Горение с точки зрения молекулярной теории

скачать «Энергия топлива. Удельная теплота сгорания»

Тема: Энергия топлива. Удельная теплота сгорания

Тип урока: комбинированный

Дидактическая цель: создать условия для активизации познавательной

деятельности с помощью информационно-коммуникационной технологии

обучения и активизации обучения.

Выяснить сущность процесса горения с точки зрения молекулярной теории, физическую сущность удельной теплоты сгорания топлива, применения данного явления в народном хозяйстве.

Содействие развитию мышления учащихся, навыков решения задач по применению формулы ;

развивать способность учащихся логического мышления для решения познавательных задач, развивать способности учащихся выдвигать гипотезы, аргументировать их, грамотно выражать свои мысли вслух.
Воспитательная:

В целях воспитания бережного отношения к природе, рассмотреть вопросы экологии, связанные с процессом сгорания топлива;

Методы обучения: репродуктивный, наглядно – иллюстративный, частично

Методы познания: наблюдение, сравнение, обобщение, анализ

Формы организации учебной деятельности: фронтальная, групповая,

Оборудование:

Коллекция топлива.
Весы, мензурка
Мультимедийный проектор.
Компьютер
Тестовые задания по теме

Ход урока:

Организационный момент (проверка наличия необходимых для проведения урока учебных принадлежностей, оборудования, знакомство с целью урока, задание на дом §10 ,упр.5 (2,3) ) (2 мин.)

Актуализация знаний (фронтальный опрос) (3 мин.)

Какие виды энергии вы знаете? (механическая и внутренняя0
Что называется внутренней энергией? (кинетическая энергия частиц, из которых состоит тело и потенциальная энергия их взаимодействия)
Какими способами можно изменить внутреннюю энергию? (совершение работы и теплопередача)
О каком способе изменения внутренней энергии мы говорили? (теплопередача)
Как можно рассчитать изменение внутренней энергии при теплопередаче? (
Определите какое количество теплоты нужно затратить, чтобы нагреть 20 кг воды на 40 0 С (4200)

Изучение нового материала (эвристическая беседа) (13 мин)

Учитель: Главная задача, стоящая перед человечеством – научиться использовать внутреннюю энергию различных видов топлива. Внутреннюю энергию частично можно использовать не только в процессе теплопередачи, но и в процессе горения топлива. Человек использует топливо именно для того, чтобы потреблять выделяемую энергию. Процесс горения топлива человечество использует в разных областях деятельности. В каких?

Обучающиеся:

тепловые двигатели (сгорание топлива);
тепловые электростанции (сгорание топлива и выработка электроэнергии);
обогрев жилища, приготовление пищи и др.
в промышленности (работа доменных печей) и т.д.

Учитель: А какие виды топлива вы знаете?

Обучающиеся называют виды топлива.

На экране показаны виды топлива ( стр1, приложение) , обучающиеся рассматривают коллекцию топлива.

Уголь, дрова, солома, торф, горючие сланцы

Нефть, бензин, керосин, спирт
Газообразное

Природный газ, бутан, пропан

Учитель: Давайте составим схему «Виды топлива».(на доске)

Учитель: Каковы внешние признаки горения?

Обучающиеся: Пламя, свет, тепло.

Учитель: Давайте попытаемся выяснить, почему в результате сгорания топлива выделяется энергия? Для этого нужно вспомнить строение вещества. Из чего состоит вещество?

Обучающиеся: Все вещества состоят из молекул, между которыми есть промежутки.

Учитель: Почему не распадаются вещества на отдельные атомы, несмотря на то, что есть промежутки?

Обучающиеся: Между молекулами существует притяжение

Учитель: Верно. И чтобы преодолеть это притяжение, нужно затратить энергию. Например, молекула воды Н₂О состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, чтобы разделить её на атомы надо преодолеть силы притяжения между атомами, т.е. совершить работу, другими словами затратить некоторую энергию. При сжигании топлива происходит обратный процесс, процесс образования молекул из атомов, значит, энергия должна выделятся. В состав любого вида топлива входит углерод С. При сгорании углерода происходит реакция окисления, в результате чего образуется углекислый газ СО₂ и выделяется энергия.

На доске и в тетрадях запись реакции: С+О₂=СО₂+Q . На экране анимация (стр2, приложение)

Учитель: Использование топлива основано как раз на явлении выделения энергии при соединении атомов. Все виды топлива обладают внутренней энергией, которая в них накапливалась многие годы под воздействием солнечного излучения. Важно уметь рассчитывать энергию, которая выделяется при сгорании. Как определить, какое количество теплоты выделяется при сгорании топлива? Для этого в лабораторных условиях нужно определить, какое количество теплоты выделяется при сгорании 1 кг любого топлива. Эту величину называют удельной теплотой сгорания топлива, и обозначают q. (стр.3, 4 приложение)

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.

,( См. таблицу 2 стр. 26)

Учитель: Что значит, что у сухих дров ?

Обучающиеся: Это значит, что при сгорании 1 кг дров выделяется энергии, т. е. q.

Работа с таблицей (фронтальный опрос)

Учитель: При сгорании какого топлива выделяется больше всего энергии?

Учитель: Верно. Водород самое экономичное топливо, при его сгорании не выделяются ядовитые вещества. Японская автономная фирма “Мазда” в первой половине 1990 г. сконструировала и испытала первый в мире автомобиль с водородным двигателем. Он может преодолевать без дозаправки 230 км и развивать скорость до 170 км/час. Он снабжен роторным двигателем мощностью в 300 л.с. В 1996 году немецкий автомобильный концерн “Даймлер – Бенц” выпустил автомобиль на водородных топливных элементах.

Учитель: А при сгорании m кг, например, дров, сколько выделится энергии?

Обучающиеся:

Учитель: Схема для запоминания расчета количества теплоты:

4. Физкультминутка (1мин)

Закрепление изученного материала (7 мин.)

