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1、WWW.WATSONWYATT.COM第一章第一章 燃烧热力学燃烧热力学l本章研究内容本章研究内容本章研究内容本章研究内容 （研究燃烧系统中有（研究燃烧系统中有（研究燃烧系统中有（研究燃烧系统中有化学反应化学反应化学反应化学反应时的能量转换和守恒关系）时的能量转换和守恒关系）时的能量转换和守恒关系）时的能量转换和守恒关系）基本概念基本概念基本概念基本概念应用热力学第一定律和第二定律计算：应用热力学第一定律和第二定律计算：应用热力学第一定律和第二定律计算：应用热力学第一定律和第二定律计算：1.1.1.1.燃烧过程释放的能量燃烧过程释放的能量燃烧过程释放的能量燃烧过程释放的能量2.2.2.2.绝热
2、燃烧（火焰）温度绝热燃烧（火焰）温度绝热燃烧（火焰）温度绝热燃烧（火焰）温度3.3.3.3.燃烧产物的平衡温度平衡组分燃烧产物的平衡温度平衡组分燃烧产物的平衡温度平衡组分燃烧产物的平衡温度平衡组分提提 纲纲: :1.1定义及概念定义及概念1.2热一定律热一定律1.3热二定律热二定律1.1 1.1 定义及概念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l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
3、之一是采用纯氧或富氧燃烧l燃料气态（H2COCmHn等）液态（重烷烃甲、乙醇等）固态（煤炭木材等）一、化学恰当比一、化学恰当比一、化学恰当比一、化学恰当比考虑各种元素的质量守恒，一个化学反应可以写成如下形式：、分别是组分i在反应物和生成物中的化学计量系数。式中：组分i（反应物或生成物）的化学元素符号； 则有： 式中： 对于碳氢燃料碳氢燃料碳氢燃料碳氢燃料和空气和空气和空气和空气的化学反应，上式可以写成化学恰当反应：化学恰当反应：化学恰当反应：化学恰当反应：所有参加化学反应的反应物都按化学反应按化学反应按化学反应按化学反应方程规定的比例方程规定的比例方程规定的比例方程规定的比例完全完全完全完全燃
4、烧的反应。空气空气-燃料化学恰当比（空燃料化学恰当比（空燃比）燃比）：化学恰当反应时消耗的空气燃料质量比质量比质量比质量比。若以1kg燃料计，则为理论空气量理论空气量L0。ststoichiometric式中，分别为空气和燃料的相对分子质量。、当量比当量比当量比当量比（ EquivalenceratioEquivalenceratio,dimensionlessfuel/air,dimensionlessfuel/air） 富燃料混合物(rich mixture) 化学恰当比混合物(stoichiometric ) 贫燃料混合物(lean mixture)余气系数，余气系数，过量空气系数量空气
5、系数(dimensionlessair/fuel,excessaircoefficient) 富燃料混合物化学恰当比混合物贫燃料混合物【解解】：已知：，求：，（A/F）及【例例例例1.11.11.11.1】一个小型低辐射、固定的燃气涡轮发动机，当它一个小型低辐射、固定的燃气涡轮发动机，当它一个小型低辐射、固定的燃气涡轮发动机，当它一个小型低辐射、固定的燃气涡轮发动机，当它在全负荷（功率为在全负荷（功率为在全负荷（功率为在全负荷（功率为3950KW3950KW3950KW3950KW）条件下工作时，空气的质量流量）条件下工作时，空气的质量流量）条件下工作时，空气的质量流量）条件下工作时，空气的质
6、量流量为为为为15.9kg/s15.9kg/s15.9kg/s15.9kg/s，混气的当量比为，混气的当量比为，混气的当量比为，混气的当量比为0.2860.2860.2860.286。假设燃料（天然气）。假设燃料（天然气）。假设燃料（天然气）。假设燃料（天然气）的等效组成可表示为的等效组成可表示为的等效组成可表示为的等效组成可表示为 ，试确定燃料的流量和发动，试确定燃料的流量和发动，试确定燃料的流量和发动，试确定燃料的流量和发动机的空燃比机的空燃比机的空燃比机的空燃比？先求空燃比（先求空燃比（先求空燃比（先求空燃比（A/FA/FA/FA/F），然后再求），然后再求），然后再求），然后再求 。本
7、例仅用到空燃比和当量比本例仅用到空燃比和当量比本例仅用到空燃比和当量比本例仅用到空燃比和当量比 的定义。的定义。的定义。的定义。由由由由 的定义得：的定义得：的定义得：的定义得：其中：其中：其中：其中： ，因此，因此，因此，因此由当量比由当量比由当量比由当量比 的定义得：的定义得：的定义得：的定义得：的定义也可写成：的定义也可写成：的定义也可写成：的定义也可写成：从本例可看出，即使是在全负荷下工作，供给发动从本例可看出，即使是在全负荷下工作，供给发动从本例可看出，即使是在全负荷下工作，供给发动从本例可看出，即使是在全负荷下工作，供给发动机的机的机的机的空气也是过量空气也是过量空气也是过量空气也
