Адиабатическое горение

Адиабатическое горение — экзотермическая химическая реакция, происходящая при постоянном давлении или объеме, при которой исключена потеря энергии в окружающую среду. Температура адиабатического горения при постоянном давлении ниже температуры горения при постоянном объеме, так как в первом случае часть производимой при реакции энергии затрачивается на увеличение объема системы.

Влияющие факторы

Так как при различных значениях окружающего давления химические свойства продуктов горения различаются, температура горения при постоянном низком давлении обычно ограничена уровнем ионизации получаемого газа. Различные виды топлив с разными уровнями энергии и с разным молекулярным составом будут иметь различные температуры горения. Полное сгорание в реальных системах не происходит, так как химические взаимодействия приводят к диссоциациям и происходят с разной скоростью, что изменяет соотношение компонентов.

Существует большое количество программ, которые позволяют рассчитывать значения температуры горения с учетом процессов диссоциации путем использования констант равновесия (Stanjan, NASA CEA, AFTP).

Распространенные виды топлив

Схема молекулы пропана

Схема молекулы октана (см. бензин).

Наиболее распространенными, повседневно используемыми видами топлива являются такие органические соединения и их смеси, как древесина, воск, жиры, различные пластмассы, природный и нефтяной газы, бензин. Таблица ниже приводит температуры адиабатического горения этих и других веществ в воздухе и кислороде при нормальных условиях (750,06 мм рт.ст. и 25 °С), при близком к единице соотношении («$\phi$») (англ.)русск. топливо/окислитель и при том условии, что в результате реакции давление системы остается неизменным.

Температура адиабатического горения распространенных материалов при постоянном давлении

Топливо	Окислитель	$T_{ad}$ (°C)
Ацетилен (C2H2)	Воздух	2500
Ацетилен (C2H2)	Кислород	3480
Бутан (C4H10)	Воздух	1970
Циан (C2N2)	Кислород	4525
Ацетилендинитрил (C4N2)	Кислород	4990
Этан (C2H6)	Воздух	1955
Водород (H2)	Воздух	2210
Водород (H2)	Кислород	3200
Метан (CH4)	Воздух	1950
Природный газ	Воздух	1960
Пропан (C3H8)	Воздух	1980
Пропан (C3H8)	Кислород	2526
MAPP-газ (англ.)русск. (Метилацетилен, C3H4)	Воздух	2010
MAPP-газ (англ.)русск. (Метилацетилен, C3H4)	Кислород	2927
Древесина	Воздух	1980
Керосин	Воздух	2093
Легкая нефть	Воздух	2104
Дистиллятное топливо (англ.)русск.	Воздух	2101
Мазут	Воздух	2102
Каменный уголь	Воздух	2172
Антрацит	Воздух	2180
Антрацит	Кислород	≈2900

Термодинамика

Первый закон термодинамики для изолированной системы можно записать в виде:

${}_RQ_P - {}_RW_P = U_P - U_R$

где, ${}_RQ_P$ and ${}_RW_P$ тепло и работа, соответственно, которые были произведены в ходе процесса, а $U_R$ и $U_P$ — внутренняя энергия реагентов и результатов реакции. Если предположить, что при адиабатическом горении сохраняется неизменность объема, то процесс не производит работы,

${}_RW_P = \int\limits_R^P {pdV} = 0$

и не происходит потери тепла, так как процесс предполагается адиабатическим: ${}_RQ_P = 0$. В результате внутренняя энергия продуктов реакции совпадает с внутренней энергией реагентов: $U_P = U_R$. Так как это изолированная система, масса продуктов и реагентов постояннна и первый закон может быть записан в следующем виде:

$U_P = U_R \Rightarrow m_P u_P = m_R u_R \Rightarrow u_P = u_R$.

