燃烧理论基础-化学动力学

第一章燃烧化学反应动力学基础1、什么叫燃烧？2、浓度和化学反应速度正确的表达方法？化学反应速度如何计量？3、什么是单相反应、多相反应、简单反应、复杂反应、总包反应？4、质量作用定律的适用范围？如何从微观的分子运动论的观点来理解质量作用定律？试用质量作用定律讨论物质浓度对反应速度的影响。

5、什么是反应级数？反应级数与反应物浓度（半衰期）之间的关系如何？6、常用的固体、液体和气体燃料的反应级数值的范围是多少？7、试用反应级数的概念，讨论燃尽时间与压力之间的关系。

8、惰性组分如何影响化学反应速率？9、Arrhenius定律的内容是什么？适用范围？如何从微观的分子运动论的观点来理解Arrhenius定律？10、什么是活化能？什么是活化分子？它们在燃烧过程中的作用？11、图解吸热反应和放热反应的活化能与反应放热（吸热）之间的关系。

12、什么叫链式反应？它是怎样分类的？链反应一般可以分为几个阶段？13、描述氢原子燃烧的链式反应过程。

14、试用活化中心繁殖速率和销毁速率的数学模型，结合编程技术，绘制氢原子浓度随时间变化的图线，解释氢燃烧的几种反应的情况。

并讨论：分支链反应为什么能极大地增加化学反应的速度？15、烃类燃烧的基本过程是什么，什么情况下会发生析碳反应？如何进行解释？什么样的烃类燃烧时更容易发生析碳反应？如何防止烃类燃烧析碳？16、图解催化剂对化学反应的作用。

17、什么叫化学平衡？平衡常数的计算方法？吕·查德里反抗规则的内容是什么？18、什么是燃料的低位发热量和高位发热量？19、试用本章的知识解释，从燃烧学的角度来看，涡轮增压装置对汽车发动机的作用是什么？20、过量空气系数（a）与当量比（b）的概念？21、燃烧过程中，有几种NOx的生成机理？第二章燃烧空气动力学基础——混合与传质1．为什么说混合与传质对燃烧过程很重要？2．什么是传质？传质的两种基本形式是什么？3．什么是“三传”？分子传输定律是怎样表述的？它们的表达式如何？（牛顿粘性定律、傅立叶导热定律、费克扩散定律）4．湍流中，决定“三传”的因素是什么？湍流中，动量交换过程和热量、质量交换的强烈程度如何？怎么用无量纲准则数的数值来说明这一点？5．试推导一个静止圆球在无限大空间之中，没有相对运动的情况下，和周围气体换热的Nu数，以及和周围气体进行传质的Nu zl数。

1;描述燃烧物理现象的方程有哪些？质量守恒方程，动量守恒方程，能量守恒方程，组分守恒方程。

2：研究基础有哪些基本定律和现象？牛顿粘性定律，傅里叶导热定律，费克扩散定律，斯蒂芬流问题。

例子：喷灯、家用煤气、气焊枪。

温度场，浓度场，速度场。

3：牛顿粘性定律表明：粘性是动量交换的必要条件。

由速度梯度变为动量梯度傅里叶导热定律表明：热扩散是能量交换的必要条件。

由温度梯度变为焓的梯度费克扩散定律表明：传质（扩散）是组分扩散的必要条件。

由密度梯度变为质量分数的梯度。

4：Stefen流产生的物理条件、化学条件：斯蒂芬流产生的条件是在相分界外既有扩散现象存在，又有物理和（或）化学过程存在，这两个条件是缺一不可的。

第四章着火1：着火过程由什么因素控制的？着火与混合气的压力、温度、浓度、壁面的散热率、（点火能量）气流运动有关。

2：燃烧速度的决定因素有哪些？举例说明哪些燃烧现象受物理过程控制，哪些受化学过程控制？由扩散、流动、传热及其他物理过程决定燃烧过程速度的燃烧为扩散控制燃烧，物理因素起主要的控制作用。