Самостоятельная работа

Для обучающихся 1 группы упр5(1)

Для обучающихся 2 группы. Пользуясь таблицей 2 стр.26, придумать 2 задачи и решить их (у доски 2 обучающихся)

Работа в группах по 2 человека (8 мин)

Каждой группе даётся практическое задание.

1группе даётся кусок угля. Нужно рассчитать количество теплоты, которое выделится при его сгорании.

2группе даётся деревянный брусок. Нужно рассчитать количество теплоты, которое выделится при его сгорании.

3 группе даётся спирт неизвестного объёма. Нужно рассчитать количество теплоты, которое выделится при его сгорании.

Обучающиеся выдвигают гипотезы, что нужно знать, чтобы выполнить задание, обсуждаюся предложения, приходят к общему решению. (найти массу с помощью весов для твердого топлива. Найти объём с помощью мензурки и рассчитать массу по формуле m=ρ·ν, затем, зная q, рассчитать количество теплоты )

Учитель: Итак, ребята, казалось бы, мы с вами рассмотрели все вопросы, связанные со сгоранием топлива. Но мы не можем поставить на этом точку. Потому что, говоря о сгорании топлива, нельзя не сказать о проблемах, которые встают перед человечеством в этой связи. О каких проблемах идет речь? Конечно же, о проблемах экологии, охраны окружающей среды.

Сообщение обучающегося (4 мин)

Ежегодно при сгорании топлива в воздух попадают сотни миллионов тонн различных вредных веществ: сажа, оксиды углерода, азота, серы… Вы можете сказать, что углекислый газ полезен, потому что растения поглощают его из окружающей среды и в процессе фотосинтеза выделяют кислород. Это действительно так. Но только в умеренных количествах. За последние 30 лет количество углекислого газа повысилось на 15-20%.
К 2020 г содержание углекислого газа должно еще удвоиться. Углекислый газ препятствует естественному охлаждению Земли, что приводит к повышению средней температуры на 2-3 °С. Это может привести к бурному таянию льдов и повышению уровня Мирового океана на 50-70м. Увеличение содержания углекислого газа губительно сказывается на всем живом, в том числе на человеке, вызывая различные болезни. Сегодня ученые связывают увеличение в воздухе содержания углекислого газа с проблемой алкоголизации населения. Проводились следующие опыты над крысами: в одну чашку наливали воду, а в другую спирт. В атмосфере кислорода крысы не притрагивались к спирту, в атмосфере же углекислого газа крысы пили спирт как воду. Какой же вывод из этой ситуации?

o Очистка воздуха, установка фильтров

o Беречь лес, увеличивать лесные массивы

Полезные ископаемые исчерпаемы, поэтому их надо беречь. Знание законов физики, физических явлений позволяет выяснить причины потери топлива.

Потеря топлива происходит, если:

Цистерна имеет негерметичные швы (в результате испарения теряется 2-10 кг. горючего за рейс).
Бензин заливают в резервуар открытой струёй (свытесняемого воздуха улетучивается 2-3 кг топлива).
При вытекании одной капли в секунду, потери топлива составляют более 4 кг в сутки.
Наземное размещение резервуаров (нужно под землей, так как нет колебаний температуры воздуха и потоков).
Резервуар не окрашен в светлый цвет (потери составляют 1 % годовой потери).
Двигатель работает вхолостую (например, трактор – потеря ? 2кг за 1-2 часа).
Если для заправки автомобиля используется ведро, то в год потери составляют ? 200 кг.
Радиатор машины имеет накипь толщиной более 1 мм (7-8% от общей потери).

Растения ежегодно производят 300 000 000 000 т кислорода. А при старте одной лишь ракеты сжигается в качестве топлива от 100 т до 1000 т жидкого кислорода.

Сейчас энергия топлива используется так широко и разнообразно, а иногда и бестолково, что ощущается острая нехватка угля, бензина, нефти, газа. Все меньше и меньше становятся запасы топлива, все труднее и дороже обходится их добыча. На первое место выходит вопрос о рациональном использовании «черного золота». Что это такое? Конечно же уголь. Ведь по самым оптимистичным прогнозам разведанных запасов хватит лишь на 500 лет.

После изучения этой главы студент должен:

• механизм процесса горения с позиции молекулярно-кинетической теории газов;
• цепной и тепловой механизмы самовоспламенения;
• сущность механизма самовоспламенения гетерогенных смесей;
• принципиальные различия механизмов самовоспламенения и целенаправленного зажигания горючих смесей;

• определять предельные температурные и концентрационные условия самовоспламенения и зажигания;

• анализом по влиянию ряда факторов: мощности источника зажигания, давления, природы горючего вещества, скорости потока смеси, площади нагретой поверхности, концентрации флегматизатора и его природы — на температурные и концентрационные пределы зажигания.

Описание процессов горения с позиции молекулярно-кинетической теории газов

С точки зрения молекулярно-кинетической теории строения материи химические реакции между двумя компонентами, находящимися в газовой фазе, следует рассматривать как взаимодействие молекул реагирующих газов, например взаимодействие молекул горючего — это может быть водород Н₂ — с молекулами окислителя 0₂. Известно, что межмолекулярное взаимодействие, т.е. взаимное притяжение и отталкивание молекул, находящихся в непрерывном хаотическом тепловом движении, возможно только при почти полном их сближении, которое можно рассматривать как соударение. Без соударения молекул невозможно какое- либо их взаимодействие, а тем более химическая реакция, связанная с разрывом существующих в молекуле связей между атомами, их перераспределением и т.д. Следовательно, химической реакции взаимодействия горючего с окислителем должны предшествовать процесс смешения горючего с окислителем и физический акт сближения молекул горючего и окислителя, рассматриваемый как упругое соударение молекул.

