Сгорание это в физике 8 класс определение кратко

Обновлено: 02.07.2024

Количество атомов и молекул удобно выражать в терминах количества вещества либо количества молей вещества. Один моль вещества соответствует 6,023∙10 23 частиц (атомов и молекул). Число N_А = 6,023 ∙10 23 моль -1 носит название числа Авогадро. Мольная доля х_i компонента i представляет собой отношение числа молей n_i компонента i к полному числу молей n =∑ n_i смеси (х_i = n_i /n ).

Масса m является фундаментальным свойством вещества (единица измерения в системе СИ — килограмм). Массовая доля Wi — это отношение массы m_i компонента i к полной массе смеси m = ∑m_i (Wi = m_i /m).

Молекулярная масса (или молекулярный вес) M_i (г/моль) компонента I — это масса одного моля данного компонента. Так, для атомарного углерода, молекулярного водорода, кислорода и метана имеем: M_c = 12 г/моль, Мн₂ = 2 г/моль, Мо₂ = 32 г/моль, Мсн₄ = 16 г/моль. Средняя молярная масса смеси M (г/моль) может быть выражена через мольные доли компонентов (М = ∑x_iM_i).

Определение процессов горения

Горение – это сложный физико-химический процесс, при котором горючие вещества и материалы под воздействием высоких температур вступают в химическое взаимодействие с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в продукты горения, и который сопровождается интенсивным выделением тепла и световым излучением.

Условия, необходимые для возникновения процесса горения:

- наличие горючего вещества (Г.В.);

- наличие окислителя (О.) - кислорода воздуха;

- наличие источника зажигания (И.З.).

- горючее вещество должно быть нагрето до определенной температуры, при которой начнется процесс окисления;

- чтобы нагреть горючее вещество до определенной температуры, необходима определенная мощность источника зажигания;

- чтобы поддерживать процесс горения, необходимы определенные концентрации горючего и окислителя.

Важнейшие процессы при горении - тепло- и массоперенос. Наиболее общее свойство горения - это возникновение пламени и перемещение его по всей горючей смеси путем передачи тепла или диффузии активных частиц из зоны горения в свежую горючую смесь.

Пламя - это видимое проявление горения. Его называют также зоной горения. Это та часть пространства, где происходит превращение горючей смеси в продукты полного и неполного сгорания.

Главными параметрами процесса горения, приводящими к гибели людей и наносящими материальный ущерб, являются:

- большое количество тепла;

- токсичный состав продуктов горения.

Процесс горения с позиций молекулярно-кинетической теории газов

Рис. 2.1. Доля активных молекул в зависимости от температуры: Т₂>Т₁

При нагревании газовой горючей смеси в ней увеличивается избыточная энергия.

Разность между средним уровнем запаса энергии молекул в активном состоянии и средним уровнем неактивном состоянии, называется энергией активации. Это можно представить графически (рис. 2).

Рис. 2.2. Энергетическая диаграмма хода реакции Г.В. + О. ® П.Г.: Е_акт – энергия активации; Q_х.р – тепловой эффект реакции горения

Чем выше численное значение Е_акт, тем труднее заставить данную пару компонентов вступить в химическое взаимодействие. Поэтому величина Е_акт является косвенным показателем степени пожарной опасности данной химической системы.

Виды и режимы горения

Горение можно классифицировать по следующим параметрам:

1. По условию смесеобразования горючих компонентов:

а) кинетическое – горение предварительно перемешанных газо- или паровоздушных смесей. Так как смесь горючего и окислителя готова к горению до момента ее воспламенения, то суммарная скорость процесса горения зависит только от скорости химической реакции горения. Если такое горение будет происходить в замкнутом или ограниченном объеме, то тогда может произойти взрыв. Так как энергия, выделяющаяся при сгорании смеси, не успевает отводиться за пределы данного объема, за счет увеличения давления возможно разрушение конструкций;

б) диффузионное, диффузионным горением называется горение, когда образование горючей среды (смешение горючего и окислителя) происходит перед зоной горения или в зоне горения.

2. По интенсивности поступления горючих компонентов в зону химической реакции:

а) ламинарное, при этом компоненты горючей смеси поступают в зону горения сравнительно спокойно. При этом численное значение критерия Рейнольдса, который характеризует термодинамический режим, будет значительно меньше критического (Re

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все.

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.).

Горение топлива — сложный физико-химический процесс превращения исходных веществ в продукты сгорания в ходе экзотермических реакций, сопровождающийся интенсивным выделением тепла.