例如油滴、喷雾燃烧，未作预混合的气体射流燃烧，蜡烛、碳球的燃烧等均属此类。

汽油机、煤气机、喷灯等预混合气有火焰传播的燃烧则同时受化学动力学及扩散的控制。

3：燃烧反应过程中浓度与温度的关系燃烧反应速度主要与反应气体混合剂的温度及初始反应物、中间产物、最终产物的浓度有关。

反应速度与温度的关系常用Arrhenius指数项或简单的指数Tm的关系式表示。

4：简单反应或热反应：反应速度只受初始反应物浓度影响的反应复杂反应或自催化反应：反应速度受中间产物或最终产物浓度影响的反应5：热着火需要满足的条件是什么？可燃混合剂在某一条件下由外界加热，如火花塞、热容器壁、压缩等，到达某一特定温度时，反应物在此温度下的放热速度大于散热损失的速度。

6化学链着火需要满足的条件是什么？若燃烧反应有中间载链基的分枝链反应时，则甚至在等温条件下也能着火。

燃烧化学反应的动力学研究燃烧化学反应是我们日常生活和工业生产中经常遇到的一种化学反应。

比如，汽车引擎燃烧汽油产生的能量，燃烧煤炭和天然气产生的能源等都是经典的燃烧反应。

虽然这些反应已经被广泛应用，但对于其反应机制的理解和掌握仍然存在很多不确定性和问题。

因此，燃烧化学反应的动力学研究也是一个十分重要的领域。

一、燃烧化学反应动力学的研究内容燃烧化学反应的动力学研究主要涉及以下几个方面：1、反应速率：燃烧反应速率是燃烧化学反应的一个重要指标。

它描述了单位时间内燃料消耗的速度或生成的产物的速度。

研究燃烧反应速率的变化规律及其与反应条件之间的关系，可以帮助我们更好地理解燃烧反应的机理和控制燃烧反应的过程。

2、燃烧性能：燃烧性能包括着火性能、燃烧稳定性、燃烧释放能、污染物产生量等指标。

这些指标对于燃料的选择和燃烧设备的设计都具有极为重要的意义。

3、反应机理：燃烧化学反应的机理是指燃料在化学反应过程中所涉及的具体物理和化学过程。

研究燃烧反应的机理可以帮助我们对燃料的氧化过程的理解深入，为燃烧过程的改进提供基础。

二、燃烧化学反应的动力学研究方法1、实验方法：燃烧化学反应的动力学研究中，最基本的方法之一就是实验方法。

在实验室中，可以采用各种不同的实验技术，来测定燃料的燃烧性能，反应速率以及反应机理等参数。

2、计算方法：除了实验方法之外，还可以采用计算方法进行燃烧化学反应的动力学研究。

计算方法主要包括化学动力学模型和计算流体力学模型等。

前者可以用来描述化学反应的发生机理和速率，后者则可以模拟燃烧的流动和传热等过程。

3、综合方法：实验和计算方法有各自的优缺点，因此往往都是综合应用，加以比较分析，以获得更加全面的分析结果。

三、燃烧化学反应动力学研究的应用燃烧化学反应的动力学研究已经广泛应用于各个领域，特别是在燃料的开发、设计和使用过程中。

比如，汽车引擎的燃烧控制、工业锅炉燃烧优化等都是依赖于化学动力学研究的结果。

同时，燃烧反应的机理研究也有一些新的应用，比如，在材料的制造和加工过程中，巨大的摩擦热产生也涉及到类似于燃烧反应的化学过程。

第7章燃烧化学反应动力学基础7-1 定义和定律一． 单相反应和多相反应单相反应:在一个系统内各个组成物质都是同一物态(气态或液态)，则称此系统为单相系统。

在此系统内进行的化学反应则称单相反应。

多相反应:若在一个系统内各个组成物质不属同一物态(固态和气态同时存在)，则称此系统为多相系统。

在多相系统内进行化学反应就称多相反应。

二．浓度，摩尔浓度，分子浓度和相对浓度 任何物质的浓度是以单位体积内所含的物质数量来确定的。

物质的数量可以用不同的单位来表示，例如千克浓度，摩尔浓度和分子浓度。

一般气态物质它们的浓度都用摩尔浓度来表示。

因气体的摩尔数与其容积成正比，气体的压力和容积是比较容易精确确定的两个物理量，故已知气体的压力和容积就可确定气体质量。

按照定义，摩尔浓度可用下式来表示： C=M/V （7-1） 式中：C为物质的摩尔浓度；M为物质的摩尔数；V 为物质的体积。

在混合气体中，各组成气体的摩尔浓度与各气体的分压力成正比。

则该气体的状态方程式为 RT M V i i p = 由此可得摩尔浓度 RT p V M C i i i == （7-2）上式表明气体的摩尔浓度和气体分压力之间互成正比。

有时物质的浓度用单位容积内的物质分子数来表示更显得方便。

此时，物质的分子浓度 n=VV 体积中所具有的分子数物质在体积 式中n 为单位体积内的分子数即为分子浓度。

分子浓度和摩尔浓度之间关系可用下式表示：n= （5-3C N A ）式中常数，=6.023l/mol Avogadro 为A N A N 2310×。

由分子物理学中知道，每克摩尔气体内具有6.023个分子。

2310× 此外物质的浓度还可用相对浓度来表示。

这是一种无因此浓度，它表示该种物质的分子数（或摩尔数）与同一容积内总的分子数（或摩尔数）之比值。

按此定义，相对浓度可以写成下列形式：⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫====∑∑∑∑i i i i ri i i i i ri C C M M C n n N N C （7-4）在研究燃烧过程时，采用相对浓度有时较采用其他浓度更为方便，因它可直接指出过程进行的程度或未完全燃烧的燃料的损失率。