8、是过量的。的。的。的。例例1.2 1.2 有一以天然气为燃料的工业锅炉，该锅炉工作有一以天然气为燃料的工业锅炉，该锅炉工作时烟气中氧气的摩尔分数为时烟气中氧气的摩尔分数为试确定该锅炉工作时的空燃比试确定该锅炉工作时的空燃比和当量比和当量比。假设天然气成分为甲烷，。假设天然气成分为甲烷，。已知：已知：求：求：和和解：解：和和组成，那么我们组成，那么我们假定天然气在锅炉中假定天然气在锅炉中“完全燃烧完全燃烧”，即反应产物没有发，即反应产物没有发生离解，燃烧产物仅由生离解，燃烧产物仅由可以写出总体燃烧反应方程式，然后根据产物中可以写出总体燃烧反应方程式，然后根据产物中摩尔分数求出空燃比摩尔分数求出空
9、燃比的的其中其中和和通过氧原子守恒而相互关联：通过氧原子守恒而相互关联：从摩尔分数的定义可知：从摩尔分数的定义可知：空燃比可表示为空燃比可表示为因为因为 所以所以 为了求出为了求出，首先得求出，首先得求出由的定义可得绝对焓：绝对焓：绝对焓：绝对焓：某一参考温度下该组分的生成焓某一参考温度下该组分的生成焓从某一参考温度开始的从某一参考温度开始的显焓变化化式中：说说说说 明：明：明：明：1.1.1.1.参考状态一般选参考状态一般选参考状态一般选参考状态一般选 ， （标准状态）（标准状态）（标准状态）（标准状态）；2.2.2.2.在参考状态下，自然界存在的在参考状态下，自然界存在的在参考状态下，自然
10、界存在的在参考状态下，自然界存在的单质的生成焓等于零单质的生成焓等于零单质的生成焓等于零单质的生成焓等于零；3.3.3.3.化合物的生成焓等于由单质化合生成该化合物时的化合物的生成焓等于由单质化合生成该化合物时的化合物的生成焓等于由单质化合生成该化合物时的化合物的生成焓等于由单质化合生成该化合物时的热效应的负热效应的负热效应的负热效应的负数数数数。 二、绝对焓和生成焓二、绝对焓和生成焓二、绝对焓和生成焓二、绝对焓和生成焓注：上标注：上标“”表示摩尔比焓表示摩尔比焓注：标准生成焓可以查表获得，显焓注：标准生成焓可以查表获得，显焓变化变化(Sensibleenthalpychange)可以查表或通
11、过比热计算获得可以查表或通过比热计算获得注：上标注：上标“0”代表代表“标准标准态态”（可读作（可读作“标准标准”），），下角标下角标f代表代表“生成生成”(formation)【例例例例1.31.31.31.3】由由由由 、 和和和和 组成的混合气体中，组成的混合气体中，组成的混合气体中，组成的混合气体中， 的摩尔分的摩尔分的摩尔分的摩尔分数为数为数为数为10%10%10%10%， 的摩尔分数为的摩尔分数为的摩尔分数为的摩尔分数为20%20%20%20%，该混合气体的温度为，该混合气体的温度为，该混合气体的温度为，该混合气体的温度为1200K1200K1200K1200K，压力为压力为压力为
12、压力为1atm1atm1atm1atm。试确定：。试确定：。试确定：。试确定：（1 1 1 1）混合物质量比焓和摩尔比焓；）混合物质量比焓和摩尔比焓；）混合物质量比焓和摩尔比焓；）混合物质量比焓和摩尔比焓；（2 2 2 2）三种组分的质量分数。）三种组分的质量分数。）三种组分的质量分数。）三种组分的质量分数。【解解解解】已知：已知：已知：已知：需求的是需求的是需求的是需求的是（1 1 1 1） 和和和和 ； （2 2 2 2） ， 和和和和 。（1 1）由）由）由）由得得得得由理想气体混合物焓的公式得由理想气体混合物焓的公式得由理想气体混合物焓的公式得由理想气体混合物焓的公式得通过查附表通过查
13、附表通过查附表通过查附表A A A A，将所得值代入上式得混合物摩尔比焓。，将所得值代入上式得混合物摩尔比焓。，将所得值代入上式得混合物摩尔比焓。，将所得值代入上式得混合物摩尔比焓。 表表A1表表A2表表A7为了求混合物质量比焓为了求混合物质量比焓为了求混合物质量比焓为了求混合物质量比焓 ，需要确定混合物的分子量，需要确定混合物的分子量，需要确定混合物的分子量，需要确定混合物的分子量 因此，混合物质量比焓为因此，混合物质量比焓为因此，混合物质量比焓为因此，混合物质量比焓为 （2 2）各组分的质量分数可依其定义计算各组分的质量分数可依其定义计算各组分的质量分数可依其定义计算各组分的质量分数可依其
14、定义计算 由由由由可验证可验证可验证可验证提提 纲纲: :1.1定义及概念定义及概念1.2热一定律热一定律1.3热二定律热二定律1.2 1.2 用于反应系统的热力学第一定律用于反应系统的热力学第一定律（能量守恒定律）（能量守恒定律）一、燃烧焓和热值一、燃烧焓和热值一、燃烧焓和热值一、燃烧焓和热值燃烧焓：燃烧焓：燃烧焓：燃烧焓：当当当当1 mol1 mol1 mol1 mol的燃料与的燃料与的燃料与的燃料与化学当量化学当量化学当量化学当量的空气混合物以一定的标的空气混合物以一定的标的空气混合物以一定的标的空气混合物以一定的标准参考状态（比如准参考状态（比如准参考状态（比如准参考状态（比如1atm
15、1atm1atm1atm，25252525 ）进入稳定流动的反应器，且）进入稳定流动的反应器，且）进入稳定流动的反应器，且）进入稳定流动的反应器，且生成物（假定为生成物（假定为生成物（假定为生成物（假定为COCOCOCO2 2 2 2，H H H H2 2 2 2O O O O，N N N N2 2 2 2）也以同样的标准参考状态离开）也以同样的标准参考状态离开）也以同样的标准参考状态离开）也以同样的标准参考状态离开该反应器，此反应释放出来的热量。该反应器，此反应释放出来的热量。该反应器，此反应释放出来的热量。该反应器，此反应释放出来的热量。 对于等压反应过程对于等压反应过程对于等压反应过程对
