условиях. За стандартне условия принимают температуру 25С и давление 1 атм. всех веществ, участвующих в реакции. Теплоту образования химических веществ определяют по термохимическим таблицам [7]. Теплота образования продуктов сгорания:

 = 94,5 ккал/моль

 =26,4 ккал/моль

 = 57,7 ккал/моль

Следует отметить, что теплота образования простых веществ ( и др.) принимается равной нулю.

Пример. Определить теплоту сгорания углерода (С).

Решение. 1. Составляем уравнение реакции горения углерода, принимая в уравнении (1.33) значения величин а=1, b=c=d=0.

2. Находим теплоту образования углекислого газа и углерода С. Согласно приведённым выше пояснениям

 = 94,5 ккал/моль,  =0

2. Определяем теплоту сгорания углерода

Теплоту сгорания различных веществ определяют также экспериментально в калориметрической бомбе и газовом калориметре.

Различают высшую и низшую теплоты сгорания. Принято считать, что высшая теплота сгорания больше низшей на величину испарения влаги, находящейся в продуктах сгорания. Более строгое определение , приведено, например, в [6].

Высшей теплотой сгорания называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы массы горючего вещества при условии, что содержащийся в нём водород сгорает с образованием жидкой воды (при конденсации водяного пара). Низшей теплотой сгорания называется количество тепла, выделяемое аналогично при полном сгорании единицы массы горючего вещества при условии сгорания водорода до образования водяного пара и испарении влаги горючего вещества.

При задании элементного состава твёрдого или жидкого горючего вещества в весовых (массовых) процентах для определения и рекомендуется использовать формулы Д.И. Менделеева [6]:

=

, (1.34)

=

где и - высшая и низшая теплоты сгорания, ;

[C], [H], [O], [S], W – содержание в горючем веществе углерода, водорода, кислорода, серы и влаги, %.

Пример. Определить низшую теплоту сгорания сернистого мазута, в состав которого входят углерод (82,5%), водород (10,65%), сера (3,1%), кислород (0,5%), влага (3%), зола (0,25%).

Решение. Искомую теплоту сгорания вычисляем по второй формуле (1.34)

Существует низший предел теплоты сгорания, ниже которого вещества становятся не способными к горению в атмосфере воздуха. Вещества являются негорючими, если они не относятся к взрывоопасным и если их теплота сгорания не превышает 2,1 .

Следует отметить, что в расчетах выделения тепла в условиях реальных пожаров за величину теплоты сгорания принимается , так как образующийся при сгорании водяной пар уходит в атмосферу, не конденсируясь в воду.

Известно, что при пожарах многие вещества и материалы горят с обра-зованием значительного количества сажи. Сажа (углерод) способна само-стоятельно гореть и выделять тепло. Следовательно, если при горении она образуется, то горючее вещество выделяет тепла меньше, происходит так называемый недожог. Для веществ, богатых углеродом (нефть, мазут, рубероид, бензол и др.) коэффициент недожога составляет , при горении древесины =0,85 [8].

Размер пожара обычно характеризуется площадью пожара. Количество тепла, выделяемое с единицы площади пожара в единицу времени, называется теплотой пожара q_п.

, (1.35)

где q_п – теплота пожара, ; - коэффициент недожога;

– теплота сгорания, ; – массовая скорость выгорания, [или ].

Значения q_п, , для некоторых веществ приведены в табл.3

Таблица 3