燃烧过程的化学动力学燃烧过程是物质热力学中最基本、最重要的过程之一。

燃烧是指物质与氧气发生氧化反应的过程，它是一种化学反应，也是一种物理过程。

对于燃烧过程的化学动力学研究，可以加深我们对这个过程的认识，为控制燃烧反应、提高燃烧效率提供理论依据和实验基础。

一、燃烧反应的化学动力学基础燃烧反应是指物质与氧气反应时所释放的热量，这个过程可以通过反应体系的温度、压力、反应物浓度等参数来定量描述。

化学反应的速度与反应物的浓度、反应体系的温度、催化剂的存在等因素都有关系。

当反应物浓度越大、温度越高或催化剂的存在有利于化学反应的进行时，反应速度也就越快。

二、燃烧反应的反应机理燃烧反应的反应机理是指燃烧过程中反应物分子之间的相互作用和转化，并通过化学方程式进行描述。

在燃烧反应中，氧气是最重要的反应物，其与燃料在燃烧反应中相互作用生成二氧化碳、水蒸气等物质。

燃料的种类和组成、氧气的浓度、反应体系的温度等因素都会影响燃烧反应的反应机理。

三、燃烧反应的温度对反应速率的影响反应体系的温度是一种可以影响燃烧反应速度的重要因素，当反应体系的温度越高时，反应自由能变化也就越大，反应速度也就越快。

温度对燃烧反应速度的影响可以通过阿伦尼乌斯方程进行定量描述。

另外，在燃烧反应过程中，一些反应是自发进行的，也就是说，这些反应在一定温度下可以自行进行。

四、燃烧反应的催化作用催化剂是一种可以加速化学反应速率的物质，它可以提高反应活化能和降低反应状态的能量垒，从而加速整个反应过程的进行。

在燃烧反应过程中，催化剂的存在可以显著提高反应速率，降低反应温度和反应的副反应产物等。

所以，在燃烧反应的生产过程中，催化剂的应用可以大大提高燃烧的效率。

五、燃烧反应的实际应用燃烧反应是一个广泛应用于能源、环保等领域中的重要过程。

如酸雨的产生、燃料的燃烧、工业生产过程中的化学反应等都与燃烧反应密切相关。

在实际应用中，我们可以通过调整燃料的配方、合理控制反应温度、选用适合的催化剂等措施来提高反应效率、减少反应的副反应产物并保护环境。

《燃烧学》课程笔记第一章燃料与燃烧概述一、燃烧学发展简史1. 古代时期- 早期人类通过摩擦、打击等方法产生火，火的使用标志着人类文明的开始。

- 古埃及、古希腊和古罗马时期，人们开始使用火进行冶炼、烹饪和取暖。

2. 中世纪时期- 炼金术的兴起，炼金术士们试图通过燃烧和其他化学反应来转化金属。

- 罗杰·培根（Roger Bacon）在13世纪对火进行了研究，提出了火的三要素理论：燃料、空气和热。

3. 17世纪- 法国化学家安托万·洛朗·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）通过实验证明了燃烧是物质与氧气的化学反应，推翻了燃素说。