16、于等压反应过程对于对于对于对于CHCH4 4每每每每kgkgkgkg燃料为基础的焓为燃料为基础的焓为燃料为基础的焓为燃料为基础的焓为 以混合物为基础的焓为以混合物为基础的焓为以混合物为基础的焓为以混合物为基础的焓为 式中式中式中式中表表B.1低热值低热值低热值低热值对于有可凝结产物对于有可凝结产物对于有可凝结产物对于有可凝结产物( (如水）的燃料如水）的燃料如水）的燃料如水）的燃料产物为凝聚相时为产物为凝聚相时为产物为凝聚相时为产物为凝聚相时为高热高热高热高热值值值值（HHVHHVHHVHHV）（计入燃烧生成的水蒸汽汽化潜热时）（计入燃烧生成的水蒸汽汽化潜热时）（计入燃烧生成的水蒸汽汽化潜热时
17、）（计入燃烧生成的水蒸汽汽化潜热时）产物为汽态时为产物为汽态时为产物为汽态时为产物为汽态时为低热值低热值低热值低热值（LHVLHVLHVLHV）（不包括水蒸汽凝结成水的冷凝热时）不包括水蒸汽凝结成水的冷凝热时）不包括水蒸汽凝结成水的冷凝热时）不包括水蒸汽凝结成水的冷凝热时）它等于反应焓或燃烧焓的负数。它等于反应焓或燃烧焓的负数。它等于反应焓或燃烧焓的负数。它等于反应焓或燃烧焓的负数。对放热反应，反应热（焓）是负值。对放热反应，反应热（焓）是负值。对放热反应，反应热（焓）是负值。对放热反应，反应热（焓）是负值。燃料的发热量（热值燃料的发热量（热值燃料的发热量（热值燃料的发热量（热值Calorif
18、ic ValueCalorific ValueCalorific ValueCalorific Value）定义：指单位质量或单位体积（对气体燃料而言）的燃料定义：指单位质量或单位体积（对气体燃料而言）的燃料定义：指单位质量或单位体积（对气体燃料而言）的燃料定义：指单位质量或单位体积（对气体燃料而言）的燃料（在标准状态下）与空气（在标准状态下）与空气（在标准状态下）与空气（在标准状态下）与空气完全完全完全完全燃烧时所能释放出的燃烧时所能释放出的燃烧时所能释放出的燃烧时所能释放出的 最大最大最大最大热量。是衡量燃料作为能源的一个很重要的指标。热量。是衡量燃料作为能源的一个很重要的指标。热量。是衡
19、量燃料作为能源的一个很重要的指标。热量。是衡量燃料作为能源的一个很重要的指标。 单位：对固体燃料和液体燃料，单位：对固体燃料和液体燃料，单位：对固体燃料和液体燃料，单位：对固体燃料和液体燃料，kJ/kgkJ/kgkJ/kgkJ/kg； 对气体燃料，对气体燃料，对气体燃料，对气体燃料，kJkJ / /每标立方米。每标立方米。 通常因排出烟气温度较高，其中水蒸汽不能凝结，故用通常因排出烟气温度较高，其中水蒸汽不能凝结，故用通常因排出烟气温度较高，其中水蒸汽不能凝结，故用通常因排出烟气温度较高，其中水蒸汽不能凝结，故用低位热值。低位热值。低位热值。低位热值。【例例例例1.41.41.41.4】（1
20、1 1 1）正癸烷）正癸烷）正癸烷）正癸烷 的分子量为的分子量为的分子量为的分子量为142.284142.284142.284142.284，试确定每，试确定每，试确定每，试确定每 千克正癸烷和每摩尔正癸烷在千克正癸烷和每摩尔正癸烷在千克正癸烷和每摩尔正癸烷在千克正癸烷和每摩尔正癸烷在298K298K298K298K的高热值和的高热值和的高热值和的高热值和 低热值。低热值。低热值。低热值。 （2 2 2 2）如果正癸烷在）如果正癸烷在）如果正癸烷在）如果正癸烷在298K298K298K298K的蒸发潜热为的蒸发潜热为的蒸发潜热为的蒸发潜热为 ， 试确定液态正癸烷的高热值和低热值试确定液态正癸烷
21、的高热值和低热值试确定液态正癸烷的高热值和低热值试确定液态正癸烷的高热值和低热值。【解解解解】（1 1 1 1）正癸烷正癸烷正癸烷正癸烷的总体反应方程式：的总体反应方程式：的总体反应方程式：的总体反应方程式： 无论高热值还是低热值，都有无论高热值还是低热值，都有无论高热值还是低热值，都有无论高热值还是低热值，都有 其中其中其中其中的值依产物中的状态而定。的值依产物中的状态而定。的值依产物中的状态而定。的值依产物中的状态而定。又因为 ，所以从附表查得气态水的生成焓和蒸发潜热，据此可计算液态水的从附表查得气态水的生成焓和蒸发潜热，据此可计算液态水的从附表查得气态水的生成焓和蒸发潜热，据此可计算液态
22、水的从附表查得气态水的生成焓和蒸发潜热，据此可计算液态水的生成热生成热生成热生成热 利用此值和附表利用此值和附表利用此值和附表利用此值和附表A A A A、B B B B中的生成焓，可得中的生成焓，可得中的生成焓，可得中的生成焓，可得 所以所以所以所以对于低热值，将对于低热值，将对于低热值，将对于低热值，将换成换成换成换成即可，即可，即可，即可，因此有因此有因此有因此有（2 2）对于液态的正癸烷对于液态的正癸烷对于液态的正癸烷对于液态的正癸烷 有有有有 即即即即所以所以所以所以二、绝热燃烧（火焰）温度二、绝热燃烧（火焰）温度二、绝热燃烧（火焰）温度二、绝热燃烧（火焰）温度（T Tadad）Ad
