第一章燃燒熱力學(xué)

第一章燃燒熱力學(xué)

本章研究內(nèi)容

（研究燃燒系統(tǒng)中有化學(xué)反應(yīng)時的能量轉(zhuǎn)換和守恒關(guān)系）基本概念應(yīng)用熱力學(xué)第一定律和第二定律計算：1.燃燒過程釋放的能量2.絕熱燃燒（火焰）溫度3.燃燒產(chǎn)物的平衡溫度平衡組分提綱:1.1定義及概念1.2熱一定律1.3熱二定律

1.1定義及概念大部分燃燒系統(tǒng)是獲取熱量和功，反應(yīng)物由燃料和氧化劑組成氧化劑-通常是空氣中的氧空氣是免費的，不需要儲存和攜帶。取之不盡，用之不竭空氣中的氧氣的摩爾濃度是21%N2的濃度是79%1摩爾的O2有3.76摩爾的N2空氣中N2對燃燒有稀釋作用，降低燃燒反應(yīng)強度如需要提高燃燒強度，可行辦法之一是采用純氧或富氧燃燒燃料氣態(tài)（H2\CO\CmHn等）液態(tài)（重烷烴\甲、乙醇等）固態(tài)（煤炭\木材等）一、化學(xué)恰當比考慮各種元素的質(zhì)量守恒，一個化學(xué)反應(yīng)可以寫成如下形式：

、——分別是組分i在反應(yīng)物和生成物中的化學(xué)計量系數(shù)。式中：——組分i（反應(yīng)物或生成物）的化學(xué)元素符號；

則有：

式中：

對于碳氫燃料和空氣的化學(xué)反應(yīng)，上式可以寫成

化學(xué)恰當反應(yīng)：所有參加化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物都按化學(xué)反應(yīng)方程規(guī)定的比例完全燃燒的反應(yīng)?？諝?燃料化學(xué)恰當比（空—燃比）：化學(xué)恰當反應(yīng)時消耗的空氣—燃料質(zhì)量比。若以1kg燃料計，則為理論空氣量L0。

st－－stoichiometric式中，分別為空氣和燃料的相對分子質(zhì)量。、當量比（Equivalence

ratio,dimensionlessfuel/air）

——富燃料混合物(richmixture)——化學(xué)恰當比混合物(stoichiometric)——貧燃料混合物(leanmixture)余氣系數(shù)，過量空氣系數(shù)(dimensionlessair/fuel,excessaircoefficient)——富燃料混合物——化學(xué)恰當比混合物——貧燃料混合物【解】：已知：，，

求：，（A/F）及【例1.1】一個小型低輻射、固定的燃氣渦輪發(fā)動機，當它在全負荷（功率為3950KW）條件下工作時，空氣的質(zhì)量流量為15.9kg/s，混氣的當量比為0.286。假設(shè)燃料（天然氣）的等效組成可表示為，試確定燃料的流量和發(fā)動機的空燃比？先求空燃比（A/F），然后再求。本例僅用到空燃比和當量比的定義。由的定義得：其中：，因此由當量比的定義得：的定義也可寫成：從本例可看出，即使是在全負荷下工作，供給發(fā)動機的空氣也是過量的。。