- 拉瓦锡的氧化学说为现代燃烧理论奠定了基础。

4. 18世纪- 约瑟夫·普利斯特里（Joseph Priestley）和卡尔·威廉·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）分别独立发现了氧气。

- 拉瓦锡和普利斯特里的实验揭示了氧气在燃烧过程中的作用。

5. 19世纪- 热力学第一定律和第二定律的发展，为理解燃烧过程中的能量转换提供了理论基础。

- 化学反应动力学的发展，科学家们开始研究燃烧反应的速率和机理。

6. 20世纪- 燃烧学作为一门独立学科得到发展，研究内容包括火焰结构、燃烧污染物生成与控制等。

- 计算流体力学（CFD）的应用，使得燃烧过程的模拟和优化成为可能。

- 环保意识的提高，促进了清洁燃烧技术和低污染燃烧技术的发展。

二、常见的燃烧设备1. 炉子- 锅炉：用于发电和工业生产中的蒸汽供应。

- 炉灶：家用烹饪设备，使用天然气、液化石油气等作为燃料。

- 热水器：利用燃料燃烧产生的热量加热水。

2. 发动机- 内燃机：汽车、摩托车等交通工具的动力来源。

- 燃气轮机：用于飞机、发电厂等，具有较高的热效率。

3. 焚烧炉- 医疗废物焚烧炉：用于医院废物的无害化处理。

- 城市生活垃圾焚烧炉：用于垃圾减量和资源回收。

燃烧反应动力学： 这一章主要从化学动力学的角度阐述燃烧反应的一些基本概念、原理和理论模型。

首先定义了反应速度：化学反应速度是在单位时间内由于化学反应而使反应物质（或燃烧产物）的浓度改变率。

dCw d τ=-然后介绍了最基本的反应——基元反应，即反应物分子（或离子、官能团）在碰撞种一步转化为产物分子（或离子、官能团）的反应。

同时引入了反应级数的概念。

并在此基础之上逐步讨论了一级反应和二级反应的一些结论和特点。

其中又引入了半衰期的概念，其定义如下：经过一定时间r 后，反应物的浓度降为初始浓度的一半时所需要的时间即是该反应的半衰期。

在简单的基元反应基础之上，课程进一步研究了一些复杂反应，包括：可逆反应、平行反应、连续反应等。

至此基本的反应类型介绍完毕。

紧接着课程讨论了各种参数对化学反应速度的影响，包括温度、压力、浓度等。

其后继续介绍了反应速度的碰撞理论模型。

并提出了有效碰撞理论：● 在相互反应的分子碰撞过程中，只有一部分的分子碰撞处于合适的方位上； ● 处于合适方位上的分子间的相互碰撞，只有一部分有能力足以使得化学键破裂； ● 反应速率常数可以表示成：/E RT AB k Z e ϕ-=有了碰撞理论模型的基础之后，课程开始介绍另外一种比较特殊的重要反应类型——链锁反应。

