第一章 燃烧热力学课件.ppt

本章研究内容 （研究燃烧系统中有化学反应时的能量转换和守恒关系） 基本概念 应用热力学第一定律和第二定律计算： 1.燃烧过程释放的能量 2.绝热燃烧（火焰）温度 3.燃烧产物的平衡温度平衡组分 提 纲: 1.1 定义及概念 大部分燃烧系统是获取热量和功，反应物由燃料和氧化剂组成 氧化剂-通常是空气中的氧 空气是免费的，不需要储存和携带。取之不尽，用之不竭 空气中的氧气的摩尔浓度是21% N2的浓度是79% 1摩尔的O2有3.76摩尔的N2 空气中N2对燃烧有稀释作用，降低燃烧反应强度 如需要提高燃烧强度，可行办法之一是采用纯氧或富氧燃烧 燃料 气态（H2\CO\CmHn等） 液态（重烷烃\甲、乙醇等） 固态（煤炭\木材等） 提 纲: 1.2 用于反应系统的热力学第一定律（能量守恒定律） 点评： 由以上两例可知，在相同的初始条件下，等容燃烧的温度比等压燃烧要高（此处高571K）。这是由于在等容燃烧过程中，体系没有对外做容积功。 在此例中，燃烧前后物质的摩尔数保持不变，这只是一个巧合，对其它燃料而言并不一定这样。 等容燃烧终态压力比初始压力高： 提 纲: 1.3 热力学第二定律在反应系统中的应用 总 结: 【解】混合物总体反应方程式： 由热力学第一定律得 【例1.5】初始压力为1atm，初始温度为298K的甲烷和空气以 化学计量比混合后进行绝热等压燃烧，假设（1）“完全燃烧”， 即产物中只有CO2,H2O和N2；（2）产物的焓用1200K（=0.5(Ti+Tad) , 其中Tad假设为2100K）的定比热估算。试确定该混合物的绝热 等压燃烧火焰温度。 将 ，可解得 。 1）若用组分平衡详细计算得2226K，但…更简单，准确度可接受。 2）若用变比热： 得2328K，但….很简便准确。 说明： 标准生成焓 显焓的变化 等容燃烧时，由热力学第一定律得： 式中 ， （ 代表初压， 代表终压） 【例1.6】利用上例中同样的假设，试确定初始压力为1atm，初始温度为298K的甲烷和空气以化学计量比混合时等容绝热火焰温度。 【解】由热力学第一定律得 即 将数据代入上式得 其中 ，整理上面各式得 可解得： 1.1 定义及概念 1.2 热一定律 1.3 热二定律 热离解：燃烧产物的分子在高温下吸收热量而裂变为简单 分子或原子的现象。 离解是吸热反应,温度越高，压力越低，离解程度越大，吸热也越多。这是由于燃烧反应而放出的热量将重新又吸回分子中去。燃烧产物离解使燃烧不完全，放热量减少，从而使燃烧温度下降。 为了更准确地计算实际火焰温度，必须知道燃烧产物的成分。燃烧产物成分的确定: 化学平衡、元素守恒、能量守恒。 燃烧产物有离解时煤油的 燃烧热和温度压力的关系 一、化学平衡(Chemical?equilibrium )条件(状态） 正向反应速度等于逆向反应速度，系统内各组分的浓度不随时间变化。 热力学第二定律：对于一个孤立系统【即与环境没有能量 （热量和功）或质量交换的系统】，熵只能增加或保持不变， 即 平衡态时： ——指明物理与化学过程进行的方向 ——平衡态时孤立系统的熵是可能的最大值 （1） 根据第二定律得： （2） 因为T，P是常数，上式可写为 或 联立方程（1）和（2），有 （3） 考虑一个与外界有功（ ）和热交换的系统，其中T和P 为常数，对该系统应用热力学第一定律得 令 ——吉布斯函数（自由能 ） 所以，上式可写成 平衡时： ——平衡态时吉布斯自由能为最小值 ——对一个等温等压过程，吉布斯自由能必须减小或保持不变 二、平衡常数法 为了计算燃烧产物组分，需要把吉布斯自由能与反应系统中物质浓度联系起来。而物质的浓度常用分压力表示。 由（3）式: 得: 在等温系统中dT=0 ，上式可写成 由上式得到理想气体混合物中某一组分i的吉布斯自由能的表达式： 式中： 是标准状态压力（即 ）下组分i的吉布 斯自由能。 摩尔吉布斯自由能 对于化学反应系统，吉布斯生成自由能 用下式计算 式中 是生成1mol化合物所需元素的化学计量系数。 理想气体混合物的吉布斯自由能可以表示为： 式中 是组分i的摩尔数。 当给定温度和压力时，平衡条件变为： 或 因为