《2022化学2022第1章-化学热力学与动力学基础2022课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022化学2022第1章-化学热力学与动力学基础2022课件（126页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、燃烧理论基础第一章化学热力学及化学动力学基础1-化学热力学化学热力学p争论有化学反应的系统，其基本任务是将热力学的基本定律应用于化学过程或物理化学过程，争论这些过程中能量的转换，确定其中的能量平稳，判定过程可能进行的方向，争论相平稳，化学平稳，等等2-化学热力学化学热力学p热力学第确定律的应用p分析化学能与热能之间的转换，确定化学反应的热效应p热力学其次定律的应用p分析化学平稳条件，平稳时系统的状态，主要是燃烧反应平稳时的燃烧产物的温度与成分的确定3-化学动力学化学动力学p争论有化学反应的系统从一个状态到另一个状态的变化时所经受的过程及所需要的时间p化学动力学的目标是：p揭示化学反应速率变化的
2、本质p把握把握化学反应速率的方向4-化学动力学化学动力学p化学动力学的具体任务是：p确定化学反应速率的大小以及影响化学反应速率的因素p争论各种化学反应机理，即争论由反应物到生成物所经受的具体途径5-有化学反应的系统的特点有化学反应的系统的特点p热力系经受化学反应后不仅有热力参数变化，而且其组成和成分亦会发生变化p确定平稳状态的独立参数在2个以上定温定容过程，定温定压过程在化学热力学中具有重要的意义6-有化学反应的系统的特点有化学反应的系统的特点p热力学能的变化包括化学能的变化p容积变化功一般为无用功容积功有用功，包括电功，磁功等7-有化学反应的系统的特点有化学反应的系统的特点p燃烧反应是猛烈的
3、不行逆过程，但燃料电池接近可逆过程氢氧燃料电池工作原理8-化学反应的热效应化学反应的热效应p热力学第确定律解析式定温定容过程定温定压过程无有用功反应热热效应有用功容积功定容热效应(反应能)定压热效应(反应焓)热力学能，包括内热能和化学能9-化学反应的热效应化学反应的热效应p反应焓与反应能的比较以辛烷C8H18为例：假设温度为298K，就：RT=8.314298=2477.6 kJ/kmol=2.48 kJ/mol n=3.5 RT n=8.68kJ/mol=76kJ/kg辛烷的燃烧热：Q=-47837.7kJ/kg工程上，反应焓与反应能近似相等10-化学反应的热效应化学反应的热效应p热效应：在
4、以下条件下系统吸取或释放的热量p体系是在等温，等压或等温，等容条件下进行化学反应p除膨胀功以外不作任何其它形式的功p热效应的分类p生成焓p反应焓p燃烧焓11-生成焓生成焓p生成焓p由稳固的单质在等温，等压条件下生成一摩尔的化合物时的热效应，称为该化合物的生成焓；p以Dhf 表示，单位：kJ/mol；p不同温度，压力下化合物的生成焓是不同的p标准生成焓p化合物的生成反应是在一个标准大气压，298K（25）温度下进行的p表示为：稳固单质或元素的标准生成焓规定为零12-生成焓生成焓不是生成焓举例说明：举例说明：13-反应焓反应焓p反应焓p在等温，等压条件下由几种化合物或单质反应形成生成物时吸取或释放
5、的热量称为反应焓p以DHR 表示，单位：kJ p反应焓等于生成物焓的总和与反应物焓的总和之差p标准反应焓p反应在一个标准大气压，298K（25）温度下进行的p表示为14-反应焓反应焓p标准反应焓的运算生成物的生成焓之和反应物的生成焓之和15-反应焓反应焓p任意温度，压力下反应焓的运算p对于抱负气体而言，焓只是温度的函数，与压力无关假设某化学反应：假设某化学反应：16-反应焓反应焓p任意温度，压力下反应焓的运算17-反应焓反应焓p任意温度，压力下反应焓的运算 反应焓随温度的变化率等于反应物和生成物的定压比热容之差；这个关系称为Kirchoff定律；18-反应焓反应焓p任意温度，压力下反应焓的运算
6、积分上式可得：定比热：19-燃烧焓燃烧焓p燃烧焓p一摩尔的燃料在等温，等压条件下完全燃烧释放出来的热量称为燃烧焓，也称为燃烧热或热值；p标准状态下的燃烧焓称为标准燃烧焓p 产物中含有水分时，以气态水和液态水运算出的燃烧焓是不相同的20-小结小结p反应热21-热化学定律热化学定律pLavoisier-Laplace定律使一化合物分解成为组成它的元素所要求供应的热量和由元素生成化合物产生的热量相等，即化合物的分解热等于它的生成焓Q11摩尔的化合物分解质时的热效应称为该化合物的分解热；22-热化学定律热化学定律p盖斯(Hess)定律化学过程的热效应与其所经受的中间状态无关，而只与物系的初始及终了状态