23、iabaticflametemperatures 当燃料和空气的初始状态，即燃料当燃料和空气的初始状态，即燃料当燃料和空气的初始状态，即燃料当燃料和空气的初始状态，即燃料/ / / /空气比及温度一定空气比及温度一定空气比及温度一定空气比及温度一定时，绝热过程燃烧产物所能达到的温度时，绝热过程燃烧产物所能达到的温度时，绝热过程燃烧产物所能达到的温度时，绝热过程燃烧产物所能达到的温度（最理想状态，最高温度最理想状态，最高温度最理想状态，最高温度最理想状态，最高温度）。）。）。）。 对对对对等压燃烧等压燃烧等压燃烧等压燃烧，第一定律可以表示为：，第一定律可以表示为：，第一定律可以表示为：，第一定律
24、可以表示为：其中其中其中其中T T T T1 1 1 1， T T T T2 2 2 2分别为反应物和生成物的温度。分别为反应物和生成物的温度。分别为反应物和生成物的温度。分别为反应物和生成物的温度。 有有有有，包括显焓和生成焓。包括显焓和生成焓。包括显焓和生成焓。包括显焓和生成焓。一般一般一般一般产物的组分指的是化学平衡产物的组分指的是化学平衡产物的组分指的是化学平衡产物的组分指的是化学平衡时的组分时的组分时的组分时的组分，而它，而它，而它，而它与产物本身的温度与产物本身的温度与产物本身的温度与产物本身的温度有关。所以求解能量方程有关。所以求解能量方程有关。所以求解能量方程有关。所以求解能量
25、方程是一个是一个是一个是一个反复迭代反复迭代反复迭代反复迭代的过程。的过程。的过程。的过程。 【解解解解】混合物总体反应方程式：混合物总体反应方程式：混合物总体反应方程式：混合物总体反应方程式：由热力学第一定律得由热力学第一定律得由热力学第一定律得由热力学第一定律得【例例例例1.51.5】初始压力为初始压力为初始压力为初始压力为1atm1atm，初始温度为，初始温度为，初始温度为，初始温度为298K298K的甲烷和空气以的甲烷和空气以的甲烷和空气以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（化学计量比混合后进行绝热等压燃烧，假设（化学计量比混合后进行绝热等压燃烧，假设（化学计量比混合
26、后进行绝热等压燃烧，假设（1 1）“ “完全燃烧完全燃烧完全燃烧完全燃烧” ”，即产物中只有即产物中只有即产物中只有即产物中只有COCO2 2,H,H2 2OO和和和和N N2 2；（；（；（；（2 2）产物的焓用）产物的焓用）产物的焓用）产物的焓用1200K1200K（=0.5(T=0.5(Ti i+T+Tadad),),其中其中其中其中T Tadad假设为假设为假设为假设为2100K2100K）的）的）的）的定比热定比热定比热定比热估算。试确定该混合物的绝热估算。试确定该混合物的绝热估算。试确定该混合物的绝热估算。试确定该混合物的绝热等压燃烧火焰温度。等压燃烧火焰温度。等压燃烧火焰温度。等
27、压燃烧火焰温度。将将将将，可解得，可解得，可解得，可解得。1 1）若用组分平衡详细计算得）若用组分平衡详细计算得）若用组分平衡详细计算得）若用组分平衡详细计算得2226K2226K，但，但，但，但更简单，准确度可接受。更简单，准确度可接受。更简单，准确度可接受。更简单，准确度可接受。2 2）若用变比热：）若用变比热：）若用变比热：）若用变比热：得得得得2328K2328K，但，但，但，但.很简便准确。很简便准确。很简便准确。很简便准确。说明：说明：说明：说明：标准生成焓标准生成焓显焓的变化显焓的变化等容燃烧等容燃烧等容燃烧等容燃烧时，时，时，时，由热力学第一定律得由热力学第一定律得由热力学第一
28、定律得由热力学第一定律得：式中式中式中式中，（代表初压，代表初压，代表初压，代表初压，代表代表代表代表终压）终压）终压）终压） 【例例例例1.61.6】利用上例中同样的假设，试确定初始压力为利用上例中同样的假设，试确定初始压力为利用上例中同样的假设，试确定初始压力为利用上例中同样的假设，试确定初始压力为1atm1atm1atm1atm，初始温度为，初始温度为，初始温度为，初始温度为298K298K298K298K的甲烷和空气以化学计量比混合时的甲烷和空气以化学计量比混合时的甲烷和空气以化学计量比混合时的甲烷和空气以化学计量比混合时等容绝热火焰温度。等容绝热火焰温度。等容绝热火焰温度。等容绝热火
29、焰温度。 【解解解解】由热力学第一定律得由热力学第一定律得由热力学第一定律得由热力学第一定律得 即即即即 将数据代入上式得将数据代入上式得将数据代入上式得将数据代入上式得 其中其中其中其中，整理，整理，整理，整理上面各式得上面各式得上面各式得上面各式得可解得：可解得：可解得：可解得：点评：点评：点评：点评：由以上两例可知，在相同的初始条件下，等容燃烧的由以上两例可知，在相同的初始条件下，等容燃烧的由以上两例可知，在相同的初始条件下，等容燃烧的由以上两例可知，在相同的初始条件下，等容燃烧的温度比等压燃烧要高（此处高温度比等压燃烧要高（此处高温度比等压燃烧要高（此处高温度比等压燃烧要高（此处高57