Исследования показывают, что в смеси водорода с кислородом 2Н₂+ 0₂, находящейся при комнатной температуре и атмосферном давлении, число соударений молекул Н₂ и 0₂ за 1 с в 1 см 3 составляет Z = 8,3 • 10 28 см -3 • с -1 . Если бы все соударения были эффективны, т.е. приводили к химическому взаимодействию, то вся смесь прореагировала бы за малое время (примерно 1 • 10 7 с), так как в этом объеме число молекул водорода равно 1,7 • 10 19 .

Молекулы, обладающие необходимым запасом энергии, достаточным для разрыва или ослабления существующих связей, называют активными молекулами или активными центрами химических реакций. Разность между средним уровнем запаса энергии молекулы в активном (возбужденном состоянии) и средним уровнем энергии молекулы, находящейся в «нормальном», т.е. неактивном, невозбужденном состоянии, называется энергией активации ?_акт. Чем выше значение ?_акт, тем труднее заставить молекулы разных компонентов вступить в химическую реакцию. Поэтому величина энергии активации является косвенным показателем степени пожарной опасности данного вещества. Прочность химических связей находится в пределах сотен килоджоулей на моль (400—700 кДж/моль), а энергия (средняя) теплового движения молекул — в пределах единиц килоджоулей на моль (RT « 2,5 кДж/моль). Получается, что разрушения существующих связей не должно происходить. Однако химические реакции протекают, и с повышением температуры скорость их возрастает но экспоненциальному закону. Это свидетельствует о том, что в реакционной смеси имеются частицы с достаточно высокими энергиями (Е > ?_акт). Они могут образоваться в результате взаимодействия частиц, при котором происходит обмен энергией. Поскольку частиц в единице объема много, то существует вероятность того, что большое число частиц передает энергию какой-нибудь одной. Таким образом, смеси состоят из частиц с разной энергией (рис. 1.1).

Согласно законам статистической физики (в частности, в соответствии с законом Больцмана) доля молекул, име-

Рис. 1.1. Закон распределения частей энергии Максвелла — Больцмана: N — концентрация частиц

е RT будет мало (примерно 10 -33 ), особенно при достаточно большом значении ?_акт (примерно 100— 200 кДж/моль), как это наблюдается для реакции горения. Поэтому и химической реакции не происходит. При повышении температуры доля активных молекул существенно возрастает: при нагревании до 500 К — в 10 14 раз, а при нагревании от 500 до 1000 К — более чем в 1 млрд раз.

Время полного реагирования водорода с кислородом при температуре Т

1000 К составляет примерно 1 с, так как число атомов водорода в 1 см 3 равно 1 • 10 19 . Если два вещества-реагента, например горючее и окислитель (условно А и Б), вступают в реакцию, в результате которой образуются два новых вещества — продукты горения (условно М и 11) и возникает какой-то тепловой эффект ±Q, то можно записать: А + Б = М + Н ± Q.

В этом уравнении знак перед Q означает: (+) — экзотермическую или (-) — эндотермическую реакции. Как известно, реакции горения, как правило, экзотермичны. Если концентрация реагентов и продуктов горения соответственно равны C_A, С_Б, С_м, С_н, то скорость химических реакций можно выразить через скорость превращения исходных компонентов смеси или, наоборот, через скорость возникновения новых веществ — продуктов реакции. Если изменение концентрации С того или иного вещества в рассматриваемом объеме происходит только в результате химической реакции, то ее скорость определяется по формуле

Используя концентрацию исчезающих реагентов (горючего и окислителя), скорость реакции можно записать (IС cl С

в виде W = ——— =—а используя концентрацию обра-

зующихся веществ (которая возрастает) — в виде dC_H

= —7^. 1ак как реакции горения «обратимы» только в тео- а х

рии и при пожаре образуются продукты горения и выделяется тепло, количество которого определяется количеством прореагировавших веществ, то скорость реакции является одновременно и показателем скорости тепловыделения при горении:

Скорость протекания химических реакций горения зависит от температуры, вида реагентов, концентрационного состава смеси и давления.

Реакции горения практически можно считать необратимыми в реальных условиях. Обратимая реакция диссоциации может протекать только при очень высоких температурах. Существует несколько типов необратимых реакций. Отличаются они порядком, под которым понимают число молекул, сталкивающихся между собой одновременно в одной точке пространства.

• Первый вид необратимых реакций — мономолекуляр- ные А = М + Н +. или реакции первого порядка. К ним относятся реакции разложения, когда сложная молекула вещества А распадается на две молекулы М и Н (или более). Например, так идет реакция разложения озона 0₃ или распад ацетилена С₂Н₂.
• Второй вид необратимых реакций — бимолекулярные А + Б = М + Н + . или реакции второю порядка, которые происходят лишь при соударении двух различных молекул А и Б, например реакция окисления водорода Н₂ + 0₂.
• Третий вид — тримолекулярные реакции А + Б + Ф = = М + Н + . или реакции третьего порядка, т.е. такие реакции, которые протекают лишь при одновременном соударении трех молекул. Реакции более высокого порядка считаются невероятными, так как согласно молекулярно- кинетической теории газов одновременное соударение четырех молекул определенного вида считается маловероятным.

Используя основной закон химии — закон действующих масс, кинетические уравнения, характеризующие скорость течения реакции, можно записать в виде:

Зависимость скорости химической реакции от концентрации и температуры может быть записана в виде

где С_А, С_Б — концентрации реагентов; а, b — показатели порядка реакции.

Скорости химических реакций и самого процесса горения зависят от кинетики химических реакций, поэтому сам процесс горения называется кинетическим.

Скорость протекания химической реакции зависит не только от температуры, но и от давления в зоне реакции и состава смеси. Работников пожарной охраны интересуют, как правило, процессы горения, происходящие при нормальном атмосферном давлении. Однако необходимо заметить, что в физике горения установлено, что скорость химических реакций пропорциональна давлению в степени порядка реакции.

Процесс горения с позиций молекулярно-кинетической теории газов

Окислительно-восстановительный процесс, лежащий в основе горения, описывает его только с качественной стороны. Количественный подход требует более глубокого понимания его физической сущности.

Более строгое представление о процессах воспламенения, распространения пламени и многих других явлениях при горении можно получить при рассмотрении этих сложных процессов с позиций молекулярно-кинетической теории (МКТ) газов.

С точки зрения МКТ газов химическую реакцию между двумя компонентами, находящимися в газовой фазе, следует рассматривать как взаимодействие молекул реагирующих газов (например, Н2 и О2).

Известно, что молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении, и силы молекулярного взаимодействия проявляются лишь при очень малых расстояниях между ними, а с увеличением расстояния — резко убывают.

Взаимодействие между молекулами горючего и окислителя возможно только при полном их сближении, которое можно рассматривать как соударение молекул. Без соударения молекул невозможно какое-либо их взаимодействие, а тем более столь сильное, как химическая реакция, связанная с разрывом существующих в молекуле связей между атомами, перераспределением атомов и т.д.

В элементарной кинетической теории газов взаимодействие движущихся молекул рассматривается как упругое соударение молекул. Зная плотность газа, можно рассчитать число молекул того или иного газа в 1 см3 (3х1019 1/см3). Также можно подсчитать среднюю скорость движения молекул (1,5х103 м/с) и число соударений между молекулами горючего и окислителя.

Расчеты показывают, что для смеси стехиометрического состава (2Н2 + О2), находящейся при комнатной температуре (t = 15°С) и атмосферном давлении, число соударений молекул Н2 и О2 за 1 с в 1 см3 достигает величины 8,3х1028 1/(см3хс). Если бы все эти соударения были эффективными, т.е. приводили к химическому взаимодействию, то вся смесь прореагировала бы за очень малое время.

Однако в этих условиях реакция горения полностью отсутствует, т.е. все эти соударения не приводят к химической реакции. Это значит, что число эффективных соударений молекул при этих условиях очень мало. Молекулы, которые при соударении способны вступить в реакцию, должны находиться в «возбужденном» состоянии. Например, это происходит, когда в результате медленного нагревания газа молекулы приобретают кинетическую энергию выше критического значения. В целом, возбуждение молекул может быть химическим и физическим.

При нагревании газовой горючей смеси в ней увеличивается избыточная энергия.

Разность между средним уровнем запаса энергии молекул в активном состоянии и средним уровнем энергии остальной массы молекул, находящихся в «нормальном», т.е. неактивном, невозбужденном состоянии, называется энергией активации. Это можно представить графически (рис.).

Рис. Энергетическая диаграмма хода реакции.

Г.В. + О. → П.Г.; Еакт – энергия активации; Qх.р – тепловой эффект реакции горения

Энергия, выделившаяся в результате взаимодействия «первых» прореагировавших молекул передается соседним молекулам. Они возбуждаются, процесс повторяется вокруг прореагировавших молекул с большой частотой и интенсивностью. Начинается самоподдерживающийся, самоускоряющийся на всю реакционную смесь (2Н2 + О2) процесс химического взаимодействия, сопровождающийся образованием молекул воды и выделением в окружающую среду тепла и сопровождающийся свечением, т.е. возникает и распространяется процесс горения.

Чем выше численное значение Еакт, тем труднее заставить данную пару компонентов вступить в химическое взаимодействие. Поэтому величина Еакт является косвенным показателем степени пожарной опасности данной химической системы.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

ГОРЕНИЕ КАК ФИЗИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Некоторые основные определения

Количество атомов и молекул удобно выражать в терминах количества вещества либо количества молей вещества. Один моль вещества соответствует 6,023∙10 23 частиц (атомов и молекул). Число N_А = 6,023 ∙10 23 моль -1 носит название числа Авогадро. Мольная доля х_iкомпонента i представляет собой отношение числа молей n_i компонента i к полному числу молей n =∑ n_i смеси (х_i = n_i /n ).

Масса m является фундаментальным свойством вещества (единица измерения в системе СИ — килограмм). Массовая доля Wi — это отношение массы m_i компонента i к полной массе смеси m = ∑m_i (Wi = m_i /m).

Молекулярная масса (или молекулярный вес) M_i(г/моль) компонента I — это масса одного моля данного компонента. Так, для атомарного углерода, молекулярного водорода, кислорода и метана имеем: M_c = 12 г/моль, Мн₂ = 2 г/моль, Мо₂ = 32 г/моль, Мсн₄ = 16 г/моль. Средняя молярная масса смеси M (г/моль) может быть выражена через мольные доли компонентов (М = ∑x_iM_i).

Определение процессов горения

Горение – это сложный физико-химический процесс, при котором горючие вещества и материалы под воздействием высоких температур вступают в химическое взаимодействие с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в продукты горения, и который сопровождается интенсивным выделением тепла и световым излучением.

Условия, необходимые для возникновения процесса горения:

— наличие горючего вещества (Г.В.);

— наличие окислителя (О.) — кислорода воздуха;

— наличие источника зажигания (И.З.).

— горючее вещество должно быть нагрето до определенной температуры, при которой начнется процесс окисления;

— чтобы нагреть горючее вещество до определенной температуры, необходима определенная мощность источника зажигания;

— чтобы поддерживать процесс горения, необходимы определенные концентрации горючего и окислителя.

Важнейшие процессы при горении — тепло- и массоперенос. Наиболее общее свойство горения — это возникновение пламени и перемещение его по всей горючей смеси путем передачи тепла или диффузии активных частиц из зоны горения в свежую горючую смесь.

Пламя — это видимое проявление горения. Его называют также зоной горения. Это та часть пространства, где происходит превращение горючей смеси в продукты полного и неполного сгорания.

Главными параметрами процесса горения, приводящими к гибели людей и наносящими материальный ущерб, являются:

— большое количество тепла;

— токсичный состав продуктов горения.

Процесс горения с позиций молекулярно-кинетической теории газов

Рис. 2.1. Доля активных молекул в зависимости от температуры: Т₂>Т₁

При нагревании газовой горючей смеси в ней увеличивается избыточная энергия.

Разность между средним уровнем запаса энергии молекул в активном состоянии и средним уровнем неактивном состоянии, называется энергией активации. Это можно представить графически (рис. 2).

Рис. 2.2. Энергетическая диаграмма хода реакции Г.В. + О. ® П.Г.: Е_акт – энергия активации; Q_х.р – тепловой эффект реакции горения

Энергия, выделившаяся в результате взаимодействия «первых» прореагировавших молекул передается соседним молекулам. Они возбуждаются, процесс повторяется вокруг прореагировавших молекул с большой частотой и интенсивностью. Начинается самоподдерживающийся, самоускоряющийся на всю реакционную смесь (2Н₂ + О₂) процесс химического взаимодействия, сопровождающийся образованием молекул воды и выделением в окружающую среду тепла и сопровождающийся свечением, т.е. возникает и распространяется процесс горения.

Чем выше численное значение Е_акт, тем труднее заставить данную пару компонентов вступить в химическое взаимодействие. Поэтому величина Е_акт является косвенным показателем степени пожарной опасности данной химической системы.

Виды и режимы горения

Горение можно классифицировать по следующим параметрам:

1. По условию смесеобразования горючих компонентов:

а) кинетическое – горение предварительно перемешанных газо- или паровоздушных смесей. Так как смесь горючего и окислителя готова к горению до момента ее воспламенения, то суммарная скорость процесса горения зависит только от скорости химической реакции горения. Если такое горение будет происходить в замкнутом или ограниченном объеме, то тогда может произойти взрыв. Так как энергия, выделяющаяся при сгорании смеси, не успевает отводиться за пределы данного объема, за счет увеличения давления возможно разрушение конструкций;

б) диффузионное, диффузионным горением называется горение, когда образование горючей среды (смешение горючего и окислителя) происходит перед зоной горения или в зоне горения.

2. По интенсивности поступления горючих компонентов в зону химической реакции:

а) ламинарное, при этом компоненты горючей смеси поступают в зону горения сравнительно спокойно. При этом численное значение критерия Рейнольдса, который характеризует термодинамический режим, будет значительно меньше критического (Re

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

ТЕОРИИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

Химической реакции взаимодействия горючего с окислителем должны предшествовать процесс смешения горючего с окислителем и физический акт сближения молекул горючего и окислителя, рассматриваемый как упругое соударение молекул.

В смеси водорода с кислородом 2Н₂ + ₂, находящейся при комнатной температуре и атмосферном давлении, число соударений

молекул Н₂ и ₂ за 1 с в 1 см3 составляет 2=8,3 • 10 28 см “ 3 • с » 1 .

Чем выше значение Е_акт, тем труднее заставить молекулы разных компонентов вступить в химическую реакцию.

Прочность химических связей — 400.. .700 кДж/моль.

Энергия (средняя) теплового движения молекул — в пределах единиц килоджоулей на моль (ЯТ

2,5 кДж/моль). Получается, что разрушения существующих связей не должно происходить.

Реакции идут. Причина — в реакционной смеси имеются частицы с достаточно высокими энергиями (Е > Е_акг). Они могут образоваться в результате взаимодействия частиц, когда большое число частиц передает энергию какой-нибудь одной.

Таким образом, смеси состоят из частиц с разной энергией (рис. 7).Согласно законам статистической физики (в частности, в соответствии с законом Больцмана) доля молекул, имеющих энергию,

близкую к Е_акт, равна

Распределение энергии между хаотически движущимися молекулами подчиняется статистическому закону Максвелла — Больцмана распределения скоростей молекул в газе.

Рисунок 7 — Закон распределения частей энергии Максвелла — Больцмана (ТУ — концентрация частиц)

При комнатной температуре доля возбужденных молекул ничтожно мала, то число эффективных соударений будет мало (примерно 10″ 33 ), особенно при достаточно большом значении Е_акг (примерно 100. 200 кДж/моль), как это наблюдается для реакции горения. Поэтому и химической реакции не происходит.

При повышении температуры доля активных молекул существенно возрастает: при нагревании до 500 К — в 10 14 раз, а при нагревании от 500 до 1000 К — более чем в 1 млрд. раз.

Если два вещества-реагента, например горючее и окислитель (условно Ап Б), вступают в реакцию, в результате которой образуются два новых вещества — продукты горения (условно МиЯ)и возникает какой-то тепловой эффект ±0, то можно записать:

В этом уравнении знак перед 2 означает: (+) — экзотермическую или ( — ) — эндотермическую реакции. Как известно, реакции горения, как правило, экзотермичны.

Если изменение концентрации С того или иного вещества в рассматриваемом объеме происходит только в результате химической реакции, то ее скорость определяется по формуле

Так как в результате горения образуются продукты горения и выделяется тепло, количество которого определяется количеством прореагировавших веществ, то скорость реакции является одновременно и показателем скорости тепловыделения при горении:

Коэффициент пропорциональности к является функцией температуры газа и описывается соотношением Аррениуса

Тогда зависимость скорости химической реакции от концентрации и температуры может быть записана в виде аА + ЬБ —тМ + 1Ф,

где С_А, С_Б — концентрации реагентов; а, Ь — показатели порядка реакции, ко — константа.

Теория горения

Во второй половине XVIII века химия была на подъеме — открытия сыпались за открытиями. В это время выдвигается ряд блестящих экспериментаторов — Пристли, Блэк, Шееле, Кавендиш и другие. В работах Блэка, Кавендиша и в особенности Пристли ученым открывается новый мир — область газов, дотоле совершенно неведомая. Приемы исследования постоянно совершенствуются. Блэк, Кронштедт, Бергман и другие разрабатывают качественный анализ. В результате этого удалось открыть массы новых элементов и соединений.

На рубеже XVII и XVIII веков немецкий химик Георг Эрнст Сталь (1659-1734) предложил так называемую теорию флогистона — по существу, первую химическую теорию. Хотя она и оказалась ошибочной, но позволила систематизировать процессы горения и обжига (кальцинации) металлов, объяснив эти процессы с единой точки зрения. Сталь считал, что различные вещества и металлы содержат в своем составе особое «начало горючести» — флогистон. При прокаливании металлы теряли флогистон, превращаясь в оксиды, т. е. процессы окисления заключались в потере окислявшимися веществами флогистона. Напротив, в ходе процессов восстановления оксиды приобретали флогистон, вновь становясь металлами. Критика учения о флогистоне во многом способствовала развитию химического мышления.

Однако основные явления химии — процессы горения и окисления вообще, состав воздуха, роль кислорода, строение главных групп химических соединений (окислов, кислот, солей и прочего) — не были еще объяснены. Напротив, факты накапливались, а идеи запутывались. Довольно благовидное в изложении Сталя учение о флогистоне превращается у его последователей в какую-то фантасмагорию: это уже не одна теория, это — десятки теорий, запутанных, противоречивых, изменяющихся у каждого автора.

В середине XVIII века на авансцену вышла так называемая пневматическая химия, изучавшая газы с химической точки зрения. Одним из выдающихся ее достижений стало открытие кислорода. Понимание его природы как самостоятельного газообразного химического элемента позволило французу Антуану Лавуазье развенчать концепцию флогистона и сформулировать кислородную теорию горения. Вместе с крупными достижениями химического анализа это событие положило начало первой химической революции.

Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794) родился в семье адвоката 28 августа 1743 года. Первоначальное образование он получил в коллеже Мазарини. Антуан учился отлично. По выходе из коллежа он поступил на факультет права. В 1763-м Антуан получил степень бакалавра, в следующем году — лиценциата прав.

Но юридические науки не могли удовлетворить его безграничной и ненасытной любознательности. Не оставляя своих занятий правом, он изучал математику и астрономию у Лакайля, очень известного в то время астронома, имевшего небольшую обсерваторию в коллеже Мазарини; ботанику — у великого Бернара Жюсье, с которым вместе составлял гербарии; минералогию — у Гэтара, составившего первую минералогическую карту Франции; химию — у Руэля.

Первые работы Лавуазье были сделаны под влиянием его учителя и друга Гэтара. Гэтар предпринял ряд экскурсий; Лавуазье был его сотрудником в течение трех лет, начиная с 1763 года. Плодом этой экскурсии явилась его первая работа — «Исследование различных родов гипса».

После пяти лет сотрудничества с Гэтаром, в 1768 году, когда Лавуазье исполнилось 25 лет, он был избран членом Академии наук.

В жизни Лавуазье придерживался строгого порядка. Он положил себе за правило заниматься наукой шесть часов в день: от шести до девяти утра и от семи до десяти вечера. Остальная часть дня распределялась между занятиями по откупу, академическими делами, работой в различных комиссиях и так далее.

Один день в неделю посвящался исключительно науке. С утра Лавуазье запирался в лаборатории со своими сотрудниками; тут они повторяли опыты, обсуждали химические вопросы, спорили о новой системе. Здесь можно было видеть славнейших ученых того времени — Лапласа, Монжа, Лагранжа, Гитона Морво, Маккера.

Лаборатория Лавуазье сделалась центром тогдашней науки. Он тратил огромные суммы на приобретение и монтирование приборов, представляя в этом отношении совершенную противоположность некоторым из своих современников.

В то время еще только предстояло найти основной закон химии, руководящее правило химических исследований; создать метод исследования, вытекавший из этого основного закона; объяснить главные разряды химических явлений и, наконец, развенчать существовавшие фантастические теории.

Эту задачу взял на себя и исполнил Лавуазье. Для выполнения ее недостаточно было экспериментального таланта. К золотым рукам требовалось присоединить золотую же голову. Такое счастливое соединение представлял Лавуазье.

В научной деятельности Лавуазье поражает ее строго логический ход. Сначала он вырабатывает метод исследований. Потом ученый ставит опыт. Так, в течение 101 дня перегонял воду в замкнутом аппарате. Вода испарялась, охлаждалась, возвращалась в приемник, снова испарялась и так далее. В результате получилось значительное количество осадка. Откуда он взялся?

Общий вес аппарата по окончании опыта не изменился: значит, никакого вещества извне не присоединилось. В ходе этой работы Лавуазье убеждается во всесильности своего метода — метода количественного исследования.

Овладев в совершенстве методом, Лавуазье приступает к своей главной задаче. Работы его, создавшие современную химию, охватывают период времени с 1772 по 1789 год. Исходным пунктом его исследований послужил факт увеличения веса тел при горении. В 1772 году он представил в академию коротенькую записку, в которой сообщал о результате своих опытов, показавших, что при сгорании серы и фосфора они увеличиваются в весе за счет воздуха, иными словами, соединяются с частью воздуха.

Этот факт — основное, капитальное открытие явления, послужившее ключом к объяснению всех остальных. Никто этого не понимал, да и современному читателю может с первого взгляда показаться, что речь здесь о единичном неважном явлении. Но это неверно. Объяснить факт горения значило объяснить целый мир явлений окисления, происходящих всегда и всюду в воздухе, земле, организмах — во всей мертвой и живой природе, в бесчисленных вариациях и разнообразнейших формах.

Около шестидесяти мемуаров было им посвящено уяснению различных вопросов, связанных с этим исходным пунктом. В них новая наука развивается как клубок. Явления горения естественно приводят Лавуазье, с одной стороны, к исследованию состава воздуха, с другой — к изучению остальных форм окисления; к образованию различных окисей и кислот и уяснению их состава; к процессу дыхания, а отсюда — к исследованию органических тел и открытию органического анализа, и т. д.

