第一章 燃烧的化学和物理基础
§1 燃烧反应热
1.1 反应热、生成热和燃烧热
化学反应过程中，系统在反应前后其化学组分发生变化，同时伴
随着系统内能量分配的变化。后者表现为反应后生成物所含能量总和
与反应物所含能量总和间的差异。此能量差值以热的形式向环境散发
或从环境吸收，称反应热。显然，生成物所含能量少于反应物所含能
量时，此差值为负值，表明有多余能量释放，称放热反应。相反，此
差值为正值即要向系统加入能量，为吸热反应。如C+O
2→CO
2，此反
应为放热反应，反应热为Q＝-393.5kJ／mol。而C+H
2O→CO+H
2则为
吸热反应，反应热为Q＝130.14kJ／mol。
化学反应过程所产生的反应热数值与反应时的条件有关。在定温定容过程时，反应热等于系统内能变化。即Q＝∆U。在定温定压过程时，
反应热等于系统焓的变化，即Q＝∆H。两种反应热之间存在一定关系。
由热力学关系得
H＝U+PV
则 ∆H＝∆U+∆ (PV)＝∆U+P
2V
2-P
1V
1
对于气相反应，认为体系近似为理想气体，可用状态方程处理，
即 PV＝ nRT
即 P
2V
2-P
1V
1＝ ( n
2-n
1 ) RT＝∆nRT
则 ∆H＝∆U+∆nRT （1-1）
∆ n为反应前后气相物质摩尔数的增加。通常，∆ n较小，而∆U值
很大，可认为∆H与∆U近似。
1 化学反应的种类繁多，且反应也是在任意温度下进行的。因此反
应热也相应有不同数值。为了比较和计算方便，规定了一个相对标准。
把在298K，0.1013MPa下反应热定为标准反应热，用符号∆0
298H表示。
脚注表示标准状态温度298K，肩注表示压力为0.1013MPa（旧标准为
1大气压）。如
H
2+1/2 O
2＝H
2O（汽） ∆0
298H＝-242（MJ/kmolH
2）
化学反应中由元素——即稳定单质反应生成某化合物时的反应热，特定为该化合物的生成热。用符号∆H
f表示。如元素A
1和元素A
2各
第1章 绪论
1.1 引言
火灾是国内外安全工作者特别关心的问题之一。目前世界上每年都要发生各种情况的火灾，给社会经济、人民生命财产造成无法估量的损失。燃烧学是研究火灾防治方法及技术的基础。同时，燃烧在工业部门有着广泛的应用背景。在世界总体能源结构中，以燃烧方式提供的能源所占比例高达80-85%。燃烧技术不仅在冶金、电力、机械、化工、轻工、交通、农机等各生产领域得到了广泛的应用，而且还渗透到日常生活的各个方面（如抽烟、烧饭、汽车等等）。对于航空、航天、兵器这些特殊的技术领域，更是完全建筑在以燃烧技术为核心的综合技术基础之上。可以说没有燃烧就没有我们的现代文明。强化燃烧、节约能源、防火灭火、防止污染这四大问题是当今燃烧技术发展最迫切、最热门的课题。因此，燃烧学是安全工程专业及其它与燃烧过程有关专业的一门重要技术基础课。学好本课程对知识面的拓宽及综合能力的培养有着极其重要的意义。
从化学观点看，在燃烧过程中，原来物质的分子结构遭到破坏，原子中的外层电子重新组合，经过一系列中间产物的变迁，最后产生了新的物质，即燃烧产物。在化学反应中，总的位能降低了，即所谓化学能降低了。这部分能量大都以热能和光能的形式释放出来，表观上形成了火焰。从物理观点看，燃烧过程总是发生在物质流动系统中，这种流动可能是均相流也可能是多相流，流态可能是层流也可能是湍流；其次，燃烧现象总是在不均匀物质场条件下进行，多种物质组分间的混合、扩散在不断地进行着，甚至外界环境（如电磁场、重力场）对燃烧还会产生显著地影响。因此燃烧是一种物理和化学的综合变化过程，是一个复杂的不断变化着的动态过程。它是一门交叉学科。学习燃烧理论既要求有化学热力学及化学反应动力学的一些基本知识，又需要对流体力学、传热与传质等学科的知识有一定的了解。
由于燃烧的复杂性，人们通常只按照自己的专业需要去研究燃烧中的某一方面的问题，例如：
化学家 -- 研究燃烧的反应机理、反应速度、反应程度、燃烧产物的生成机理等问题;
1
错误！未找到图形项目表。 2 0. 绪论 3 1. 燃料
4 2. 燃料的燃烧计算
5 3. 输运现象[5][7][10]
输运什么呢？质量、动量、能量。The subject of transport phenomena includes three closely 6 4. 化学动力学基础 7 5. 燃烧学基本方程
任何一门成熟的学科都有它自己的数学模型体系，它能够在数学上描述这门学科所涉及的所有特征。人们通过解方程就可以预测这门学科所涉及的所有现象，比如在天体力学中通过解经典力学方程，就能确定行星（如海王星）的轨道；在分子物理中通过解薛定谔方程，就可以确定分子光谱。
这章介绍燃烧学基本方程。它是在流体力学方程基础上得到的。The dynamics and
thermodynamics of a chemically reacting flow are governed by the conservation laws of mass,
momentum, energy, and the concentration of the individual species. In this chapter, we shall first
present a derivation of these conservation equations based on control volume considerations. 8 6. 预混可燃气着火理论
9 7. 层流预混可燃气火焰传播理论
10 8. 非预混燃烧 11 9. 火焰稳定
这一章与第6章的着火相对，考虑熄火问题。
12 10. 湍流燃烧 13 11. 液体燃料燃烧
19世纪末20世纪初，内燃机的发明使液体燃料开始得到大规模应用，人们才开始对液体燃料的燃烧机理、燃烧过程进行研究。
In many combustion applications the fuel is originally present as either liquid or solid. 液体燃料的燃烧很大程度上取决于其蒸发与扩散速度，而蒸发速度与热交换情况、物性以及表面积有关。1mm液滴，燃尽时间约为1s；若雾化成10微米颗粒，表面积增大100倍，燃烬时间仅为10-4 s。液体燃料需要先雾化后燃烧。In order to facilitate mixing and the overall burning
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Nuzl数。 6． 如图所示：
