Горение. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Горение - протекание хим. реакции в условиях прогрессивного самоускорения, связанного с накоплением в системе теплоты или катализирующих продуктов реакции. При Г. могут достигаться высокие (до неск. тыс. градусов) температуры, причём часто возникает излучающая свет область - пламя.

Отличит. особенность Г.- протекание хим. реакций в условиях её самоускорения. Скорость хим. реакции резко возрастает с увеличением температуры и выделяющаяся в реакции теплота всё более её ускоряет. С другой стороны, возможно самоускорение вследствие лавинообразного роста (в процессе разветвлённо-цепной реакции) концентрации активных частиц - атомов или радикалов, стимулирующих хим. превращение (см. Взрыв ).Поэтому различают тепловое и цепное Г.

Основная и важнейшая особенность процесса Г.- способность к распространению в пространстве. Вследствие процессов переноса (диффузии и теплопроводности)теплота или активные центры, накапливающиеся в горящем объёме, могут передаваться в соседние участки горючей смеси и инициировать там Г. В результате возникает движущийся в пространстве фронт Г., его скорость и наз. линейной скоростью Г. Массовая скорость Г.

, где

- плотность исходной смеси. В отличие от детонации, где хим. реакция возникает в результате быстрого и сильного сжатия вещества ударной волной, скорость Г. невелика (10^-3-10 м/с), поскольку оно обусловлено сравнительно медленными процессами переноса. Если движение газовой среды турбулентно, то скорость Г. увеличивается вследствие турбулентного перемешивания.

В зависимости от агрегатного состояния исходного вещества и продуктов Г. различают три основных типа Г.: гомогенное Г., Г. взрывчатых веществ и порохов, гетерогенное Г.

Гомогенное горение. Исходные вещества и продукты при таком Г. находятся в одинаковом агрегатном состоянии. К этому типу относится Г. газовых смесей (природного газа, водорода и т. п. с окислителем - обычно кислородом воздуха), Г. негазифицирующихся конденсиров. веществ (напр., термитов - смесей алюминия с окислами разл. металлов) и изотермическое Г.- распространение цепной разветвлённой реакции в газовой смеси без значит. разогрева. На рис. изображена структура фронта Г. в смеси газообразных горючего и окислителя. Хим. реакция происходит в очень узкой зоне (10^-5 м) при температуре, близкой к температуре Г.:

(T₀ - темп-pa исходной смеси, Q - теплота сгорания, с_р - теплоёмкость газа при пост. давлении). В зоне подогрева темп-pa газа растёт за счёт тепла, выделившегося при Г. предыдущих порций смеси. В этой зоне происходит также убывание (вследствие диффузии) концентрации исходного вещества, хим. реакция идёт в очень обеднённой смеси. Скорость тепловыделения

имеет резкий максимум, связанный с тем, что в начале реакции низка темп-pa, а в конце её нет горючего. Скорость Г.

, где

- коэффициент температуропроводности, а

- характерное время хим. реакции в зоне Г., к-рое определяется в основном энергией активации

и температурой Г. (R - универсальная газовая постоянная).

Структура фронта горения: 1 - зона прогрева, 2 - зона химической реакции, 3 - продукты горения; F- концентрация горючего или окислителя, P - концентрация продуктов горения, T - температура,

- скорость тепловыделения, х - пространственная координата.

Теория распространения фронта Г. в гомогенной газовой смеси строится на основе механики сплошных сред и кинетики химической. Для случая одномерного стационарного распространения ламинарного пламени в смеси перемешанных горючего и окислителя теория приводит к ур-ниям теплопроводности и диффузии, учитывающим хим. источник тепла и продуктов реакции (сток исходных веществ). В связи с малостью скорости Г. по сравнению со скоростью звука давление газа в области Г. можно считать постоянным. В системе координат, в к-рой фронт пламени покоится (исходное вещество натекает извне со скоростью Г. и), эти уравнения имеют следующий вид:

где х - пространств. координата, а_i - концентрации исходных веществ, промежуточных и конечных продуктов реакции,

и D_i- - коэффициенты теплопроводности и диффузии; Ф - удельная скорость тепловыделения (кол-во теплоты, генерируемое хим. реакцией в единице объёма в единицу времени), Ф_i - скорость изменения концентрации вещества в простейшей хим. реакции (также отнесённая к единице объёма и единице времени). Вид функций Ф и Ф_i конкретизируется при задании механизма хим. реакции.

К системе ур-ний (*) должны быть добавлены граничные условия, определяющие значения температуры и концентраций в исходной смеси

и постоянство этих величин (равенство нулю производных по координате) в продуктах Г. Решение системы (*) позволяет определить собственные значения задачи - скорости Г. и, а также распределения температуры и концентраций веществ в пространстве: T(x), a_i(x). В более сложных случаях соответствующие системы ур-ний решаются аналитически или приближённо, а также с использованием ЭВМ.

При Г. негазифицирующихся конденсиров. систем диффузия обычно не играет роли и процесс определяет только теплопроводность. Наоборот, при изотермическом Г. осн. процессом переноса является диффузия.

Гетерогенное горение. Исходные вещества при этом находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие техн. процессы гетерогенного Г.: Г. угля, частиц металлов, сжигание жидких топлив в нефтяных топках, нек-рых двигателях внутр. сгорания, камерах сгорания ракетных двигателей. Процесс гетерогенного Г. обычно очень сложен. Хим. превращение сопровождается дроблением и испарением капель и частиц, образованием окисных плёнок на частицах металла, турбулизацией газовой смеси и т. п.

Горение взрывчатых веществ и пороков. Mн. конденсиров. взрывчатые вещества (BB), кроме быстрого (взрывного) протекания реакции (см. Взрыв, Детонация), способны к значительно более медленному хим. превращению путём Г. В отличие от обычных твёрдых и жидких топлив при горении BB не требуется подводить извне окислитель, т. к. горючее и окислитель во BB перемешаны на молекулярном уровне.

Г. BB связано с переходом вещества из конденсиров. состояния в газ. При этом на поверхности раздела фаз происходит сложный физико-хим. процесс, при к-ром в результате хим. реакции выделяется теплота и горючие газы, догорающие в зоне Г., отстоящей от поверхности на нек-ром расстоянии. Процесс Г. усложняется явлением диспергирования - переходом части конденсиров. вещества в газовую фазу в виде небольших частичек или капель.

Важной особенностью процесса Г. является наличие критич. условий. Распространение Г. возможно лишь в нек-рых интервалах изменения состава смеси, температуры и давления, условий теплоотвода во внеш. среду. Критич. значения этих параметров наз. пределами Г. Скорость Г. на пределе отлична от нуля, а при переходе через предел Г. прекращается.

При эксперим. исследовании Г. изучается зависимость скорости Г. от разл. параметров Г.: состава смеси, дисперености компонентов, структуры фронта Г., скорости хим. реакций, пределов Г. При этом используются оптич. методы (высокоскоростная киносъёмка, голография), микротермопары (толщина их измеряется микронами), манометрические и калориметрич. бомбы.

Литература по горению

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.