Химическая энергия, запасённая в компонентах исходной смеси, может выделяться также в виде теплового излучения и света.

Поясним это на примере горения угля. Известно, что углерод соединяется с кислородом воздуха, образуя двуокись углерода:

В центре каждого из них находится ядро, имеющее положительный электрический заряд. Вокруг ядра вращаются электроны — отрицательно заряженные частицы. Именно потому, что ядро и электроны имеют противоположные заряды, ядро притягивает электроны, которые в нормальных условиях не могут оторваться от него.

У атома кислорода на последней электронной оболочке имеется как раз два свободных места, а у атома углерода на последней оболочке находятся четыре слабо связанные с ним электрона (рис. 3.1 ).

Переход электронов от атома углерода к атому кислорода ведёт к образованию двух атомов кислорода с отрицательным зарядом (теперь они имеют на два отрицательных заряда больше, чем электрически нейтральный атом) и одного атома углерода с положительным зарядом (потеряв отрицательные заряды, атом остаётся с неуравновешенным положительным зарядом ядра).

Атом углерода притягивает оба атома кислорода (рис. 3.2 ). Образуется состоящая из сравнительно сильно связанных атомов молекула двуокиси углерода — $CO²$.

Чтобы снова получить отдельно атомы кислорода и углерода, надо разбить эту молекулу. Для этого потребовалось бы определённое количество энергии. Именно эта энергия и выделилась при соединении кислорода с углеродом в виде электромагнитного излучения — света и инфракрасных лучей (потому-то огонь светит и греет), а частично превратилась в энергию движения молекул воздуха и газов, образовавшихся при сгорании.

Атомы, из которых состоят предметы, находящиеся поблизости от огня (например, стены печи), поглощают электромагнитное излучение. В результате этого, а также под воздействием ударов нагретых, быстро движущихся молекул газа, сами начинают колебаться интенсивнее. А тепло — ведь это не что иное, как неупорядоченное колебание атомов в твёрдых телах и движение атомов в газах. Чем выше энергия этого движения, тем выше температура.

Потому что внешние электроны в атомах углерода связаны со всем атомом сравнительно слабо, однако достаточно для того, чтобы атом не мог самопроизвольно потерять их. Нужна, таким образом, высокая температура, чтобы возбудить быстрое движение атомов кислорода в воздухе, которые, приобретя достаточную скорость, могут при столкновении с атомами углерода оторвать от них слабосвязанные внешние электроны.

Температура, до которой нужно нагреть горючее вещество, чтобы оно воспламенилось без поднесения к нему источника зажигания, называется температурой самовоспламенения.

Горение — это сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Приближенно можно описать природу горения как бурно идущее окисление.

Дозвуковое горение (дефлаграция) в отличие от взрыва и детонации протекает с низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому горению относят нормальное ламинарное и турбулентное распространения пламени, к сверхзвуковому — детонацию.

Горение подразделяется на тепловое и цепное. В основе теплового горения лежит химическая реакция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением вследствие накопления выделяющегося тепла. Цепное горение встречается в случаях некоторых газофазных реакций при низких давлениях.

Условия термического самоускорения могут быть обеспечены для всех реакций с достаточно большими тепловыми эффектами и энергиями активации.
Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения либо быть инициированным зажиганием. При фиксированных внешних условиях непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики процесса — скорость реакции, мощность тепловыделения, температура и состав продуктов — не изменяются во времени, либо в периодическом режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям. Это же свойство горения обусловливает существование нескольких стационарных режимов при одних и тех же условиях (гистерезисный эффект).