例1.2有一以天然氣為燃料的工業(yè)鍋爐，該鍋爐工作時煙氣中氧氣的摩爾分數(shù)為試確定該鍋爐工作時的空燃比和當量比。假設(shè)天然氣成分為甲烷，。已知：求：和解：和組成，那么我們假定天然氣在鍋爐中“完全燃燒”，即反應(yīng)產(chǎn)物沒有發(fā)生離解，燃燒產(chǎn)物僅由可以寫出總體燃燒反應(yīng)方程式，然后根據(jù)產(chǎn)物中摩爾分數(shù)求出空燃比的其中和通過氧原子守恒而相互關(guān)聯(lián)：從摩爾分數(shù)的定義可知：空燃比可表示為因為所以為了求出，首先得求出由的定柄義可尋得絕對超焓：某一參考溫度下該組分的生成焓從某越一參耀考溫曉度開篇始的屯顯焓伐變化式中洗：說悟明尚：參考獸狀態(tài)栗一般呼選襖，（標娘準狀李態(tài)）；在參故考狀刮態(tài)下蟲，自祖然界扶存在逆的單質(zhì)膊的生型成焓型等于賠零；化合淋物的興生成存焓等碰于由毫單質(zhì)查化合逆生成淚該化邁合物輛時的熱效補應(yīng)的粗負數(shù)。二、鄭絕對夸焓和茄生成熄焓注：姓上標晨“—”表示余摩爾紋比焓注：稅標準門生成姑焓可胞以查扔表獲乓得，華顯焓若變化(S逐en視si寧bl依e逃en帳th匯al秋py坐c織ha牢ng榆e)可以萍查表旅或通蹈過比絲式熱計釋算獲抗得注：廣上標彩“0”代表香“標偉準態(tài)曉”（暢可讀蘭作“宮標準瓶”）鍛，下送角標f代表厚“生躲成”(f佳or腸ma款ti理on睜)【例1.3】由、和組成的混合氣體中，的摩爾分數(shù)為10%，的摩爾分數(shù)為20%，該混合氣體的溫度為1200K，壓力為1atm。試確定：（1）混合物質(zhì)量比焓和摩爾比焓；（2）三種組分的質(zhì)量分數(shù)。【解】已知：需求的是（1）和；（2），和。（1）由占得由理孫想氣墳體混窯合物巨焓的望公式膚得通過獸查附另表A，將最所得匹值代皺入上漿式得建混合觸物摩筍爾比牢焓。表A1表A2表A7為了韻求混鑰合物啟質(zhì)量好比焓土，需釣要確億定混宿合物國的分椅子量因此愧，混廁合物勉質(zhì)量款比焓橋為（2）各組昆分的娘質(zhì)量旅分數(shù)澆可依略其定照義計脖算由房誠可氏驗證提予綱:1.核1定義斜及概霞念1.遷2熱一便定律1.盜3熱二形定律1.柏2用于使反應(yīng)掩系統(tǒng)棚的熱賢力學(xué)雅第一籍定律（能炊量守聯(lián)恒定怕律）一、晝?nèi)紵龡铎屎驮篃嶂等紵凫剩寒?俗mo慎l的燃御料與化學(xué)克當量的空椒氣混尊合物飛以一頭定的癥標準獻參考雷狀態(tài)個（比辨如1a隸tm，25℃）進長入穩(wěn)順定流芝動的象反應(yīng)炊器，汁且生狀成物鉗（假搬定為CO2，H2O，N2）也塌以同爺樣的坑標準抬參考挽狀態(tài)獎離開梁該反計應(yīng)器室，此隔反應(yīng)繩釋放堂出來邊的熱因量。對于折等壓城反應(yīng)黑過程對于CH4每kg燃料狀為基數(shù)礎(chǔ)的波焓為以混副合物據(jù)為基盜礎(chǔ)的坡焓為式中表B.釣1——低熱覽值對于有可凝結(jié)產(chǎn)物(如水）的燃料

產(chǎn)物為凝聚相時為高熱值（HHV）（計入燃燒生成的水蒸汽汽化潛熱時）產(chǎn)物為汽態(tài)時為低熱值（LHV）（不包括水蒸汽凝結(jié)成水的冷凝熱時）它等于反應(yīng)焓或燃燒焓的負數(shù)。對放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱（焓）是負值。

燃料的發(fā)熱量（熱值CalorificValue）定義：指單位質(zhì)量或單位體積（對氣體燃料而言）的燃料（在標準狀態(tài)下）與空氣完全燃燒時所能釋放出的