Если предположить, что при адиабатическом горении сохраняется неизменность давления, то для произведенной работы выражение может быть записано как,

${}_RW_P = \int\limits_R^P {pdV} = p\left( {V_P - V_R } \right)$

Так как при адиабатическом процессе не происходит потери тепла ${}_RQ_P = 0$, из первого закона мы получаем, что

$- p\left( {V_P - V_R } \right) = U_P - U_R \Rightarrow U_P + pV_P = U_R + pV_R$

Так как из определения энтальпии $H_P = H_R$, а в изолированной системе масса продуктов и реагентов постояннна, первый закон принимает следующий вид:

$H_P = H_R \Rightarrow m_P h_P = m_R h_R \Rightarrow h_P = h_R$.

Таким образом, температура адиабатического горения при постоянном давлении меньше, чем при постоянном объеме, что имеет место в связи с необходимостью произвести работу для увеличения объема в первом случае.

Если сделать предположение, что имеет место полное сгорание и выполнены условия стехиометрии компонентов, или имеет место избыток окислителя, для вычисления температуры горения может быть использована следующая формула:

${\rm{C}}_\alpha {\rm{H}}_\beta {\rm{O}}_\gamma {\rm{N}}_\delta + \left( {a{\rm{O}}_{\rm{2}} + b{\rm{N}}_{\rm{2}} } \right) \to \nu _1 {\rm{CO}}_{\rm{2}} + \nu _2 {\rm{H}}_{\rm{2}} {\rm{O}} + \nu _3 {\rm{N}}_{\rm{2}} + \nu _4 {\rm{O}}_{\rm{2}}$

Точное соотношение компонентов не дает достаточного количества переменных для вычислений, потому как, по крайней мере, для достижения молярного баланса требуются $CO$ и $H_2$ — последние соединения являются наиболее распространенными продуктами неполного сгорания.

${\rm{C}}_\alpha {\rm{H}}_\beta {\rm{O}}_\gamma {\rm{N}}_\delta + \left( {a{\rm{O}}_{\rm{2}} + b{\rm{N}}_{\rm{2}} } \right) \to \nu _1 {\rm{CO}}_{\rm{2}} + \nu _2 {\rm{H}}_{\rm{2}} {\rm{O}} + \nu _3 {\rm{N}}_{\rm{2}} + \nu _5 {\rm{CO}} + \nu _6 {\rm{H}}_{\rm{2}}$

Однако, если учесть реакцию обмена между углекислым газом и водой,

${\rm{CO}}_{\rm{2}} + H_2 \Leftrightarrow {\rm{CO}} + {\rm{H}}_{\rm{2}} {\rm{O}}$

и используем константу равновесия для этой реакции, то в результате количество переменных будет достаточным для определения температуры.

См. также

• Адиабатический процесс
• Цикл Дизеля (цикл постоянного давления)
• Цикл Отто (цикл постоянного объема)

Ссылки

•  (англ.) Babrauskas, Vytenis Temperatures in flames and fires. Fire Science and Technology Inc. (25 февраля 2006). Архивировано из первоисточника 17 мая 2012. Проверено 27 января 2008.
•  (англ.) Computation of adiabatic flame temperature
•  (англ.) Adiabatic flame temperature
•  (англ.) Adiabatic Flame Temperature. The Engineering Toolbox. Архивировано из первоисточника 17 мая 2012. Проверено 27 января 2008. adiabatic flame temperature of hydrogen, methane, propane and octane with oxygen or air as oxidizers
•  (англ.) Flame Temperatures for some Common Gases. The Engineering Toolbox. Архивировано из первоисточника 17 мая 2012. Проверено 27 января 2008.
•  (англ.) Temperature of a blue flame and common materials
•  (англ.) Online adiabatic flame temperature calculator using Cantera
•  (англ.) Adiabatic flame temperature program
•  (англ.) Gaseq, program for performing chemical equilibrium calculations.
•  (англ.) Flame Temperature Calculator - Constant pressure bipropellant adiabatic combustion
•  (англ.) Adiabatic Flame Temperature calculator