Горение газовых смесей

В перемешанной газовой смеси протекают гомогенные реакции.

Скорость гомогенной реакций тем выше, чем больше число столкновений молекул, то есть чем выше концентрация реагирующих в объеме веществ. Пусть исходные вещества А и В,конечные вещества Е иD.

Химическая реакция имеет вид:

mA+nB=pE+qD

Скорость реакции W по закону действующих масс пропорциональна произ-ведению концентраций реагирующих веществ, поэтому для прямой реакции

W₁ = K₁ ,

аналогично для обратной:

W₂=K₂ ,
где К₁ и К₂ —константы, зависящие от физических свойств реагентов и температуры.
Константа химической реакции Квыделяет число эффективных столкновений молекул из числа возможных К₀ и определяется по закону Аррениуса
К=К₀ехр( )
где К₀ множитель, определяемый экспериментально; R—универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура смеси. Энергия активации Е представляет собой энергетический барьер, который необходимо преодолеть для осуществления химической реакции (см. рис. 1).

Механический барьер: шарик, прежде чем спуститься самопроизвольно до нижнего уровня II, должен преодолеть препятствие в виде возвышения, для чего нужна дополнительная затрата энергии.

Химический барьер: прежде чем самопроизвольно потечет химическая реакция и выделится освобождающееся тепло Е₂ – Е₁, должно быть затрачено некоторое количество энергии Е₁ для разрушения внутренних связей вступа-ющего в реакцию вещества, Е₂—энергия активации продукта горения, то есть энергетическая устойчивость полученных вновь внутримолекулярных связей.

механический барьер химический барьер

Рис.1

Ниже на рис.2 показана зависимость константы скорости химической реакции от температуры.

Рис.2

Скорость реакции резко возрастает, если в реагирующем объеме находятся активные центры (атомарный кислород или водород, гидроксильная группа ОН и т. д.). Например, при горении водорода первичный распад молекулы его на два активных центра может быть вызван любой активной молекулой М. В результате единичного цикла каждый активный центр образует три новых, что вызывает резкое ускорение реакции вплоть до взрыва. Такой характер реакции называется цепным. Таким образом, механизм самоускоряющихся реакций – цепной. Большой вклад в разработку теории цепных реакций внес академик Н.Н.Семенов, за эти работы ему была присуждена Нобелевская премия.

Горению газо-воздушной смеси предшествует ее воспламенение. Оно может осуществляться двумя путями: самовоспламенением или зажиганием от постороннего источника (вынужденным воспламенением).

Под самовоспламенением горючих смесей понимается такой процесс воспламенения, когда при нагреве всего объема смеси до некоторой температуры она самостоятельно воспламеняется во всем объеме без воздействия внешнего источника зажигания. Температуру смеси Т_с , выше которой в среде возможно самоускорение реакции горения, называют температурой самовоспламенения смеси.

Зажигание или воспламенение- процесс инициирования начального очага горения в горючей смеси, после чего возникший фронт пламени самопроизвольно распространяется по всему объему. Зажигание горючих газовых смесей может про­исходить при их контакте с накаленными поверхностями, при появлении внутри смеси искр различного происхождения или пламени.

Температура воспламенения не представляет собой физико - химической константы смеси, а колеблется в зависимости от условий теплоотвода. Так, при уменьшении коэффициента теплоотдачи α точка «в» перемещается в точку «в’» и смесь воспламеняется при пониженной температуре.

Основной особенностью процесса зажигания газовой смеси являются концентрационные пределы воспламенения. Объемную концентрацию горючего газа ( в %) в предельно бедной горючей смеси называют нижним концентрационным пределом зажигания, а в предельно богатой горючей смеси – верхним концентрационным пределом зажигания.