Адиабатическое горение — экзотермическая химическая реакция, происходящая при постоянном давлении или объеме, при которой исключена потеря энергии в окружающую среду. Температура адиабатического горения при постоянном давлении ниже температуры горения при постоянном объеме, так как в первом случае часть производимой при реакции энергии затрачивается на увеличение объема системы.

Влияющие факторы

Так как при различных значениях окружающего давления химические свойства продуктов горения различаются, температура горения при постоянном низком давлении обычно ограничена уровнем ионизации получаемого газа. Различные виды топлив с разными уровнями энергии и с разным молекулярным составом будут иметь различные температуры горения. Полное сгорание в реальных системах не происходит, так как химические взаимодействия приводят к диссоциациям и происходят с разной скоростью, что изменяет соотношение компонентов.

Существует большое количество программ, которые позволяют рассчитывать значения температуры горения с учетом процессов диссоциации путем использования констант равновесия (Stanjan, NASA CEA, AFTP).

Распространенные виды топлив

Наиболее распространенными, повседневно используемыми видами топлива являются такие органические соединения и их смеси, как древесина, воск, жиры, различные пластмассы, природный и нефтяной газы, бензин. Таблица ниже приводит температуры адиабатического горения этих и других веществ в воздухе и кислороде при нормальных условиях (750,06 мм рт.ст. и 25 °С), при близком к единице соотношении («») (англ.)русск. топливо/окислитель и при том условии, что в результате реакции давление системы остается неизменным.

1. Jongsup Hong et al, стр.8).

Термодинамика

Первый закон термодинамики для изолированной системы можно записать в виде:

где, and тепло и работа, соответственно, которые были произведены в ходе процесса, а и — внутренняя энергия реагентов и результатов реакции. Если предположить, что при адиабатическом горении сохраняется неизменность объема, то процесс не производит работы,

и не происходит потери тепла, так как процесс предполагается адиабатическим: . В результате внутренняя энергия продуктов реакции совпадает с внутренней энергией реагентов: . Так как это изолированная система, масса продуктов и реагентов постояннна и первый закон может быть записан в следующем виде:

.

Если предположить, что при адиабатическом горении сохраняется неизменность давления, то для произведенной работы выражение может быть записано как,

Так как при адиабатическом процессе не происходит потери тепла , из первого закона мы получаем, что

Так как из определения энтальпии , а в изолированной системе масса продуктов и реагентов постояннна, первый закон принимает следующий вид:

.

Таким образом, температура адиабатического горения при постоянном давлении меньше, чем при постоянном объеме, что имеет место в связи с необходимостью произвести работу для увеличения объема в первом случае.

Если сделать предположение, что имеет место полное сгорание и выполнены условия стехиометрии компонентов, или имеет место избыток окислителя, для вычисления температуры горения может быть использована следующая формула:

Точное соотношение компонентов не дает достаточного количества переменных для вычислений, потому как, по крайней мере, для достижения молярного баланса требуются и — последние соединения являются наиболее распространенными продуктами неполного сгорания.

Однако, если учесть реакцию обмена между углекислым газом и водой,

и используем константу равновесия для этой реакции, то в результате количество переменных будет достаточным для определения температуры.

См. также

• Адиабатический процесс
• Цикл Дизеля (цикл постоянного давления)
• Цикл Отто (цикл постоянного объема)

Примечания