7、有关ABCDEQ1Q2Q3Q4Q523-热化学定律热化学定律p盖斯定律的应用利用已知热效应运算未知热效应CCO2CO24-热化学定律热化学定律p盖斯定律的应用利用生成焓运算过程的热效应反应物A反应物B生成物E单质a+b+c单质d+e+f+25-热化学定律热化学定律p盖斯定律的应用利用生成焓运算过程的热效应推论：反应的热效应等于生成物的生成焓的总和减去反应物的生成焓总和生成物反应物单质26-热化学定律热化学定律p盖斯定律的应用例：利用标准生成焓数据，试求以下反应的标准燃烧焓：27-热化学定律热化学定律p基尔霍夫(Kirchoff)定律设某反应在任意温度T下进行，就其热效应：反应物温度由T到T0时
8、焓的变化量产物温度由T0到T时焓的变化量28-热化学定律热化学定律p基尔霍夫(Kirchoff)定律29-热化学定律热化学定律p基尔霍夫定律反应物反应物生成物生成物30-热化学定律热化学定律p绝热理论燃烧温度反应物生成物反应物的焓差生成物的焓差31-摸索题摸索题p某燃烧室燃烧航空煤油(正辛烷C8H18，液态），假设燃烧过程是在标准大气压下完全燃烧，如余气系数为2.5，燃烧前燃料与空气的温度均为298.15K，试求绝热理论燃烧温度；32-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p化学平稳条件wwww33-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p化学平稳条件 第一看一看等温，等压自发过程的热力平稳条件；
9、依据热力学第确定律有：由于自发过程是不行逆过程，就由热力学其次定律有：34-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p化学平稳条件对于定温，定压过程：自由焓，也称为Gibbs函数等温，等压自等温，等压自发过程总是向发过程总是向自由焓的减小自由焓的减小的方向进行的方向进行35-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p平稳判据P（最大）S（最大）U（最小）H（最小）F（最小）V（最小）T（最小）G（最小）36-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p化学平稳条件定温，定压条件下系统的热力平稳条件：化学反应系统，自由焓称为反应自由焓：化学平稳条件化学平稳条件37-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p反应自
10、由焓u标准状态下的反应自由焓标准生成自由焓38-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p反应自由焓p任意温度，压力下的反应自由焓依据热力学的定义：39-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p反应自由焓p任意温度，压力下的反应自由焓暂不考虑温度的影响，令dT=0从状态（p0,T）到（p,T）积分上式可得：40-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p反应自由焓p任意温度，压力下的反应自由焓暂不考虑压力的影响，令dp=0Gibbs-Helmholtz方程方程41-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p化学平稳常数p质量作用定律设化学反应的一般式为：在温度不变的情形下，反应速率可表示为：质量作用定律质量
11、作用定律适用于：简洁反应，基元步骤适用于：简洁反应，基元步骤42-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p化学平稳常数kk例如：正向反应：逆向反应：当达到化学平稳时：43-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p化学平稳常数kk例如：令：令：化学平稳化学平稳常数常数44-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p化学平稳常数对于气体反应系统，反应物浓度可以用分压力来表示：令：令：为以分压力定义的平稳常数；45-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p平稳常数和标准反应自由焓的关系以以下反应为例：其标准反应自由焓为：在任意给定的压力下的反应自由焓为：46-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p平稳常数和标
12、准反应自由焓的关系当达到化学平稳时：47-化学平稳与平稳常数化学平稳与平稳常数p平稳常数和标准反应自由焓的关系 标准反应自由焓与反应物，生成物的标准生成自由焓及其化学计量系数有关，与反应条件无关，所以平稳常数kp只是温度的函数；48-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p燃烧过程热力运算是燃烧装置及整个热力系统的设计与运行都是不行缺少的；p燃烧是燃料中可燃物质与空气中氧气进行快速，发光，发热的氧化反应，燃烧过程的运算基于这些化学反应过程中质量平稳与热量平稳；p燃料的燃烧过程有在“完全燃烧”与“不完全燃烧”两种状况；p燃烧过程运算中视燃烧产物，空气，水蒸气为抱负气体；49-燃烧过程的热力运算燃烧