30、1K571K）。这是由于）。这是由于）。这是由于）。这是由于在等在等在等在等容燃烧容燃烧容燃烧容燃烧过程过程过程过程中，体系没有对外做容积功中，体系没有对外做容积功中，体系没有对外做容积功中，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，这只是在此例中，燃烧前后物质的摩尔数保持不变，这只是在此例中，燃烧前后物质的摩尔数保持不变，这只是在此例中，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。一个巧合，对其它燃料而言并不一定这样。一个巧合，对其它燃料而言并不一定这样。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等容燃烧终态压力比初始
31、压力高等容燃烧终态压力比初始压力高等容燃烧终态压力比初始压力高：提提 纲纲: :1.1定义及概念定义及概念1.2热一定律热一定律1.3热二定律热二定律1.3 1.3 热力学第二定律在反应系统中的应用热力学第二定律在反应系统中的应用热离解热离解热离解热离解：燃烧产物的分子在高温下吸收热量而裂变为简单：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。分子或原子的现象。 离解是吸热反应离解是吸热反应离解是吸热反应离解是吸热反应, , , ,温度越高，温度越高，温度越高，温度越高，压力越低，离解程度越大，吸压力越低，离解程度越大，吸压力越低，离解程度越大，吸压力越低，离解程度越大，吸热也
32、越多。这是由于燃烧反应热也越多。这是由于燃烧反应热也越多。这是由于燃烧反应热也越多。这是由于燃烧反应而放出的热量将重新又吸回分而放出的热量将重新又吸回分而放出的热量将重新又吸回分而放出的热量将重新又吸回分子中去。子中去。子中去。子中去。燃烧产物离解使燃烧燃烧产物离解使燃烧燃烧产物离解使燃烧燃烧产物离解使燃烧不完全，放热量减少，从而使不完全，放热量减少，从而使不完全，放热量减少，从而使不完全，放热量减少，从而使燃烧温度下降。燃烧温度下降。燃烧温度下降。燃烧温度下降。为了更准确地计算实际火焰为了更准确地计算实际火焰为了更准确地计算实际火焰为了更准确地计算实际火焰温度，必须知道燃烧产物的成温度，必须
33、知道燃烧产物的成温度，必须知道燃烧产物的成温度，必须知道燃烧产物的成分。分。分。分。燃烧产物成分的确定燃烧产物成分的确定燃烧产物成分的确定燃烧产物成分的确定: :化学平衡、元素守恒、能量守化学平衡、元素守恒、能量守化学平衡、元素守恒、能量守化学平衡、元素守恒、能量守恒。恒。恒。恒。燃烧产物有离解时煤油的燃烧产物有离解时煤油的燃烧产物有离解时煤油的燃烧产物有离解时煤油的燃烧热和温度压力的关系燃烧热和温度压力的关系燃烧热和温度压力的关系燃烧热和温度压力的关系一、化学平衡一、化学平衡一、化学平衡一、化学平衡(Chemical(Chemical(Chemical(Chemicalequilibrium
34、equilibriumequilibriumequilibrium ) ) ) )条件条件条件条件( ( ( (状态）状态）状态）状态） 正向反应速度等于逆向反应速度，系统内各组分的正向反应速度等于逆向反应速度，系统内各组分的正向反应速度等于逆向反应速度，系统内各组分的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。浓度不随时间变化。浓度不随时间变化。浓度不随时间变化。热力学第二定律：热力学第二定律：热力学第二定律：热力学第二定律：对于一个对于一个对于一个对于一个孤立孤立孤立孤立系统系统系统系统【即与环境没有能量即与环境没有能量即与环境没有能量即与环境没有能量（热量和功）或质量交
35、换的系统（热量和功）或质量交换的系统（热量和功）或质量交换的系统（热量和功）或质量交换的系统】，熵熵熵熵只能增加或保持不变，只能增加或保持不变，只能增加或保持不变，只能增加或保持不变，即即即即平衡态时：平衡态时：平衡态时：平衡态时：指明物理与化学过程进行的方向指明物理与化学过程进行的方向指明物理与化学过程进行的方向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平衡态时孤立系统的熵是可能的最大值平衡态时孤立系统的熵是可能的最大值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：根据第二定律得：根据第二定律得：根据第二定律得： （2）因为因为因为因为T T T T，P P P
36、 P是常数，上式可写为是常数，上式可写为是常数，上式可写为是常数，上式可写为 或或或或联立方程（联立方程（联立方程（联立方程（1 1）和（）和（）和（）和（2 2），有），有），有），有 （3）考虑一个与外界有功（考虑一个与外界有功（考虑一个与外界有功（考虑一个与外界有功（）和热交换的系统，其中和热交换的系统，其中和热交换的系统，其中和热交换的系统，其中T T和和和和P P为常数，为常数，为常数，为常数，对该系统应用热力学第一定律得对该系统应用热力学第一定律得对该系统应用热力学第一定律得对该系统应用热力学第一定律得 令令令令吉布斯函数吉布斯函数吉布斯函数吉布斯函数（自由能（自由能（自由能（自由