Содержание

Теория горения

При адиабатическом сжигании горючей смеси могут быть рассчитаны количество выделившегося при горении тепла, температура Т_Г, которая была бы достигнута при полном сгорании (адиабатическая температура горения) и состав продуктов, если известны состав исходной смеси и термодинамические функции исходной смеси и продуктов. Если состав продуктов заранее известен, Т_Г может быть рассчитана из условия равенства внутренней энергии системы при постоянном объёме или её энтальпии при постоянном давлении в исходном и конечном состояниях с помощью соотношения: Т_Г = Т0 + Q_r/C, где Т₀ — начальная температура смеси, С — средняя в интервале температур от Т₀ до Т_Г удельная теплоёмкость исходной смеси (с учетом её изменения при возможных фазовых переходах), Q_r — удельная теплота сгорания смеси при температуре Т_Г. При относительном содержании а₀ в смеси компонентов, полностью расходуемых в реакции, Q_Г = Q*а₀ где Q — тепловой эффект реакции горения. Значение Т_Г при постоянном объеме больше, чем при постоянном давлении, поскольку в последнем случае часть внутренней энергии системы расходуется на работу расширения. На практике условия адиабатичекого горения обеспечиваются в тех случаях, когда реакция успевает завершиться прежде, чем станет существенным теплообмен между реакционным объёмом и окружающей средой, например в камерах сгорания крупных реактивных двигателей, в больших реакторах, при быстро распространяющихся волнах горения.
Термодинамический расчёт даёт лишь частичную информацию о процессе — равновесный состав и температуру продуктов. Полное описание горения, включающее также определение скорости процесса и критических условий при наличии тепло- и массообмена с окружающей средой, можно провести только в рамках макрокинетического подхода, рассматривающего химическую реакцию во взаимосвязи с процессами переноса энергии и вещества.
В случае заранее перемешанной смеси горючего и окислителя реакция горения может происходить во всём пространстве, занятом горючей смесью (объёмное горение), или в сравнительно узком слое, разделяющем исходную смесь и продукты и распространяющемся по горючей смеси в виде так называемой волны горения. В неперемешанных системах возможно диффузионное горение, при котором реакция локализуется в относительно тонкой зоне, отделяющей горючее от окислителя, и определяется скоростью диффузии реагентов в эту зону.

Описание процессов горения

Важность процесса горения в технических устройствах способствовала созданию различных моделей, позволяющих с необходимой точностью его описывать. Так называемое нулевое приближение включает описание химических реакций, изменение температуры, давления и состава реагентов во времени без изменения их массы. Оно соответствует процессам происходящим в закрытом объёме, в который была помещена горючая смесь и нагрета выше температуры воспламенения. Одно-, двух- и трёхмерные модели уже включает в себя перемещение реагентов в пространстве. Количество измерений соответствует количеству пространственных координат в модели. Режим горения бывает как и газодинамическое течение: ламинарным или турбулентным. Одномерное описанное ламинарного горения позволяет получить аналитически важные выводы о фронте горения, которые затем используются в более сложных турбулентных моделях.

Объёмное горение

Объемное горение происходит, например, в теплоизолированном реакторе идеального перемешивания, в который поступает при температуре Т₀ исходная смесь с относительным содержанием горючего а₀; при другой температуре горения реактор покидает смесь с иным относительным содержанием горючего а. При полном расходе G через реактор условия баланса энтальпии смеси и содержания горючего при стационарном режиме горения могут быть записаны уравнениями:

где w(а, Т) — скорость реакции горения, V — объём реактора. Используя выражение для термодинамической температуры Т_Г, можно из (1) получить:

и записать (2) в виде:

где q_-T = GC(T — Т₀) — скорость отвода тепла из реактора с продуктами сгорания, q₊T = Qw(a, Т)V — скорость выделения тепла при реакции. Для реакции n-ного порядка с энергией активации:

Диффузионное горение

Характеризуется раздельным подачей в зону горения горючего и окислителя. Перемешивани комонентов происходит в зоне горения. Пример: горение водорода и кислорода в ракетном двигателе.

Горение предварительно смешанной среды

Как следует из названия, горения происходит в смеси, в которой одновременно присутсвуют горючее и окислитель. Пример: горение в цилиндре двигателя внутреннего сгорания бензиново-воздушной смеси после инициализации процесса свечой зажигания.

Особенности горения в различных средах

Беспламенное горение

В отличие от обычного горения, когда наблюдаются зоны окислительного пламени и восстановительного пламени, возможно создание условий для беспламенного горения. Примером может служить каталитическое окисление органических веществ на поверхности подходящего катализатора, например, окисление этанола на платиновой черни.

Тление

Вид горения, при котором пламя не образуется, а зона горения медленно распространяется по материалу. Тление обычно наблюдается у пористых или волокнистых материалов с высоким содержанием воздуха или пропитанных окислителями.

Автогенное горение

Самоподдерживающиеся горение. Термин используется в технологиях сжигания отходов. Возможность автогенного (самоподдерживающегося) горения отходов определяется предельным содержанием балластирующих компонент: влаги и золы. На основе многолетних исследований шведский ученый Таннер предложил для определения границ автогенного горения использовать треугольник-схему с предельными значениями: горючих более 25%, влаги менее 50%, золы менее 60%.