13、过程的热力运算p理论空气量p在燃烧装置中，供入的燃料完全燃烧掉且没有余外的氧气，此时所需的空气量为理论空气量p1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量表示为：L0 （kg-air/kg-fuel）或V0 （kmol-air/kg-fuel）50-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p理论空气量p依据化学反应方程式来运算以碳氢燃料CxHy为例：12x+y a(32+3.7628)44x 9y 3.76a2851-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p理论空气量p依据组成元素分析 一般碳氢的燃料由C，H，O，N，S等元素组成，假设这些元素的质量百分比为：gC，gH，gO，gN，gS，且：其中可燃元素：C
14、，H，S，这些元素的反应式：52-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p理论空气量p依据组成元素分析53-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p过量空气系数u燃烧过程实际供入的空气量与理论空气量之比称为过量空气系数，也称为余气系数，用a 表示a 1，贫燃料（油）燃烧54-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p当量比p实际供油量与理论供油量之比，称为当量比，用表示；可见当量比与过量空气系数之间有：55-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p绝热火焰温度p燃烧过程是在绝热条件下完成的，就系统最终达到的温度称绝热火焰温度，或称理论燃烧温度，用Tm表示 p对于等压燃烧而言，绝热火焰温度取决于燃烧释放出
15、来的燃烧焓；56-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p绝热火焰温度在绝热条件下：在绝热条件下：57-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p绝热火焰温度 58-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p绝热火焰温度u反应程度法反应程度法反应开头时反应开头时 反应平稳时反应平稳时反应刚刚开头反应刚刚开头反应已经终止反应已经终止反应处于动平稳状态时：反应处于动平稳状态时：59-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p绝热火焰温度u反应程度法反应程度法60-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p绝热火焰温度u反应程度法反应程度法61-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p绝热火焰温度u反应程度法反应程度法
16、62-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p绝热火焰温度u反应程度法反应程度法依据反应物，生成物的生成焓依据反应物，生成物的生成焓及初始温度，压力，运算反应及初始温度，压力，运算反应放热量放热量 HC,T0；假定一个假定一个Tm0值，运算出值，运算出反应度及平稳成分反应度及平稳成分运算出新的运算出新的Tm1Tm0=Tm1EndNY63-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p绝热火焰温度u高温有解离时的绝热火焰温度高温有解离时的绝热火焰温度 设燃料的一般分子式为设燃料的一般分子式为:氧化剂的一般分子式为氧化剂的一般分子式为:产物：产物：CO2，H2O及及N264-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p绝热火焰温度u高温有解离时的绝热火焰温度高温有解离时的绝热火焰温度 在高温下三原子气体的离解：在高温下三原子气体的离解：65-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p绝热火焰温度u高温有解离时的绝热火焰温度高温有解离时的绝热火焰温度 在更高的温度下，双原子分子在更高的温度下，双原子分子H2和和O2也将离解：也将离解：66-燃烧过程的热力运算燃烧过程的热力运算p绝热火焰温度u高温有解离时的绝热火