37、能 ）所以，上式可写成所以，上式可写成所以，上式可写成所以，上式可写成平衡时：平衡时：平衡时：平衡时：平衡态时吉布斯自由能为最小值平衡态时吉布斯自由能为最小值平衡态时吉布斯自由能为最小值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对一个等温等压过程，吉布斯自由能必须减小或保持不变对一个等温等压过程，吉布斯自由能必须减小或保持不变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、平衡常数法二、平衡常数法二、平衡常数法二、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为了计算燃烧产物组分，需要把吉布斯自由能与反应系为了计算燃烧产物组分，需要把吉布斯
38、自由能与反应系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。统中物质浓度联系起来。而物质的浓度常用分压力表示。统中物质浓度联系起来。而物质的浓度常用分压力表示。统中物质浓度联系起来。而物质的浓度常用分压力表示。 由（由（由（由（3 3）式）式）式）式: :得得得得: :在等温系统在等温系统在等温系统在等温系统中中中中dTdTdTdT=0=0=0=0 ，上式可写成上式可写成上式可写成上式可写成由上式得到理想气体混合物中某一组分由上式得到理想气体混合物中某一组分由上式得到理想气体混合物中某一组分由上式得到理想气体混合物中某一组分i i i i的吉
39、布斯自由能的的吉布斯自由能的的吉布斯自由能的的吉布斯自由能的表达式：表达式：表达式：表达式：式中：式中：式中：式中：是标准状态压力（即是标准状态压力（即是标准状态压力（即是标准状态压力（即 ）下组分）下组分）下组分）下组分i i i i的吉布的吉布的吉布的吉布 斯自由能。斯自由能。斯自由能。斯自由能。摩尔吉布斯自由能摩尔吉布斯自由能对于化学反应系统，对于化学反应系统，对于化学反应系统，对于化学反应系统，吉布斯生成自由能吉布斯生成自由能吉布斯生成自由能吉布斯生成自由能 用下式计算用下式计算用下式计算用下式计算 式中式中式中式中是生成是生成是生成是生成1mol1mol化合物所需元素的化学计量系数化
40、合物所需元素的化学计量系数化合物所需元素的化学计量系数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：理想气体混合物的吉布斯自由能可以表示为：理想气体混合物的吉布斯自由能可以表示为：理想气体混合物的吉布斯自由能可以表示为：式中式中式中式中是是是是组分组分组分组分i i i i的摩尔数的摩尔数的摩尔数的摩尔数。当给定温度和压力时，平衡条件变为：当给定温度和压力时，平衡条件变为：当给定温度和压力时，平衡条件变为：当给定温度和压力时，平衡条件变为：或或或或因为因为因为因为，且混合物总压力为常数时，且混合物总压力为常数时，且混合物总压力为常数时，且混合物总压力为常数时，其分压变化
41、之和应为零，即其分压变化之和应为零，即其分压变化之和应为零，即其分压变化之和应为零，即，于是上式第二，于是上式第二，于是上式第二，于是上式第二项为项为项为项为0 0，得：，得：，得：，得： （4）对于一般化学反应系统对于一般化学反应系统对于一般化学反应系统对于一般化学反应系统 每一种组分摩尔数的变化与其化学计量系数成正比每一种组分摩尔数的变化与其化学计量系数成正比每一种组分摩尔数的变化与其化学计量系数成正比每一种组分摩尔数的变化与其化学计量系数成正比 ：代入（代入（代入（代入（4 4）得：）得：）得：）得：整理后整理后整理后整理后标准状态吉布斯自由能变化标准状态吉布斯自由能变化标准状态吉布斯自
42、由能变化标准状态吉布斯自由能变化则上式可写成则上式可写成则上式可写成则上式可写成或或或或化学平衡方程式表示当化学反应达到平衡时，参加可逆反应的各物质的化学平衡方程式表示当化学反应达到平衡时，参加可逆反应的各物质的化学平衡方程式表示当化学反应达到平衡时，参加可逆反应的各物质的化学平衡方程式表示当化学反应达到平衡时，参加可逆反应的各物质的摩尔数与温度、压力之间的关系。在给定温度与压力条件下，它反映了参加摩尔数与温度、压力之间的关系。在给定温度与压力条件下，它反映了参加摩尔数与温度、压力之间的关系。在给定温度与压力条件下，它反映了参加摩尔数与温度、压力之间的关系。在给定温度与压力条件下，它反映了参加
43、反应的各物质摩尔数之间的关系。反应的各物质摩尔数之间的关系。反应的各物质摩尔数之间的关系。反应的各物质摩尔数之间的关系。化学平衡方程式化学平衡方程式化学平衡方程式化学平衡方程式平衡常数平衡常数平衡常数平衡常数注：注：注：注：p p0=1【例例例例1.71.7】的离解程度因温度和压力而异，的离解程度因温度和压力而异，的离解程度因温度和压力而异，的离解程度因温度和压力而异，试求出纯试求出纯试求出纯试求出纯在不同温度在不同温度在不同温度在不同温度和不同压力和不同压力和不同压力和不同压力下下下下离解平衡后混合物中离解平衡后混合物中离解平衡后混合物中离解平衡后混合物中，和和和和的摩的摩的摩的摩尔分数。尔