主要介绍了不分支链锁反应（也叫直链反应）和分支链锁反应两个类型。

本章的最后介绍了燃烧学中常用的一些概念和术语。

现总结如下：● 生成焓：当化合物是由不同元素组成时，化学能被转换成热能，这种转换的能量称为化合物的生成焓。

● 过量空气系数：燃烧反应过程当中实际空气量和理论空气量的比值。

● 当量比：111φ=千克燃料实际燃空比实际燃烧过程种供给的空气量＝千克燃料理论燃空比千克燃料完全燃烧所需要的理论空气量● 绝热燃烧温度：一个绝热、无外力做功、没有动能或势能变化的燃烧过程，燃烧产生的热量全部用于加热燃烧产物，这样一个过程中燃烧产物的温度。

多组分反应流体力学基本方程组： 这章主要从流体力学的角度分析多组分燃烧反应过程的一些特点以及结论，并导出多组分燃烧反应的基本方程组。

燃气燃烧理论基础燃气燃烧理论基础-V1燃气燃烧理论基础在现代社会中，燃气燃烧是极为普遍的现象，涉及的应用领域也十分广泛。

在此背景下，燃气燃烧理论成为了热力学、化学等学科中的一部分，其基础理论涉及到气体的热力学性质和化学反应动力学等方面。

本文将介绍燃气燃烧的基础理论。

第一部分：燃气的热力学性质1.1 燃气的物理性质燃气的物理性质包括密度、粘度、导热性等。

其中，密度与燃气的压力和温度密切相关。

随着温度的升高，燃气分子的平均动能增加，分子的有效半径增大，从而使密度降低。

同时，压力的升高会使得燃气分子之间的相互作用增强，引起分子的回旋运动增加，这也会导致燃气密度的增加。

粘度是指流体内部分子之间相互作用的抵抗。

在燃气中，粘度与温度密切相关，随着温度的升高，燃气分子的运动增快，分子间碰撞的三维弹性碰撞增加，分子间距离的均方根速度添加增加，从而导致粘度的下降。

导热性是指流体内部传递热量的物理性质。

在燃气中，热传递的速度与燃气的温度、密度和压力有关，燃气的导热性与热传导方式、燃气分子内部运动等因素也有关。

1.2 燃气的热力学性质燃气的热力学性质包括热容、热传导系数、等焓热容、等压热容等。

其中，热容是指物质在受到一定热量输入后产生的温度变化。

燃气的热容与气体的组成、温度密切相关。

温度升高，燃气分子的运动速度增加，热容度跟着增加；而在低温、高压下，燃气分子之间的相互作用增大，产生相互作用引起的热能变化趋势加强，燃气的热容度也相应提高。

热传导系数是指单位长度内热量传递的量。

燃气中的热传导系数主要受到温度和燃气分子间碰撞的影响。

在低温、高压下，燃气分子间的相互作用越强，热传导系数也会越小。

第二部分：燃气燃烧的基础理论2.1 燃烧反应的定义燃烧反应是指物质与氧气在一定温度和压力条件下进行的氧化性反应。

在燃烧反应中，氧气会与燃料反应，放出热能，同时产生焦炭、一氧化碳、二氧化碳、三氧化硫等化合物。

燃烧反应是现代工业生产和生活中不可缺少的反应类型之一。

化学动力学Contents •概述•总包反应和基元反应•基元反应速率–双分子反应和碰撞理论–其他基元反应•多步机理的反应速率–净生成率–简洁形式–速率系数和平衡常数的关系•稳态近似方法–单分子反应机理–链式和链式分支反应•链式反应•链式分支反应•化学反应时间尺寸–单分子反应–双分子反应•局部平衡方法•小结概述•化学反应速率控制燃烧速率•化学速率决定污染物的形成与分解.•点火与熄火与化学过程密切相关•基元反应及其化学动力学是物理化学的一个特定的领域. •从反应物到产物的详细化学路径的定义•测量或计算它们相应的速率.