Тестовые очаги горения

Тестовый очаг пожара - устройство, предназначенное для горения строго определенных материалов, обеспечивающих заданные параметры среды в стандартном испытательном помещении. [1]

Для проведения испытаний пожарных извещателей устанавливают шесть видов тестовых очагов пожара обозначаемых ТП-1, ТП-2, ТП-3, ТП-4, ТП-5, ТП-6. [2]

Горение – это совокупность одновременно протекающих физических процессов (плавление, испарение, ионизация) и химических реакций окисления горючего вещества и материала, сопровождающееся, как правило, световым и тепловым излучением и выделением дыма. В основе горения лежит взаимодействие горючего вещества с окислителем, преимущественно с кислородом воздуха.

Однако горения может осуществляться без доступа воздуха (кислорода), если в состав горючей массы (среды) входит окислитель в виде примеси или составной части молекулы. В производственных условиях или ракетной технике горения может осуществляться в атмосфере таких окисляющих газов, как фтор, хлор, окислы азота и другие.

Некоторые вещества (порошкообразные титан и цирконий) способны гореть в атмосфере азота, двуокиси углерода, не относящимся к традиционным окислителям.

Виды горения

В зависимости от способа подвода окислителя различают:

гомогенное горение, когда реагенты перед началом горения были перемешаны без поверхности раздела фаз;
гетерогенное горение, когда реагенты находятся в разных агрегатах состояния (твердое + газ, твердое + жидкость) или между ними имеется поверхность раздела (твердое + твердое, несмешивающиеся жидкость + жидкость). Гетерогенное горение часто относят к диффузионному горению.
горение, скорость которого лимитирована скоростью химической реакции, называют кинетическим горением. Так как скорость химического взаимодействия, как правило, выше скорости диффузии, кинетическое горение протекает с максимальной для данной системы скоростью (дефлаграция, детонация).

При пожаре отмечается смешанный тип горения. В зависимости от скорости горение может быть медленным (тление), нормальным (дефлаграция) и взрывообразным (взрыв), переходящим в детонационное (детонация).

По внешнему проявлению горение может быть пламенным или беспламенным.

Беспламенное горение может возникнуть в результате дефицита окислителя (тление) или при низком давлении насыщенных паров горючего вещества (горение тугоплавких металлов и кокса).

По механизму развития горение может быть тепловым, при котором причиной самоускорения реакций окисления является повышение температуры, и автокаталитическим (цепным), когда ускорение процесса достигается накоплением промежуточных катализирующих продуктов (активных центров). Автокаталитическое горение осуществляется при сравнительно низких температурах. При достижении определенных концентраций промежуточных каталитических продуктов автокаталитическое горение может переходить в тепловое. При этом температура горения резко возрастает.

Горение может возникать и развиваться спонтанно, стихийно (пожар), но может быть специально организованным, целесообразным: энергетическое горение (в целях получения тепловой или электрической энергии) и технологическое горение (доменный процесс, металлотермия, синтез тугоплавких неорганических соединений и т.д.).

Характеристики горения

Горение характеризуется такими величинами, как: температура, скорость, полнота, состав продуктов. Располагая данными о механизме горения и его характерных особенностях, можно увеличивать скорость и температуру горения (промотирование горения) или снижать их вплоть до прекращения горения (ингибирование горения).

Источники: Основные характеристики горения. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. —М., 1977; Процессы горения в химической технологии и металлургии. Мержанов А.Г. —Черноголовка, 1975; Физика горения и взрыва. Хитрин Л.Н. —М., 1957.

Тепловым двигателем называют машину, в ходе работы которой внутренняя энергия переходит в механическую. Самую простую модель такой машины можно представить в виде металлического цилиндра и плотно пригнанного поршня, который может двигаться вдоль цилиндра.

Одним из самых распространённых видов теплового двигателя, который мы встречаем в жизни, является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Легко догадаться, что отсюда и пошло его название.

В данном уроке мы рассмотрим устройство двигателя внутреннего сгорания и схему его работы.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Тепловые двигатели такого типа работают на жидком и газообразном топливе. Этим топливом могут быть нефть, бензин, керосин, различные горючие газы.

На рисунке 1 изображена схема простейшего двигателя внутреннего сгорания в разрезе.

Двигатель представляет собой прочный металлический цилиндр. Внутри этого цилиндра имеется подвижный поршень 3. Поршень соединения шатуном 4 с коленчатым валом 5.

В верхней части двигателя расположены два клапана 1 и 2. Когда двигатель работает, они автоматически открываются и закрываются в определенные нужные моменты.

Через клапан 1 в цилиндр двигателя поступает горючая смесь. Она воспламеняется с помощью свечи 6.