44、分数。尔分数。尔分数。【解解解解】要求出要求出要求出要求出、和和和和，需要三个方程：，需要三个方程：，需要三个方程：，需要三个方程：一个化学一个化学一个化学一个化学离解平衡方程和两个元素守恒方程。离解平衡方程和两个元素守恒方程。离解平衡方程和两个元素守恒方程。离解平衡方程和两个元素守恒方程。 对于该反应，其吉布斯自由能变为对于该反应，其吉布斯自由能变为对于该反应，其吉布斯自由能变为对于该反应，其吉布斯自由能变为 因为因为因为因为所以所以所以所以由由由由得得得得由元素守恒得由元素守恒得由元素守恒得由元素守恒得（a）定义混合物初始状态时的定义混合物初始状态时的定义混合物初始状态时的定义混合物初始状
45、态时的为为为为Z Z Z Z ：（b）则有则有则有则有第三个方程第三个方程第三个方程第三个方程（c）在给定的在给定的在给定的在给定的P P、T T和和和和Z Z后，可以联立方程（后，可以联立方程（后，可以联立方程（后，可以联立方程（a a）, ,（b b）, ,（c c）求）求）求）求出出出出、和和和和。用牛顿用牛顿用牛顿用牛顿- -拉夫森迭代法顺次求解出拉夫森迭代法顺次求解出拉夫森迭代法顺次求解出拉夫森迭代法顺次求解出，和和和和。如书上表如书上表如书上表如书上表1.21.2所示。所示。所示。所示。纯纯纯纯在不同压力和温度下离解平衡时混合物中在不同压力和温度下离解平衡时混合物中在不同压力和温度
46、下离解平衡时混合物中在不同压力和温度下离解平衡时混合物中的摩尔的摩尔的摩尔的摩尔分数分数分数分数从计算结果可得出两点结论：从计算结果可得出两点结论：从计算结果可得出两点结论：从计算结果可得出两点结论：（1 1）温度不变时，增大压力将使）温度不变时，增大压力将使）温度不变时，增大压力将使）温度不变时，增大压力将使的离解减弱；的离解减弱；的离解减弱；的离解减弱；（2 2）压力不变时，增大温度促使）压力不变时，增大温度促使）压力不变时，增大温度促使）压力不变时，增大温度促使的离解。的离解。的离解。的离解。当一个处于平衡状态的系统经历一个变化时，当一个处于平衡状态的系统经历一个变化时，当一个处于平衡状
47、态的系统经历一个变化时，当一个处于平衡状态的系统经历一个变化时，系统的平系统的平系统的平系统的平衡状态将朝着削弱该变化的方向移动衡状态将朝着削弱该变化的方向移动衡状态将朝着削弱该变化的方向移动衡状态将朝着削弱该变化的方向移动。因此，压力升高。因此，压力升高。因此，压力升高。因此，压力升高时，平衡状态移动使系统摩尔数减少。时，平衡状态移动使系统摩尔数减少。时，平衡状态移动使系统摩尔数减少。时，平衡状态移动使系统摩尔数减少。对摩尔数守恒的化学反应而言，对摩尔数守恒的化学反应而言，对摩尔数守恒的化学反应而言，对摩尔数守恒的化学反应而言，压力的变化对平衡状态压力的变化对平衡状态压力的变化对平衡状态压力
48、的变化对平衡状态没有影响没有影响没有影响没有影响。当温度升高时，平衡状态向消耗热量的方向。当温度升高时，平衡状态向消耗热量的方向。当温度升高时，平衡状态向消耗热量的方向。当温度升高时，平衡状态向消耗热量的方向移动。移动。移动。移动。 三、复杂反应系统平衡成分和燃烧温度的计算机计算三、复杂反应系统平衡成分和燃烧温度的计算机计算三、复杂反应系统平衡成分和燃烧温度的计算机计算三、复杂反应系统平衡成分和燃烧温度的计算机计算化学平衡成分的计算方法化学平衡成分的计算方法化学平衡成分的计算方法化学平衡成分的计算方法 （1 1）平衡常数法平衡常数法平衡常数法平衡常数法:PER:PER程序可以求解程序可以求解程
49、序可以求解程序可以求解1212种组分，其中包含种组分，其中包含种组分，其中包含种组分，其中包含7 7个平衡反应，个平衡反应，个平衡反应，个平衡反应，4 4个元素（个元素（个元素（个元素（C C，H H，N N，OO）守恒方程）守恒方程）守恒方程）守恒方程; ;（2 2）基于）基于）基于）基于最小自由能最小自由能最小自由能最小自由能的通用化学平衡计算程序的通用化学平衡计算程序的通用化学平衡计算程序的通用化学平衡计算程序CEACEA。 该程序能处理该程序能处理该程序能处理该程序能处理400400种组分，它可以计算不同热力学状态种组分，它可以计算不同热力学状态种组分，它可以计算不同热力学状态种组分，
50、它可以计算不同热力学状态下化学平衡成分。下化学平衡成分。下化学平衡成分。下化学平衡成分。 （3 3）基于）基于）基于）基于元素势法元素势法元素势法元素势法的化学平衡计算程序的化学平衡计算程序的化学平衡计算程序的化学平衡计算程序 STANJANSTANJAN。这是斯坦福大学发展的高效的、易于使用的以微型计这是斯坦福大学发展的高效的、易于使用的以微型计这是斯坦福大学发展的高效的、易于使用的以微型计这是斯坦福大学发展的高效的、易于使用的以微型计算机为基础的软件。算机为基础的软件。算机为基础的软件。算机为基础的软件。 【例例例例1.81.8】已知一燃烧天然气的加热炉工作时的压力为已知一燃烧天然气的加热
51、炉工作时的压力为已知一燃烧天然气的加热炉工作时的压力为已知一燃烧天然气的加热炉工作时的压力为1 1个大气压，混气个大气压，混气个大气压，混气个大气压，混气的当量比为的当量比为的当量比为的当量比为0.90.9；进入火炉中的天然气温度为；进入火炉中的天然气温度为；进入火炉中的天然气温度为；进入火炉中的天然气温度为298K298K，但是进入火炉的，但是进入火炉的，但是进入火炉的，但是进入火炉的空气是经过预热的。空气是经过预热的。空气是经过预热的。空气是经过预热的。（1 1）试确定预热空气对绝热火焰温度的影响（火炉入口）试确定预热空气对绝热火焰温度的影响（火炉入口）试确定预热空气对绝热火焰温度的影响（
