Тема 2. Физические основы горения.

2.1. Свойства газов.

Основное уравнение кинетической теории газов имеет вид:

, (2.1)

где: W_K – суммарная кинетическая энергия поступательного движе-

ния n молекул газа, находящегося в объеме V;

m_i, _i – масса и скорость движения i-той молекулы.

В результате беспорядочного движения и соударений газа происходит изменение скорости и энергий частиц. Возникают явления направленного пе-реноса внутренней энергии, т.е. теплопроводность, и переноса массы частиц, – диффузия с выравниванием того и другого в объеме вещества.

Теплопроводность возникает в веществе при наличии градиента тем-ператур:

, (2.2)

где: dQ– количество теплоты переносимой за времяdTчерез поверх-ностьdS по направлению нормалиХ к этой поверхности в сторо-ну убывания температуры;

(dT/dх) – градиент температуры;

k – коэффициент теплопроводности, равный количеству теплоты, перенесенный через единицу поверхности за единицу времени при градиенте dT/dх=1.

Согласно кинетической теории газов:

, Дж/(смсекград) (2.3)

где: υ – средняя скорость теплового движения молекул;

 - средняя длина свободного пробега молекул;

 - плотность газа;

C_V – удельная теплоемкость газа при постоянном объеме.

Диффузией называется процесс установления внутри фаз какой-то сис-темы равномерного распределения концентрации газа.

Фазой называется совокупность всех гомогенных частей системы. В гомогенной системе нет поверхностей раздела фаз (например, газовая фаза, раствор, твердая фаза), т.е. фаза находится в одном агрегатном состоянии. Система, состоящая из двух и более фаз, называется гетерогенной.

В двухкомпонентной системе явление диффузии описывается законом Фика:

, (2.4)

где: dM – масса первого компонента, которая переносится за времяdчерез площадьdSв направлении нормалиХ к этой площадке в сторону убывания плотности первого компонента;

d/dx – градиент плотности;

d – коэффициент диффузии.

, см²/сек. (2.5)

Теплоемкостью называется количество тепла, необходимое для повы-шения температуры вещества на один градус:

, Дж/(гК) (2.6)

Различают C_P – теплоемкость при P=const и C_V – теплоемкость при V=const, которые объединяются соотношением:

, (2.7)

где: R – универсальная газовая постоянная, равная работе, совершае-мой 1 молем идеального газа при изобарном нагреве P=const на 1 градус:

.

Понятия «моль», «R» вытекают из основных законов идеальных газов (идеальным газом называется газ, молекулы которого не взаимодействуют друг с другом).

Кроме закона Бойля-Мариотта это следующие законы:

1. Закон Авогадро: Равные объемы газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул.

Различие в массах веществ определяется разными весами их атомов и молекул. За единицу массы в молекулярной теории принят моль (г-молеку-ла). 1 моль – такая масса химически однородного вещества, которая (в грам-мах) численно равна его молекулярному весу.

Иногда закон Авогадро гласит так: «При одинаковых давлениях и тем-пературах грамм-молекулы различных идеальных газов имеют одинаковые объемы».

Число Авогадро: в 1 моле газа содержится 6,0210²³ молекул. Тогда 1 моль любого газа при 0 ^оС и 101,3 кПа занимает объем 22,414 л.

Другими словами, молекулярный вес – это вес 6,0210²³ молекул газа, выраженный в граммах. Тогда PV=22,4 латм/моль при 0 ⁰С.

Например: атомный вес кислорода – 16. Молекулярный вес 162=32 г. Тогда в 32 г О₂ содержится 6,0210²³ молекул О₂.

Можно рассчитать удельный вес (плотность) газа при нормальных фи-зических условиях:

.

где:  - молекулярный вес газа.

2. Закон Гей-Люссака: при P=const объем массы газа прямо пропорцио-нален его абсолютной температуре:

, (2.8)

где: Т₀=273 К;

V₀ – объем газа при Т₀.

3. Закон Шарля: при V=const давление данной массы газа прямо про-порционально его абсолютной температуре:

, (2.9)

где: P₀ – давление при Т₀=273 К.

4. Уравнение состояния идеального газа для 1 моля газа:

, (2.10)

где: P, V_μ и T – давление, молекулярный объем и абсолютная темпе-

ратура газа.

5.Уравнение Менделеева-Клайперона для произвольной массы газа (М):

, (2.11)

Связь ТГВ с рассмотренными законами и свойствами газов можно показать на следующих примерах.

1. Горение представляет собой комплекс взаимосвязанных физических и химических процессов. Важнейшими из них при горении являются тепло- и массоперенос. Наиболее общим свойством горения является способность возникшего очага (фронта) пламени перемещаться по горючей смеси путем теплопроводности и диффузии активных частиц из зоны горения в свежую смесь. Таким образом, скорость распространения пламени при горении и взрыве зависит от теплопроводности реагирующих веществ. С увеличением теплопроводности скорость горения возрастает.

2. Теплоемкость учитывается в термодинамических расчетах горения и выборе огнетушащих средств. Этот параметр относится как к физике, так и к термохимии, т.к. горение – это химическая реакция. Зависимость теплоемко-сти от температуры веществ выражается уравнением:

C_P =a+bT+cT², (2.12)

где: а, b, c – термодинамические константы.

3. R входит во все уравнения ТГВ.

4. Диффузия объясняет возникновение и протекание так называемого диффузионного горения.

5. На базе основных законов идеальных газов выведены постулаты тео-рии горения и самовоспламенения.

6. Законы идеальных газов являются основой расчетов давления, объе-ма, температуры в процессах горения и взрыва.