Горючая смесь — это смесь горючих газов, частиц жидкого топлива и паров топлива с воздухом (кислородом).

Отработавшие газы выпускаются через клапан 2.

Периодически в цилиндре происходит сгорание горючей смеси. Например, сгорает смесь паров бензина и воздуха. Образуются газообразные продукты сгорания. Их температура при этом достигает высоких значений — $1600-1800 \degree C$. В результате этого резко увеличивается давление на поршень.

Эти газы (продукты сгорания) толкают поршень. При движении поршня двигается и коленчатый вал. Таким образом газы совершают механическую работу. Т. е., часть внутренней энергии газов перешла в механическую энергию. Следовательно, внутренняя энергия газов уменьшилась — они начинают охлаждаться.

Мертвые точки, ход поршня и такты двигателя

Для того чтобы более подробно рассмотреть схему работы данного двигателя, нам понадобятся новые определения.

Поршень может двигаться внутри цилиндра. В устройстве самого простого вида, который мы рассматриваем, он может двигаться вверх и вниз.

Мёртвые точки — это крайние точки положения поршня в цилиндре.

Ход поршня — это расстояние, которое проходит поршень от одной мертвой точки до другой.

Рассматриваемые нами двигатели внутреннего сгорания называют четырехтактными.

Четырехтактный двигатель — это двигатель, в котором один рабочий цикл происходит за четыре хода поршня (за четыре такта).

Один такой такт двигателя или ход поршня происходит за половину оборота коленчатого вала.

Схема работы двигателя внутреннего сгорания: четыре такта

Теперь давайте подробно рассмотрим все четыре такта работы двигателя (рисунок 2).

Рисунок 2. Схематическое изображение работы двигателя внутреннего сгорания

Первый такт (рисунок 2, а):

При повороте коленчатого вала в самом начале такта поршень начинает двигаться вниз
Объем над поршнем увеличивается
В цилиндре образуется разрежение
Открывается клапан 1. В цилиндр поступает горючая смесь
Цилиндр заполняется горючей смесью. Клапан 1 закрывается

Второй такт (рисунок 2, б):

Вал продолжает поворачиваться, поршень теперь двигается вверх
Таким образом поршень сжимает горючую смесь
Поршень доходит до верхней мертвой точки
Сжатая горючая смесь воспламеняется от электрической искры (свеча 6) и сгорает

Третий такт (рисунок 2, в):

При сгорания смеси образуются газы. Они давят на поршень — толкают его вниз
Под действием этих расширяющихся нагретых газов двигатель совершает работу. Поэтому,

Третий такт двигателя — это рабочий ход.

Поршень двигается вниз. Его движение передается шатуну и коленчатому валу
Получив сильный толчок, коленчатый вал с маховиком продолжают вращение по инерции. При этом они приводят в движение поршень при последующих тактах

Заметьте, что на втором и третьем тактах двигателя клапаны закрыты.

В конце такта открывается клапан 2. Продукты сгорания начинают выходить из цилиндра в окружающую среду

Четвертый такт (рисунок 2, г):

Идет выход продуктов сгорания из цилиндра (клапан 2 открыт)
Поршень движется вверх
В конце этого такта клапан 2 закрывается

Цикл двигателя состоит из четырех тактов:
впуск
сжатие
рабочий ход
выпуск

Создание и применение двигателя внутреннего сгорания

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания рассмотренного нами вида изобрел немецкий инженер Рудольф Дизель (рисунок 3).

Рисунок 3. Рудольф Кристиан Карл Дизель (1858 — 1913)

Двигатели внутреннего сгорания имеют очень широкое применение. В ходе их усовершенствования, в мире появлялись новые средства передвижения. Например, автомобили, мотоциклы, самолеты, вертолеты, космические корабли, ракеты, суда на воздушной подушке.

В автомобилях чаще всего стоят четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. В каждом цилиндре по очереди происходит рабочий ход. Поэтому коленчатый вал постоянно получает энергию от одного из поршней.

Существуют и двигатели с другим количеством цилиндров. Многоцилиндровые двигатели лучше обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Огнестрельное оружие является простейшим примером ДВС. Цилиндром является ствол оружия, а поршнем — выбрасываемые из оружия пули или снаряды.

Использование ДВС обеспечило быстрый прогресс в военной индустрии: были разработаны танки, истребители, подводные лодки.

В настоящее время двигатели внутреннего сгорания установлены практически на каждом виде транспорта, которым мы пользуемся. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.

Читайте также: