资源描述：
《甲烷燃烧反应的火焰温度.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、X山西大学学报(自然科学版)27(1):32～34,2004JournalofShanxiUniversity(Nat.Sci.Ed.)文章编号:025322395(2004)0120032203甲烷燃烧反应的火焰温度高志崇(泰山学院化学系,山东泰安271000)摘要:根据公式$H=W′=-0.1196nöK计算了甲烷燃烧反应的火焰温度,计算温度为3134K,与实际温度3120K非常接近.这进一步明确了烃燃烧反应机理,该机理为:(1)O2+hM2O·;(2)CpH2qpC+qH2;(3)H2+O·H2O+hM;(4)C+O·CO+hM;(5)2CO+O22CO
2、2.关键词:燃烧反应;温度;焓;甲烷+中图分类号:O643.21文献标识码:A近年来,煤矿瓦斯爆炸屡有发生,往往造成巨大的经济损失和人身伤亡,瓦斯爆炸主要是由于甲烷燃烧引起的.另外,随着“西气东输”工程的进展,天然气将进入千家万户,天然气的主要成分也是甲烷.通常,燃烧反应火焰最高温度的计算是近似地把燃烧反应看成绝热反应,即QP=0,反应释放的热量全部用于体系升温.由于燃烧反应通常是在恒温恒压条件下进行的,因而Qp=$H=0,进而利用$H=0计算出火焰最高温度.然而,利用该方法计算得到的火焰温度比实际温度高得多,如氧炔焰[1]的理论温度为4574K,实际温度为3
3、773K,理论温度比实际温度高801K,误差达21.23%.尽管造成此状况的原因很多(如燃烧反应不可能完全绝热),但是其中有一个原因是不能够忽视的,那就是燃烧过程发出了光,光带走了部分能量,这部分能量没有用于升温.因而,燃烧反应发出的光子数量和波长将直接影响到火焰的温度.反之,根据火焰温度可确定燃烧反应发出[2]光子的数量,进而确定燃烧反应的机理.根据燃烧反应的火焰温度,作者曾提出了烃燃烧反应的机理.本文将对甲烷燃烧反应的火焰温度予以探讨,以期进一步明确烃燃烧反应机理,为瓦斯爆炸控制及能源的合理利用提供理论依据.1燃烧反应的反应焓$H与光子数量、波长之间的关系
4、能量有功和热两种方式.热是以无序形式传递的能量,功是以有序形式传递的能量.功有体积功W和非体积功W′两种.光是有序的能量,显然光是一种非体积功,也就是说燃烧过程中体系以光的形式对环境作非体积功,非体积功的大小也就是光[2～6]子的能量(规定体系对环境作功为正值).假设某燃烧反应发出nmol光子,那么体系作的非体积功W′为W′=nEm=nNhcöK=0.1196nöK-1),23-1-34式中Em为每摩尔光子的能量(J·molN为阿伏加德罗常数(6.022×10mol),h为普朗克常数(6.626×10J·s),c8-1),为光速(2.998×10m·sK为波长
5、(m).根据热力学第一定律$U=U2-U1=Q-W-W′(1)燃烧反应通常是在恒压条件下进行的,因而W=P(V2-V1)(2)由于燃烧反应可近似地看成绝热反应,因而Q=0(3)将(2)、(3)式代入(1)式得X收稿日期:2003205230;修回日期:2003209218作者简介:高志崇(19662),女,山东招远人,副教授,研究方向:燃烧反应、光化反应.高志崇:甲烷燃烧反应的火焰温度33(U2+PV2)-(U1+PV1)=-W′根据焓的定义H=U+PV因而$H=H2-H1=-W′=-0.1196nöK(4)由(4)式可以看出,燃烧反应的焓变即为体系对环境作的
6、非体积功的负值.作者利用(4)式计算的氢气、一氧化碳、碳、丙烷及乙[2,3]炔在氧气中燃烧反应的火焰温度与实际温度非常接近,本文将再次利用该公式计算甲烷燃烧反应的火焰温度,进一步推测烃燃烧反应机理.2甲烷燃烧反应机理由于烃在高温下可以裂解形成碳和氢气,因而作者根据氢气、碳、丙烷及乙炔燃烧反应的火焰温度提出了烃燃烧反应机[2]理,该机理为:(1)O2hM2O·(2)CpH2qpC+qH2(3)H2+O·H2O+hM(4)C+O·CO+hM(5)2CO+O22CO2根据该机理,甲烷燃烧反应的方程式为:CH4+2O2CO2+2H2O(g)+1.5hM由方程式可以看出
7、,每摩尔甲烷燃烧发出1.5mol光子.3甲烷燃烧反应的火焰温度3.1甲烷燃烧反应的反应焓$H与温度T之间的关系为方便计算起见,现将某些物质的热力学性质列于表1.[1]表1某些物质的热力学性质C-1·mol-1=a+bTop·mJ·K$fHm(298K)物质3-1ab×10kJ·molCH4⋯⋯-74.848O236.1620.8450H2O(g)30.0010.71-241.827CO244.149.04-393.514注:为避免解三次方程,取Cp·m=a+bT予以计算.假设本文计算的所有气体均为理想气体,甲烷燃烧反应的火焰温度为TK.由于焓为状态函数,因而可
8、设计途径如下图式:由所示途径可知:o(