最大熱量。是衡量燃料作為能源的一個很重要的指標。

單位：對固體燃料和液體燃料，kJ/kg；對氣體燃料，，kJ

/每標立方米。

通常峽因排服出煙蜜氣溫佳度較浴高，返其中襪水蒸會汽不程能凝蛾結(jié)，然故用池低位藏?zé)嶂底Α！纠?.4】（1）正癸烷的分子量為142.284，試確定每千克正癸烷和每摩爾正癸烷在298K的高熱值和低熱值。（2）如果正癸烷在298K的蒸發(fā)潛熱為，試確定液態(tài)正癸烷的高熱值和低熱值?！窘狻浚?）正癸墊烷月的掏總體品反應(yīng)吉方程撒式：無論惡高熱妄值還稠是低喘熱值孩，都濫有其中塘的日值依鑰產(chǎn)物訂中的腎狀態(tài)暖而定品。又因姜為嚇，所以從附灶表查停得氣奪態(tài)水引的生鋤成焓均和蒸經(jīng)發(fā)潛罵熱，胖據(jù)此星可計廁算液錯態(tài)水題的生鍛成熱利用股此值樓和附濱表A、B中的臂生成正焓，眼可得所以對于季低熱策值，圓將眉換烏成騙即可含，因英此有（2）對于日液態(tài)嚇的正吹癸烷迷有即所以二、悉絕熱鳥燃燒弄（火專焰）就溫度（Tad）Ad畢ia福ba準ti較c修fl萄am慰e臘te雹mp齡er逝at名ur否es當燃堡料和雅空氣劣的初斥始狀史態(tài)，牙即燃督料/空氣斜比及托溫度餅一定括時，令絕熱農(nóng)過程素燃燒打產(chǎn)物哨所能村達到請的溫喉度（最理物想狀稼態(tài)，獎最高參溫度）。對等壓謀燃燒，第炸一定夸律可趕以表啞示為脅：其中T1，T2分別丑為反答應(yīng)物節(jié)和生調(diào)成物訂的溫醫(yī)度。有龍，

包括顯焓和生成焓。一般產(chǎn)物的組分指的是化學(xué)平衡時的組分，而它與產(chǎn)物本身的溫度有關(guān)。所以求解能量方程是一個反復(fù)迭代的過程。

【解】混合璃物總遞體反壘應(yīng)方庸程式發(fā)：由熱兄力學(xué)牙第一熄定律投得【例1.慮5】初始慢壓力哥為1a鍬tm，初識始溫觀度為29炸8K的甲能烷和霧空氣序以化學(xué)爭計量丈比混學(xué)合后昌進行夏絕熱呈等壓晝?nèi)紵齼裕僦υO(shè)（1）“衰完全配燃燒?！保串a(chǎn)培物中涌只有CO2,H2O和N2；（2）產(chǎn)引物的鏡焓用12趴00剖K（=0珠.5吧(Ti+Tad)副,其中Tad假設(shè)獨為21抹00莫K）的定比聲熱估算肉。試舉確定些該混違合物例的絕瘡熱等壓廈燃燒鏈火焰鹿溫度貼。將巷，可唉解得。1）若板用組命分平同衡詳騰細計聚算得22刻26孤K，但…更簡累單，逃準確里度可拜接受堡。2）若健用變招比熱僅：場得23竭28州K，但….很簡子便準腰確。說明余：標準勻生成壟焓顯焓萄的變活化等容販燃燒時，由熱偶力學(xué)扭第一姿定律湊得：式中，（懷代謎表初疊壓，嬌代蛾表終鉤壓）【例1.演6】利用紫上例柏中同長樣的碼假設(shè)段，試丘確定券初始暖壓力竿為1a臟tm，初冷始溫督度為29畝8K的甲青烷和挪空氣涉以化猴學(xué)計姿量比震混合數(shù)時等對容絕鞏熱火低焰溫涂度?！窘狻坑蔁岽琢W(xué)敞第一愧定律倡得即將數(shù)范據(jù)代勿入上酸式得其中飛，整昂理上禽面各明式得可解鍬得：點評杯：由以等上兩繳例可映知，陽在相致同的凳初始獨條件哄下，姜等容廉燃燒憶的溫鎮(zhèn)度比噴等壓浮燃燒愁要高列（此統(tǒng)處高57調(diào)1K）。說這是分由于在等張容燃席燒過程中，剛體系兩沒有附對外馳做容宮積功。在此滾例中章，燃朵燒前依后物崖質(zhì)的蹲摩爾序數(shù)保秋持不謹變，印這只杜是一簡個巧帥合，第對其弄它燃盆料而植言并喜不一享定這迎樣。等容夜燃燒淘終態(tài)腦壓力睜比初飽始壓迅力高：提肆綱:1.少1定義坡及概園念1.桑2熱一降定律1.盾3熱二質(zhì)定律1.常3熱力潑學(xué)第滅二定昆律在衫反應(yīng)苗系統(tǒng)衣中的嶄應(yīng)用熱離滿解：燃泳燒產(chǎn)綠物的撇分子甘在高獸溫下排吸收怠熱量墨而裂繞變?yōu)閯e簡單分子揀或原創(chuàng)子的梯現(xiàn)象荷。離解爺是吸堵熱反疏應(yīng),溫度餃越高助，壓號力越總低，弦離解清程度防越大春，吸瓶熱也喚越多桿。這永是由淘于燃君燒反挎應(yīng)而榴放出診的熱算量將陰重新胸又吸鐵回分勺子中情去。燃燒童產(chǎn)物齊離解剪使燃重?zé)豁毻耆铮畔療崃啃翜p少胞，從雅而使康燃燒濤溫度討下降庭。為了烤更準灶確地稍計算訴實際標火焰榮溫度漿，必淡須知緒道燃授燒產(chǎn)挖物的翠成分表。燃燒住產(chǎn)物烏成分推的確影定:化學(xué)用平衡淘、元叔素守魔恒、匯能量特守恒叮。燃燒森產(chǎn)物裝有離尤解時拿煤油裙的燃燒竹熱和皮溫度墨壓力幸的關(guān)神系一、夸化學(xué)幫平衡(C羅he葡mi兇ca沙l注eq這ui折li頑br禽iu追m)條件(狀態(tài)卷）正向槳反應(yīng)勢速度眼等于步逆向丘反應(yīng)圍速度欣，系魚統(tǒng)內(nèi)絨各組算分的藍濃度臉不隨筆時間森變化艷。熱力船學(xué)第邁二定嘴律：對于興一個孤立系統(tǒng)【即與認環(huán)境沙沒有糞能量（熱耳量和沉功）芳或質(zhì)歪量交忍換的秋系統(tǒng)】，熵只能倦增加項或保愛持不銹變，即平衡塵態(tài)時歉：——指明改物理盞與化么學(xué)過楚程進茄行的歡方向——平衡與態(tài)時扭孤立從系統(tǒng)警的熵哲是可并能的場最大艦值（1）根據(jù)第二定律得：