52、火炉入口）试确定预热空气对绝热火焰温度的影响（火炉入口空气温度从空气温度从空气温度从空气温度从298K298K变化到变化到变化到变化到1000K1000K）；）；）；）；（2 2）假设不管预热空气与否，加热炉出口和回流换热器）假设不管预热空气与否，加热炉出口和回流换热器）假设不管预热空气与否，加热炉出口和回流换热器）假设不管预热空气与否，加热炉出口和回流换热器进口之间的烟气温度为进口之间的烟气温度为进口之间的烟气温度为进口之间的烟气温度为1700K1700K，那么当空气从，那么当空气从，那么当空气从，那么当空气从298K298K预热到预热到预热到预热到600K600K时将节省多少燃料？时将节省
53、多少燃料？时将节省多少燃料？时将节省多少燃料？ 【解解解解】（1 1）利用附录）利用附录）利用附录）利用附录 中列出的中列出的中列出的中列出的PERPER程序包中程序包中程序包中程序包中HPFLAMEHPFLAME来来来来计算计算计算计算HPFLAMEHPFLAME的输入文件的内容包括：燃料等效分子式中碳、的输入文件的内容包括：燃料等效分子式中碳、的输入文件的内容包括：燃料等效分子式中碳、的输入文件的内容包括：燃料等效分子式中碳、氢、氧、氮原子的数目，混气当量比，绝热火焰温度的迭代氢、氧、氮原子的数目，混气当量比，绝热火焰温度的迭代氢、氧、氮原子的数目，混气当量比，绝热火焰温度的迭代氢、氧、氮
54、原子的数目，混气当量比，绝热火焰温度的迭代初值，压力和反应物的焓。初值，压力和反应物的焓。初值，压力和反应物的焓。初值，压力和反应物的焓。 输入文件中唯一需要计算的量就是反应物的焓（输入文件中唯一需要计算的量就是反应物的焓（输入文件中唯一需要计算的量就是反应物的焓（输入文件中唯一需要计算的量就是反应物的焓（）。要计算反应物的焓，需要知道反应物的组成，下面）。要计算反应物的焓，需要知道反应物的组成，下面）。要计算反应物的焓，需要知道反应物的组成，下面）。要计算反应物的焓，需要知道反应物的组成，下面写出燃烧反应方程式写出燃烧反应方程式写出燃烧反应方程式写出燃烧反应方程式 其中其中其中其中因此，反应
55、物的焓（每千摩尔燃料）可按下式计算因此，反应物的焓（每千摩尔燃料）可按下式计算因此，反应物的焓（每千摩尔燃料）可按下式计算因此，反应物的焓（每千摩尔燃料）可按下式计算将计算得到的焓值输入将计算得到的焓值输入将计算得到的焓值输入将计算得到的焓值输入HPFLAMEHPFLAME的输入文件，就可以利用的输入文件，就可以利用的输入文件，就可以利用的输入文件，就可以利用HPFLAMEHPFLAME计算出等压绝热火焰温度，计算结果见书上表计算出等压绝热火焰温度，计算结果见书上表计算出等压绝热火焰温度，计算结果见书上表计算出等压绝热火焰温度，计算结果见书上表1.31.3（2 2）写出有关控制体的能量守恒方程
56、，假设整个过程是）写出有关控制体的能量守恒方程，假设整个过程是）写出有关控制体的能量守恒方程，假设整个过程是）写出有关控制体的能量守恒方程，假设整个过程是稳态的，并且无论空气预热与否，由于对外做功和损耗而稳态的，并且无论空气预热与否，由于对外做功和损耗而稳态的，并且无论空气预热与否，由于对外做功和损耗而稳态的，并且无论空气预热与否，由于对外做功和损耗而减少的热量都相等。由能量守恒关系式减少的热量都相等。由能量守恒关系式减少的热量都相等。由能量守恒关系式减少的热量都相等。由能量守恒关系式得得得得定义一个新的参数：燃料利用率定义一个新的参数：燃料利用率定义一个新的参数：燃料利用率定义一个新的参数：
57、燃料利用率其中其中其中其中（利用（利用（利用（利用PERPER程序包程序包程序包程序包TPEQUILTPEQUIL计算得到）计算得到）计算得到）计算得到）所以所以所以所以即即即即注意到，注意到，注意到，注意到，由于绝热火焰温度的升高，一氧化氮的辐射作由于绝热火焰温度的升高，一氧化氮的辐射作由于绝热火焰温度的升高，一氧化氮的辐射作由于绝热火焰温度的升高，一氧化氮的辐射作用将加强。当入口空气温度从用将加强。当入口空气温度从用将加强。当入口空气温度从用将加强。当入口空气温度从298K298K上升到上升到上升到上升到600K600K时，绝热时，绝热时，绝热时，绝热火焰温度上升了火焰温度上升了火焰温度上
58、升了火焰温度上升了150K(7.1%)150K(7.1%)。总总 结结: :绝热火焰温度绝热火焰温度绝对焓和生成焓绝对焓和生成焓燃烧焓和热值燃烧焓和热值绝对焓：绝对焓：绝对焓：绝对焓：等压燃烧等压燃烧等压燃烧等压燃烧：绝热火焰温度绝热火焰温度化学平衡条件化学平衡条件平衡常数法平衡常数法等容燃烧等容燃烧等容燃烧等容燃烧：平衡时：平衡时：平衡时：平衡时：平衡态时吉布斯自由能为最小值平衡态时吉布斯自由能为最小值平衡态时吉布斯自由能为最小值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对一个等温等压过程，吉布斯自由能必须减小或保持不变对一个等温等压过程，吉布斯自由能必须减小或保持不变对一个等温等压过程，吉布斯自由能必须减小或保持不变平衡常数平衡常数平衡常数平衡常数
