燃烧学-1.燃烧热力学基础.ppt

第一章 燃烧热力学基础 （thermodynamics）确定化学反应的热效应确定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生成热、反应热和燃烧热的概念；燃烧热的测量 与计算方法；燃烧反应计算方法；燃气的离解过 程及离解方程 燃烧热概念，燃烧反应计算方法燃气的离解过程1.1 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吸收或释放释放而能量通 常是以热量热量的形式出现当反应体系在等温等温条件下进行某— 化学反应过程时，除膨胀功外，不作其它功，此时体系吸收吸收 或释放的热量或释放的热量，称为该反应的热效应热效应 标准热效应标准热效应 ：： 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？CO (g) + O2 (g) → CO2 (g) =-282.84kJ／molN2 (g) + 3 H2 (g) → 2 NH3 (g) =82.04 kJ／molC (s) + O2 (g) → CO2 (g) =-393.51kJ／molH2 (g) + I2 (s) → HI (g) = 25.10 kJ／mol1. 何谓生成热、反应热、燃烧热？燃烧热燃烧热：一摩尔的燃料一摩尔的燃料和氧化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 生成热生成热：由最稳定的单质单质化合成一摩尔一摩尔物质的反应热反应热反应热：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反应热＝生成物焓的总和生成物焓的总和 － 反应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？CO (g) + O2 (g) → CO2 (g) =-282.84kJ／molN2 (g) + 3 H2 (g) → 2 NH3 (g) =82.04 kJ／mol生成热生成热一定是由稳定一定是由稳定单质单质化合反应生成化合反应生成1mol1mol物物 质的热量质的热量 ×× √ C (s) + O2 (g) → CO2 (g) =-393.51kJ／molH2 (g) + I2 (s) → HI (g) = 25.10 kJ／mol√ 3. 反应热、生成热、燃烧热三者的区别？n生成热和燃烧热均是反应热的特殊情况；n当反应物是稳定单质，生成物是一摩尔的 化合物时的反应热就等于其生成热；n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和生成热的最大区别则在于：燃烧热是针：燃烧热是针 对反应物而言，生成热是针对生成物而言的对反应物而言，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1：求甲烷在空气中完全燃烧时的燃烧热？ CH4(g)+2O2(g)+ 7.52N2(g) CO2(g)+2H2O(l)+ 7.52N2(g)查表1-2 ：1.2 燃烧热的测量和计算 一. 燃烧热的直接测量 (两种方法）n 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 ；n 定压量热计：燃烧热做功，所吸收的热量等于焓增大了 二. 燃烧热的间接计算法 (热化学两个定律）n拉瓦锡-拉普拉斯 ( Laplace ) 定律n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，而符号相反化合物的分解热等于它的生成热，而符号相反根据这个定律，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 CO2的分解热（很难测定）例1：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2：苯的生成热 （很难测定）例3：1.3 燃烧反应计算 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，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 燃烧进行的两种方式：完全燃烧完全燃烧和不完全燃烧不完全燃烧何为燃烧反应计算燃烧反应计算？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空气量的计算 ( 完全燃烧）燃烧产物的计算燃烧产物的计算 ( 完全燃烧、不完全燃烧 ）燃料成分氧化剂（空气）燃烧反应计算的条件条件一、完全燃烧空气量的计算氧占空气的21％ 完全燃烧完全燃烧 所需空气量所需空气量完全燃烧所需 要的最小氧量最小氧量表示燃烧反应物化学当量关系的计量方程，即燃烧的化学方程式化学方程式。

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C＋H＋O＋S＝1kg，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最小氧量：对应的最小空气量最小空气量：实际空气消耗量实际空气消耗量：——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？燃料组成(kg)Ominkmol/kgLminkmol/kg热值（kJ/kg ）（实验值 ）热值(kJ/kg) （计算值）CHO汽油0.8540.1420.0040.10650.50734352943500原油0.8600.1370.0030.10580.50384311142207柴油0.8570.1330.0100.10430.49664185542667重油0.8600.1200.0200.10100.48094185541269二、燃烧产物的组成 1. 完全燃烧产物组成： （combustion production）： CO2、H2O、SO2、N2 ： CO2、H2O、SO2、N2，还有O2 ： C O2： H2 O ： SO2N22. 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 、 H2的形式存在。

C O2H2 OSO2N2O23. 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 ？一、 化学平衡（chemical equilibrium）n概念1.4 燃气的离解（dissociation）化学平衡化学平衡： 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、 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n 化学平衡常数Kp计算式二 、燃气的离解 n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n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 CO2和H2O分别离解COCO、、HH2 2 、、OHOH和OO2 2O2 、 H2和H2O分别离解HH2 2、、HH和OO N2参加反应N2离解NONO和N N n T2200K，p＝1atm或T2500K，p＝20atm：n T2400K，p＝1atm或T2800K，p＝20atm：n T3000K，p＝1atm或T3600K，p＝20atm：三、化学平衡时燃烧产物成分的计算n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。

假设：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x1～x12表示其摩尔分数x13为产生1摩尔燃 烧产物的燃料摩尔数n计算（2）燃料和空气的化学反应方程式为： 左边简记为：其中： ， ， ，当量比（1）理论 实际根据左右原子平衡：C原子平衡 （1－51） H 原子平衡 （1－52）O原子平衡 （1－53）N原子平衡 （1－54）Ar原子平衡 （1－55）（3）约束条件： （1－56）(1－57)(1－58)(1－59)(1－60)(1－61)(1－62)(1－63)（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K1~K10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x1~x13。

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，开始离解后 物质摩尔总数增加，而燃烧产物的摩尔数则减少燃烧反应计算燃烧反应计算燃烧空气量的计算燃烧产物的组成生成热生成热、反应热反应热和燃烧热燃烧热燃烧热的燃烧热的测量与计算（计算（拉瓦锡拉瓦锡- -拉普拉斯定律、盖斯定律）拉普拉斯定律、盖斯定律）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化学平衡时燃烧产物成分计算第一章作业：课本20页第2、3题补充： 1）燃气离解的原因是什么？分析不同温度下 的 离解产物 2）化学平衡产物的计算。