燃烧理论化学热动力学.ppt

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化学热力学是将燃烧作为热力学系统,考察其初始和最终热力学状态,研究燃烧的静态特性 化学热力学的主要内容一是根据热力学第一定律,分析化学能转变为热能的能量变化,这里主要确定化学反应的热效应; 二是根据热力学第二定律分析化学平衡条件及平衡时系统的状态。 有些化学反应进行得快,有些又很慢。当温度升高时,多数化学反应的速度加快。化学动力学就是解释这些现象的基本理论。化学动力学是化学学科的一个组成部分,它定量研究化学反应进行的速率及其影响因素,并用反应机理来解释由实验得出的动力学定律,研究燃烧的动态特性。 化学动力学研究的基本任务也有两个:第一个任务是确定各种化学反应速度以及各种因素(浓度、温度等)对反应速率的影响,从而提供合适的反应条件,使反应按人们所希望的速度进行; 第二个任务是研究各种化学反应机理,即研究从反应物过渡到生成物所经历的途径。反应速率的快慢主要决定于化学反应的内在机理。 第一节 化学热力学 如果反应放出的全部热量完全用于提高燃烧产物的温度,则这个温度就叫绝热燃烧温度。 由于绝热燃烧温度和燃气成分在燃烧研究中处于重要的地位,因而化学热力学对于燃烧研究也就很重要。 一、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或释放。而能量通常以热量的形式出现。 如果忽略有化学反应的流动系统中动能和势能的变化,同时除流动功以外没有其它形式的功交换,则加入系统的热量Q应等于该系统焓的增加ΔH,即: Q = ΔH 当反应系统在等温条件下进行某一化学反应过程时,除膨胀功外,不做其它功,此时系统吸收或释放的热量,称为该反应的热效应。对已知某化学反应来说,通常所谓热效应如不特别注明,都是指等压条件下的热效应。 当反应在101.325kPa,298K(25℃)条件下进行,此时的反应热效应称为标准热效应,用ΔH0298表示,上标“0”表示标准压力,下标“298”表示标准温度298K。在压力101.325kPa,温度TK条件下的生成热表示为ΔH0T。根据热力学惯例,吸热为正值,放热为负值。对于系统来讲,只有加入(正值)或排出(负值)热量,才能保证系统的温度稳定。 1、生成热 标准生成热定义为:由最稳定的单质物质化合成标准状态下一摩尔物质的反应热。以Δh0f,298表示。单位为kJ/mol。 稳定单质的生成热都等于零。 例如:氢H2与碘I2反应的化学方程式可写为: 1/2 H2 (g) + 1/2 I2 (s) = HI (g); Δh0f,291 = 25.10 kJ/mol。 这里氢H2和碘I2是稳定的单质,故Δh0f,291=25.10 kJ/mol是HI的标准生成热。符号g表示气态,s表示固态,相应地,l表示液态。 但下列化学方程式: CO (g) + 1/2 O2 (g) = CO2 (g) ;Δh0f,298 = -282.84 kJ/mol N2 (g) + 3 H2 (g) = 2 NH3 (g) ;Δh0f,298 = 82.04 kJ/mol 由于CO是化合物,不是稳定单质,故Δh0f,298 = -282.84 kJ/mol不是CO2的标准生成热;N2和H2虽是稳定的单质,但生成物为2mol的NH3,故Δh0f,298 = 82.04 kJ/mol也不是NH3的生成热。 因为有机化合物大都不能直接从稳定单质生成,因此表中的有机化合物的生成热并不是直接测定的,而是通过计算得到的。 2、反应热 在等温等压条件下,反应物形成生成物时吸收或释放的热量称为反应热,以Δhr表示,其值等于生成物焓的总和与反应物焓的总和之差。在标准状态下的反应热称为标准反应热,以Δh0r,298表示,由下式计算,单位为:kJ。 式中:Mi、Mj分别表示生成物、反应物的摩尔数;Δh0f,298i、Δh0f,298j分别表示生成物、反应物的标准生成热。 例如以下化学反应: C (s) + O2 (g) = CO2 (g) 该反应的标准反应热可由下式求得: Δh0r,298 = MCO2Δh0f,298CO2 – (MCΔh0f,298C + MO2Δh0f,298O2) = 1×(-393.51) – (1×0 + 1×0) = -393.51 kJ 上式也意味着,如果反应物是稳定单质,生成物为一摩尔的化合物时,该式的反应热在数值上就等于该化合物的生成热。 对任意给定压力和温度的反应热的计算,也可以按以上方法确定。对理想气体,焓值不取决于压力,反应热也与压力无关,而只随温度变化。在任意压力和温度下,反应热Δhr应等于系统从反应物转变成生成物时焓的减少。 Δhr随温度的变化可由下式给出: 这个结果说明,反应

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