燃烧热力学.ppt

几点结论： （1）T不变，P升高，CO2离解减弱 （2）P不变，T升高，CO2离解增强 即： 反应处于平衡状态时，若系统发生变化，则平衡会向减弱变化的方向移动 * * * Tips:火焰的温度典型的可以达到几千开尔文 * 例 2.5 计算CH4-空气混合物在化学当量下的定压绝热燃烧温度. 压力为 1 atm ，初始温度为298 K. 假设: 1.“完全燃烧”(无解离) i.e., 燃烧产物仅为 CO2,H2O,and N2. 2.假设产物的比热为常数，用在 1200K(~0.5(Ti+Tad) 下的值来计算,其中 Tad 先估计为 2100K) * 解 混合物组成: 物性(附录 A and B) * 根据第一定律 * 使 Hreact 与Hprod 相等解出Tad 有 Tad=2318K * 定容绝热火焰温度 理想的 Otto循环分析: 式中，U 是混合物的绝对内能(或标准). * 对于理想气体 * 以每千克质量表示 * 例 2.6 计算化学当量下CH4-air 混合物的定容绝热火焰温度，条件与例2.5相同。 初始条件为 Ti=298K, P=1 atm(101,325Pa). * 解 cp,i 值估计的温度可能比例2.5的高。但还是用这些值. 第一定律： * 代入数值有 * 和 式中Nreac =Nprod=10.52kmol. 重组并求解有 Tad Tad=2889K * 热力学第二定律，究竟想说明什么？？ * 热力学 * 热力学 * 功可以直接并完全成转化为热，但反过来无法实现 * 化学平衡 在高温度燃烧过程中，,燃烧产物不是简单的理想产物的混合物 主要成分离解，产生次要成分 * 例 碳氢化合物在空气中燃烧的理想产物是 CO2,H2O,O2, and N2. 但如果解离就会产生以下和物质: H2,OH,CO,H,O,N,NO, 还可能有其他的许多. 如何确定在给定的温度和压力下的产物的摩尔分数 元素守恒： C, H, O, 和N 的原子数不变 * 化学平衡一例 N2 和H2的反应 N2(g) + 3H2(g) =2NH3(g) * 平衡常数方法 如何去求与计算平衡的组份。 下述平衡常数的计算限定在理想气体的应用。 * 第二定律的因素 化学平衡的来源是热力学第二定律。 终止状态(temperature,pressure, and composition) 不仅受第一定律的约束----second law * 考察一个反应 如果最终温度很高，CO2 会分解. 假设产物仅为 CO2, CO, 和 O2,有: * ? 是CO2 的分解分数. Tad 是分解分数 ?的函数: ?=1, 无放热，并不发生变化。 ?=0, 放出最大的热。 一个思想试验：改变?：产物混合物的焓可计算： * 各组分的熵可以求得： * * 将混合物的熵与 ?关系图示出来看到： 对反应 CO+0.5O2=CO2在 1- ?=0.5 时达到最大值， 对于我们目前的条件 第二定律要求 : dS?0 * 由于dS 是正的，系统的组成自发地趋向最大熵的一点。 正式地，平衡条件可写为： * 小结论 一个孤立系统，固定内能、体积和质量，如果应用第一定律、第二定律和状态方程就可以获得平衡的温度、压力和化学组成。 * 吉布斯函数 问题是绝大部分系统不是孤立体系，所以上面的结论很重要，但不实用。 * 例：要求给定温度、压力和化学当量下混合物的组成：引入 Gibbs free energy, G, 来代替熵，成为一个重要的热力学参数. * 燃烧反应 完全反应条件下，在某一特定状态下产物的焓与反应物的焓的差叫作反应焓 （ enthalpy of reaction） hR. 对燃烧过程，我们就称为燃烧焓（enthalpy of combustion） hc, /1 kmol (or 1 kg) ，以在一定温度与压力下完全燃烧下单位物质的量或质量下的燃烧焓 * * 从图中,反应焓或燃烧焓的定义为: ?hR(对于单位质量的混合物) 以外延量表示为, * 反应焓（燃烧） 1 kmol C 25°C, 1 atm 1 kmol O2 25°C, 1 atm 1 kmol CO2 25°C, 1 atm hr = -393,520 kJ The enthalpy of reaction is negative because the enthalpy of the products is less than the enthalpy of the reactants. Combustion Chamber * 燃烧过程中的化学键 当破坏已有的化学键形成新的化学键的燃烧过程中，通