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燃 烧 学 哈尔滨工业大学 燃烧工程研究所 邱朋华 第3章 燃烧化学基础 3.1化学热力学基础 一、化学热力学的回顾 化学热力学的用途 一个燃烧反应在指定的条件下能否进行？ 如果该反应能够进行，则它将达到什么限度？ 外界条件如温度、压力、浓度等对燃烧过程有什么影响？ 对于一个给定的燃烧过程，能量的变化关系怎样？燃烧过程究竟能为我们提供多少能量？ 化学热力学是研究化学反应过程中热能和化学能之间的转化、传递和反应的方向和限度的科学。 二、化合物的生成焓 化合物的生成焓 当化学元素在化学反应中构成一种化合物时，根据热力学第一定律，化学能转变为热能（或者相反）。转变中生成的能称之为化合物的生成焓 单位：kJ/mol 标准状态摩尔生成焓或者标准摩尔生成焓 各化学元素在恒压条件下形成1mol的化合物所产生的焓的增量,选择温度是298.15K，压力是101.325kPa 二、化合物的生成焓 在热力学范围内，无法知道内能和焓的绝对值大小，为解决实际问题需要，规定在室温（298K）和101.325kPa（即标准状态）下，各元素最稳定单质的生成焓为零。 一个化合物的生成焓并不是这个化合物的焓的绝对值，而是相对于合成它的单质的相对焓。 根据上述生成焓的定义，最稳定的单质的生成焓都等于零，因为它们自己生成自己就没有热效应。 三、化合物的反应焓 化合物的反应焓 在几种化合物（或元素）相互反应形成生成物时，放出或者吸收的热量称为反应焓 标准摩尔反应焓 在标准压力、任何温度下，几种单质或化合物的相互反应生成产物时，发出或者吸收的热量称为该化学反应的标准摩尔反应焓。 标准反应生成焓用 来表示。 三、化合物的反应焓 通过生成物和反应物的生成焓的焓差可以计算反应焓 三、化合物的反应焓 化学反应的实质，是化合物原键的拆散和新键形成的过程，在此过程中伴随着能量的变化，并以反应焓的形式表现出来 分裂两个原子或原子团之间的化学键，必须给以一定的能量 两个原子或者原子团结合成新键时，会放出一定的能量 某些化合物的生成焓并不知道，这时不可能用热力学的方法来计算它们的反应焓，而可能用化学键能来计算反应焓 如果知道分子中各原子的键能，将化学键分裂的键能减去化学键结合的键能，就相当于反应焓 四、基尔霍夫（G. Kirchoff）定律 对于给定的压力和温度下的反应焓如何计算呢？ 四、基尔霍夫（G. Kirchoff）定律 基尔霍夫（Kirchoff）定律 反应焓随温度的变化率等于定压下反应物和生成物的比热差 四、基尔霍夫（G. Kirchoff）定律 五、燃烧热（燃烧焓） 1mol的燃料完全燃烧释放的热量称为化合物的燃烧热。 如果燃烧发生于定压过程，这时的燃烧热称为燃烧焓。 部分燃料的燃烧热 六、绝热燃烧温度 燃料在绝热条件下完全燃烧所能达到的温度称为绝热燃烧温度，又称为绝热火焰温度 绝热燃烧温度的计算 例：纯碳和空气的燃烧反应 假定反应过程起始温度为273K，反应条件为等压绝热环境 绝热燃烧温度的计算 六、绝热燃烧温度 事实上，由于反应系统不可能做到绝热，总存在散热过程，同时纯碳也很难做到完全燃烧，故等温反应的反应焓要小于-405kJ，因此，绝热燃烧温度在实际反应过程中是永远达不到的。 在没有外热源向系统数如热量的前提下，该温度是反应生成物所能达到的温度的极限值，故该温度又称为理论燃烧温度、最高火焰温度。 3.2化学动力学基础 一、化学动力学回顾 化学动力学的用途 一个燃烧反应的速率有多大？ 反应是经过什么样的机理（或历程）进行的？ 外界条件（如温度、压力、浓度和催化剂等）对反应速率有什么影响？ 怎样才能有效地控制燃烧过程，保持燃烧过程稳定，使之按我们所需要的方向和适当的速率进行？ 化学动力学是研究化学反应进行的速度和历程的科学 二、化学反应速率的定义式 化学反应速率 单位时间内反应物（或者生成物）浓度的变化率。 单位通常为mol/(m3·s)。 即使外界条件都不变化，反应速率也会随时间发生变化 三、基元反应 基元反应 由参与反应的微粒一步实现的反应变化，又称为简单反应 每一步基元反应称为一个基元步骤 基元反应是物质化学反应的最小构成形式，不能进一步被分解为更小的反应形式 进行基元反应的粒子通过相互碰撞接触并进一步转化成其他物质 三、基元反应 四、质量作用定律 质量作用定律 描述化学反应速度和反应物浓度的关系 简单反应的速度与个反应物的浓度及其化学计量系数指数幂的乘积成正比 反应物浓度越高，反映颗粒之间碰撞几率大，反应速度越快 反应级数 定义 由质量作用定理关系可知，反应速度与反应物浓度存在着一定的量级关系。浓度因子[A]及[B]的指数和(a+b)及[C]和[D]的指数和(c+d)，称之为反应级数 反应级数一般由试验决定。但当