（2）因為T，P是常宏數(shù)，華上式赴可寫塊為或聯(lián)立方程（1）和（2），有

（3）考慮一個與外界有功（）和熱交換的系統(tǒng)，其中T和P為常數(shù)，對該系統(tǒng)應(yīng)用熱力學(xué)第一定律得令——吉布蹦斯函遙數(shù)（伍自由刮能圈）所以霧，上賴式可川寫成平衡時：——平衡態(tài)時吉布斯自由能為最小值

——對一個等溫等壓過程，吉布斯自由能必須減小或保持不變二、際平衡黑常數(shù)同法為了酒計算薯燃燒厚產(chǎn)物租組分隨，需臂要把戴吉布顛斯自灶由能寶與反朗應(yīng)系搶統(tǒng)中豬物質(zhì)頑濃度畫聯(lián)系怎起來和。而櫻物質(zhì)霸的濃晃度常征用分荷壓力由表示租。由（3）式:得:在等臉溫系糞統(tǒng)中dT=0，上式貓可寫濕成由上童式得文到理誘想氣派體混制合物借中某童一組泄分i的吉零布斯滔自由佛能的淡表達揮式：式中：是標準狀態(tài)壓力（即）下組分i的吉布斯自由能。摩爾不吉布輩斯自奔由能對于淡化學(xué)管反應(yīng)尖系統(tǒng)喇，吉布計斯生侵成自汽由能繁用下宵式計班算式中階是生航成1m尺ol化合礙物所抖需元陷素的溜化學(xué)落計量出系數(shù)。理想幣氣體羅混合測物的頁吉布道斯自供由能女可以敞表示企為：式中朱是組分i的摩凈爾數(shù)。當給難定溫婚度和館壓力豪時，也平衡傍條件激變?yōu)楦G：或因為，且混合物總壓力為常數(shù)時，其分壓變化之和應(yīng)為零，即，于是上式第二項為0，得：（4）對于研一般慎化學(xué)瓦反應(yīng)禮系統(tǒng)每一絮種組擠分摩能爾數(shù)吩的變來化與池其化覺學(xué)計咽量系奔數(shù)成莖正比景：代入娘（4）得傅：整理煤后標準狀態(tài)吉布斯自由能變化則上擴式可界寫成或化學(xué)涉平衡榮方程月式表膨示當停化學(xué)咸反應(yīng)塞達到具平衡鉛時，俗參加犧可逆鏈反應(yīng)與的各洋物質(zhì)航的摩屋爾數(shù)毒與溫垂度、傾壓力漏之間限的關(guān)都系。斗在給利定溫巴度與訴壓力尚條件們下，續(xù)它反始映了占參加泳反應(yīng)元的各縱物質(zhì)臘摩爾稱數(shù)之倦間的惠關(guān)系址?！瘜W(xué)碑平衡廚方程蔑式平衡常數(shù)注：p0=1【例1.7】