Ближайшей задачей Лавуазье являлась теория горения и связанный с ней вопрос о составе воздуха. В 1774 году он представил академии мемуар о прокаливании олова, в котором сформулировал и доказал свои взгляды на горение. Олово прокаливалось в замкнутой реторте и превратилось в «землю» (окись). Общий вес остался неизменным — следовательно, увеличение веса олова не могло происходить за счет присоединения «огненной материи», проникающей, как полагал Бойль, сквозь стенки сосуда. Вес металла увеличился. Это увеличение равно весу той части воздуха, которая исчезла при прокаливании. Выходит, металл, превращаясь в землю, соединяется с воздухом. Этим и исчерпывается процесс окисления: никакие флогистоны, «огненные материи» тут не участвуют. В данном объеме воздуха может сгореть только определенное количество металла, причем при этом исчезает определенное количество воздуха. Отсюда вытекает мысль о его сложности: «Как видно, часть воздуха способна, соединяясь с металлами, образовывать земли, другая же — нет; это обстоятельство заставляет меня предполагать, что воздух — не простое вещество, как думали раньше, а состоит из весьма различных веществ».

В следующем, 1775 году Лавуазье представил академии мемуар, в котором состав воздуха был впервые точно выяснен. Воздух состоит из двух газов: «чистого воздуха», способного усиливать горение и дыхание, окислять металлы, и «мефитического воздуха», не обладающего этими свойствами. Названия кислород и азот были даны позднее.

Вникнем вход рассуждений Лавуазье. Металл увеличивается в весе — значит, к нему присоединилось какое-нибудь вещество. Откуда оно взялось? Определяем вес других тел, входивших в реакцию, и видим, что воздух уменьшился в весе настолько же, на сколько увеличился вес металла; стало быть, искомое вещество выделилось из воздуха. Это — метод весового определения. Однако для того чтобы понять его значение, нужно признать, что все химические тела имеют вес, что весомое тело не может превратиться в невесомое, что, наконец, ни единая частица материи не может исчезнуть или возникнуть из ничего.

В том же мемуаре Лавуазье выяснил строение «постоянного воздуха», как называли тогда углекислоту. Если нагревать окись ртути в присутствии угля, то выделяющийся кислород соединяется с углем, образуя «постоянный воздух».

В трактате «О горении вообще» (1777) он подробно развивает свою теорию. Всякое горение есть соединение тела с кислородом; результат его — сложное тело, а именно «металлическая земля» (окисел) или кислота (ангидрид по современной терминологии).

Теория горения повела к объяснению состава различных химических соединений. Уже давно различались окислы, кислоты и соли, но строение их оставалось загадочным. Общий результат их можно сформулировать так: Лавуазье дал первую научную систему химических соединений, установив три главные группы — окислы (соединения металлов с кислородом), кислоты (соединения неметаллических тел с кислородом) и соли (соединения окислов и кислот).

Десять лет прошло со времени первой работы Лавуазье, а он почти вовсе не касался теории флогистона. Он просто обходился без нее. Процессы горения, дыхания, окисления, состав воздуха, углекислоты, множество других соединений объяснились без всяких таинственных принципов совершенно просто и ясно — соединением и разделением реальных весовых тел. Но старая теория еще существовала и влияла на ученых.

В 1783 году Лавуазье напечатал «Размышления о флогистоне». Опираясь на свои открытия, он доказывает полнейшую ненужность теории флогистона. Без нее факты объясняются ясно и просто; с нею начинается бесконечная путаница. «Химики сделали из флогистона туманный принцип, который вовсе не определен точно и, следовательно, пригоден для всевозможных объяснений; иногда это весомый принцип, иногда — невесомый, иногда — свободный огонь, иногда — огонь, соединенный с землею; иногда он проходит сквозь поры сосудов, иногда они непроницаемы для него; он объясняет разом и щелочность и нещелочность, и прозрачность и тусклость, и цвета и отсутствие цветов. Это настоящий Протей, который ежеминутно меняет форму».

«Размышления о флогистоне» были своего рода похоронным маршем по старой теории, так как она давно уже могла считаться погребенной.

Наконец, знание водорода и продукта его окисления дало Лавуазье возможность положить главный камень в основание органической химии. Он определил состав органических тел и создал органический анализ путем сжигания углерода и водорода в определенном количестве кислорода. Как утверждает Н. Меншуткин: «Таким образом, историю органической химии, как и неорганической, приходится начинать с Лавуазье».

Энергия топлива. Удельная теплота сгорания

Разделы: Физика

Цель урока: Раскрыть основные научные положения темы. Обобщить знания учащихся по данной теме во взаимосвязи с природой и жизнедеятельностью человека.

Задачи урока:

углубить знания учащихся о топливе, ввести понятие удельной теплоты сгорания топлива;
выяснить сущность процесса горения с точки зрения молекулярной теории;
сформировать обобщенное, целостное представление полученных знаний об окружающем мире.

воспитать интерес к предмету и окружающему миру;
воспитать у учащихся уважение к природе, науке и друг к другу.

Развить умение логического мышления, полноты и аргументированности высказываний;
усилить коммуникативные свойства речи;
развить способности учащихся систематизировать ранее полученные знания;

Оборудование:

коллекция видов топлива;
таблица «Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива»;
модели молекул углерода и кислорода;
фольга размером 2·2 см — две штуки на парту, картон размером 10·20 см — одна штука на парту, пипетки медицинские, пузырьки со спиртом и бензином, вата, спички.

Учитель: Сообщение темы урока и целей урока.

I. Устный опрос:

Какие виды энергии вы знаете?
Что называется внутренней энергией?
Какими способами можно изменить внутреннюю энергию?
Как можно рассчитать изменение внутренней энергии при теплопередаче?

II. Объяснение новой темы (беседа с учащимися)

Учитель: Внутреннюю энергию частично можно использовать не только в процессе теплопередачи, но и в процессе горения топлива. Что такое топливо?

Учащиеся: Вещество, которое способно гореть и выделять при горении тепло.