•构建计算机模型来模拟反应系统.•基本化学动力学概念(本章)•与燃烧相关的重要化学机理(5)•化学过程与热力学模型的联立(6)•流体力学、化学、热力学方程(7)化学动力学•热力学: 反应是偏向产物还是反应物？•没有给出反应过程进行的速度的信息•动力学—是反应速度速率及相应反应进行的进程的关系的研究：机理.反应的实例!H2(g) + ½O2→H2O (l) 很慢N2O(g) → N2 (g) + ½O2 (g) 慢燃烧反应⇒快速过程TNT 爆炸⇒非常快的反应食物变质药物分解化学反应与时间的联系•讨论化学反应的动能学（energetics）.2 A → B 化合反应.•这个反应需要多长时间来进行?化学动力学•动力学是研究化学反应的速率的，速率是指随时间变化的过程•速率的单位是单位时间的浓度, M/s•随时间，浓度可以增加（产物）也可以减少（反应物）A +B → C化学动力学•当对一个化学反应的浓度与时间变化曲线作图，图上任意一点的切线(过浓度点) 定义了反应的瞬时速度•某个反应在一段时间内的平均速度可以用浓度图上的三角形来确定(直角三角形的斜边的斜率)•反应速度减少表示反应物是被消耗•速率表达式必须与化学计量数一致2A + B 3C瞬时速度的定义•反应物的消耗速度是-d[R]/dt•产物的形成速度是d[P]/dt平均速度•从图中看，平均速度是连接两点的斜率，为正值化学动力学•某个反应的速度与反应物的浓度相关•当反应物的浓度减少时，反应速度也减少•某个反应的速度与以下的参数有关:–反应物浓度–温度–催化剂的存在与浓度–固体、液体或催化剂的表面积•反应速度随浓度变化在数学上用实验速度规律来表示•反应物浓度以指数率上升，其乘积等于反应速度实验速度规律aA + bB →产物速度= -∆[A]/ t = k[A]m[B]n[C]p •[A] & [B] = 反应物浓度(M)•[C] = 催化剂浓度(M)•m, n, & p =指数(与化学反应中的系数无关）实验速度规律•由于化学计量方程没有给出反应机理的信息，指数就必须依靠实验来确定•分别来改变反应物的浓度来观察速度的变化•应用初始速度的方法; 观察随时间线性变化时的反应速度(瞬时速度= 平均速度); 通常在反应开始时•总的反应级数= 反应速度方程中指数之和Rxn级数可能的指数实验规律1 k[A]2 k[A]2 or k[A][B]3 k[A]2[B] or k[A][B][C]反应物与时间：一级反应•对一级反应，浓度可以由反应中给定的时间来确定•对数函数[A]t= 在t时刻组分A的浓度，M[A]o =组分A的初始浓度(t=0), Mk =一级速度常数, 1/时间t = 时间浓度与时间: 二级反应•对二级反应，反应中浓度随时间的变化•逆函数[A]t = 时刻t时组分A的浓度, M[A]o = 组分A的初始浓度，(t=0), Mk = 二级速度常数, 1/(M x t)t =时间总包反应与基元反应•一摩尔的燃料与a摩尔的氧化剂反应形成b摩尔的燃烧产物可用总包的反应机理来表示: •燃料消耗的速度可以表示为•式中, K G称为总包反应系数（g l o b a l r a t e c o e f f i c i e n t）, 是温度的强函数. •n和m 与反应级数相关，对于总包反应，n 和m 不一定是整数.•对基元反应，反应级数一定是整数。