的離解程度因溫度和壓力而異，

試求出純在不同溫度和不同壓力下離解平衡后混合物中，和的摩爾分數(shù)?！窘狻恳蟊鋈⑹趾椭i，需轟要三鉗個方飯程：愈一個管化學(xué)離解獵平衡旨方程捷和兩駕個元腹素守聰恒方猶程。對于金該反素應(yīng)，基其吉索布斯俯自由直能變布為因為所以由得由元啟素守平恒得（a）定義尾混合嗎物初襖始狀互態(tài)時榆的與為Z：（b）則有第三個方程（c）在給濱定的P、T和Z后，泰可以傻聯(lián)立膨方程旱（a）,（b）,（c）求黑出辱、伯和。用牛頓-拉夫森迭代法順次求解出，和。如書上表1.2所示。純在不同壓力和溫度下離解平衡時混合物中的摩爾分數(shù)

從計算結(jié)果可得出兩點結(jié)論：（1）溫度不變時，增大壓力將使的離解減弱；（2）壓力不變時，增大溫度促使的離解。當一卡個處戰(zhàn)于平明衡狀看態(tài)的溫系統(tǒng)有經(jīng)歷孕一個陣變化敢時，系統(tǒng)獅的平逮衡狀訓(xùn)態(tài)將筒朝著擊削弱苦該變跨化的鵲方向店移動。因竹此，謹壓力宋升高除時，沃平衡代狀態(tài)憶移動繭使系膏統(tǒng)摩沾爾數(shù)校減少強。對摩煩爾數(shù)醋守恒靜的化擱學(xué)反聯(lián)應(yīng)而唇言，壓力味的變舉化對糟平衡屈狀態(tài)麻沒有辭影響。當叫溫度攪升高淚時，狀平衡們狀態(tài)宋向消隔耗熱昏量的表方向弦移動舉。三、襯復(fù)雜趙反應(yīng)煎系統(tǒng)櫻平衡斬成分涉和燃扮燒溫近度的吹計算尖機計日算化學(xué)植平衡汽成分這的計李算方趟法（1）平衡嫂常數(shù)殖法:按PE層R程序譜可以順求解12種組棄分，丈其中靈包含7個平縮慧衡反撤應(yīng)，4個元妖素（C，H，N，O）守街恒方竟程;（2）基叉于最小沖自由往能的通公用化者學(xué)平身衡計眨算程迷序CE井A。該程川序能擁處理40講0種組淚分，擋它可敞以計歡算不毒同熱軋力學(xué)益狀態(tài)下化騙學(xué)平隙衡成蟻分。（3）基宴于元素乒勢法的化妥學(xué)平糟衡計妙算程岸序ST犧AN帽JA狠N。這是尖斯坦教福大查學(xué)發(fā)典展的信高效陸的、搖易于薦使用載的以位微型獲計算機蓬為基尼礎(chǔ)的拖軟件瀉。【例1.旁8】已知偶一燃比燒天旬然氣濟的加銀熱爐上工作哨時的厚壓力吃為1個大教氣壓馳，混嗓氣的看當量辰比為0.孝9；進避入火藏爐中傘的天邪然氣疲溫度委為29反8K，但票是進齒入火藏爐的棉空氣左是經(jīng)罵過預(yù)務(wù)熱的分。（1）試懷確定膚預(yù)熱縣空氣臘對絕距熱火竟焰溫青度的墨影響的（火偶爐入圣口空氣贈溫度請從29粒8K變化況到10要00青K）；（2）假晴設(shè)不洪管預(yù)沉熱空累氣與判否，殘加熱如爐出壁口和明回流嘩換熱弱器進口坑之間鉗的煙溝氣溫滔度為17樹00搏K，那排么當懂空氣卷從29即8K預(yù)熱汁到60評0K時將邪節(jié)省蔽多少斤燃料洗？【解】（1）利遠用附忘錄?中