Учитель: История развития человечества теснейшим образом связана с получением и использованием энергии. Уже в древнем мире люди использовали тепловую энергию для обогрева жилища, для приготовления еды, при изготовлении из меди, бронзы, железа и других металлов предметов быта, инструментов. Эту энергию получали при сжигании топлива.

Учитель: Какие виды топлива вы знаете?

Учащиеся: Торф, уголь, бензин, дрова и т. д.

Учитель: С древнейших времен были известны древесина и торф, дающие при сжигании большое количество теплоты. Сейчас формулировка «топливо» включает все вещества, которые дают при сжигании большое количество теплоты, широко распространенные в природе или добываемые промышленным способом. К топливу относятся нефть и нефтепродукты (керосин, бензин, мазут, дизельное топливо), уголь, природный горючий газ, растительные отходы (солома, лузга и т.п.), горючие сланцы, а в настоящее время и вещества, используемые в ядерных реакторах на АЭС и ракетных двигателях.

Классификацию топлива можно провести по его агрегатному состоянию и по его происхождению. По агрегатному состоянию топливо может быть и твердым (уголь, торф, древесина, сланцы), и жидким (нефть и нефтепродукты), и газообразным (природный газ). По происхождению топливо делится на природное (древесина, солома, торф, бурый и каменный уголь, антрацит, горючие сланцы, нефть, природный газ) и искусственное (кокс, торфяные брикеты, моторные топлива и др). Рассмотрим различные виды топлива из коллекции.

Давайте попытаемся выяснить, почему в результате сгорания топлива выделяется энергия? Для этого нужно вспомнить строение вещества. Из чего состоит вещество?

Учащиеся: Все вещества состоят из молекул, которые состоят из атомов, между которыми есть промежутки.

Учитель: Почему не распадаются вещества на отдельные атомы, несмотря на то, что есть промежутки?

Учащиеся: Чтобы молекулы разделить на атомы, нужно преодолеть силы притяжения то есть, совершить работу, а значит увеличить энергию атомов.

Учитель: При соединении атомов наоборот: энергия будет выделяться. При горении происходит образование из атомов молекул. Обычное топливо содержит углерод. Вы знаете, что без доступа кислорода, воздуха, горение не возможно. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, которые содержатся в воздухе.

На доске учитель показывает модели атомов углерода, кислорода и образовавшуюся молекулу углекислого газа.

Учитель: Каждый атом углерода соединяется с двумя атомами кислорода, при этом образуется молекула углекислого газа и выделяется энергия в виде тепла. Важно уметь рассчитывать энергию, которая выделяется при сгорании. Как определить, какое количество теплоты выделяется при сгорании топлива? Опытным путем находят, какое количество теплоты выделится при полном сгорании одинакового количества топлива различных видов.

III. Проделаем опыт:

Положим на картон кусочки фольги, на них два одинаковых комочка ваты с булавочную головку. На один кусочек ваты капнем спирт, а на другой бензин и зажжем их одновременно. Когда спирт и бензин сгорят, полностью прикоснитесь к кусочкам фольги.

Учитель: Одинаково ли нагрелись кусочки фольги?

Учащиеся: Кусочек фольги, где сгорел бензин, нагрелся сильнее.

Учитель: Какое топливо спирт или бензин, выделило больше тепла при полном сгорании?

Учащиеся: Бензин выделил больше тепла, чем спирт.

Учитель: Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называют удельной теплотой сгорания топлива, и обозначают q. Единица измерения удельной теплотой сгорания топлива 1 Дж/кг.

IV. Рассмотрим таблицу «Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива»

Учитель: Из таблицы видно, что удельная теплота сгорания торфа 1,4·107 Дж/кг. Это значит, что при полном сгорании торфа массой 1 кг выделится 1,4·107 Дж теплоты.

Учитель: В таблице напротив слова нефть стоит 4,4·107 Дж/кг. Что это означает?

Учащиеся: При полном сгорании нефти массой 1 кг выделится 4,4·107 Дж теплоты.

Учитель: А если сжечь 2 кг нефти?

Учащиеся: Тогда полном сгорании нефти массой 2 кг выделится теплоты в два раза больше, то есть 4,4·107 Дж.

Учитель: Чтобы подсчитать количество теплоты Q, выделяющееся при сгорании топлива любой массы m, нужно удельную теплоту сгорания топлива q умножить на массу сгоревшего топлива: Q=q·m

V. Решение задач (работа у доски)

Сколько теплоты выделится при полном сгорании 0,5 литров керосина.
Сколько воды можно нагреть от 20 градусов Цельсия до кипения, если бы все тепло, выделенное при сгорании 840 грамм каменного угля, пошло на нагрев воды?

VI. Подведение итогов. Рефлексия.

Учитель: Итак, ребята, скажите, пожалуйста, о чем вы сегодня узнали на уроке.

Какие виды топлива, основанные на горении, являются наиболее распространенными? (Уголь, нефть, дрова, мазут, керосин)
Что является основным компонентом этих видов топлива? (Углерод)
Как объяснить с точки зрения строения вещества выделение энергии при горении? (Атомы углерода соединяются с молекулами кислорода, при этом выделяется энергия и образуется углекислый газ)
Как можно рассчитать энергию, выделяющуюся при горении топлива? (Q = q·m, q— удельная теплота сгорания, m— масса топлива)
Что показывает удельная теплота сгорания топлива? (Звучит определение удельной теплоты сгорания топлива.)

Источники:

http://studme.org/133770/matematika_himiya_fizik/vozniknovenie_protsessov_goreniya
http://studopedia.ru/3_71405_protsess-goreniya-s-pozitsiy-molekulyarno-kineticheskoy-teorii-gazov.html
http://zdamsam.ru/a74001.html
http://studref.com/475480/matematika_himiya_fizik/teorii_vosplameneniya
http://megaznanie.ru/index.php/encyclopedia/science/5123-2010-08-08-06-47-57.html
http://xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai/%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8/591879/