Параметры смесей и химические реакции

Газообразное топливо, пары жидкого топлива, воздух, продукты сгорания топлива состоят из различных химических компонентов, образующих газовую смесь. Состояние однокомпонентного газа определяется двумя термодинамическими параметрами: давлением и температурой, многокомпонентного – химическим составом, давлением и температурой. В процессе горения одни вещества исчезают и возникают другие. Термодинамика реагирующих в процессе горения веществ учитывает взаимные превращения веществ, энергии, теплоты и работы.

Состав сложной многокомпонентной смеси определяется концентрацией компонентов. Концентрацию i –го вещества в смеси определяют как число молекул N_i в единице объема V. В этом случае говорят о молекулярной концентрации

. (42)

Молярная концентрация определяет число молей n_i в единице объема

. (43)

Плотность i –го вещества

, (44)

где m_i – масса молекулы i – го вещества,

, (45)

где M_i –молекулярная масса i -го вещества; N_A = 6,02*10²³ моль^-1 – число Авагадро. Число молекул i -го вещества можно определить из выражения N_i = N_An_i.

Используя вышеприведенные выражения, легко установить связь между концентрациями

. (46)

Используют также относительные концентрации:

- относительная молярная концентрация определяется отношением

, (47)

где – число молей в смеси всех веществ, занимающих объем V, отнесенное к этому объему, т. е. = С, тогда = 1;

- относительная массовая концентрация

( = ; =1). (48)

Молекулярная масса смеси

. (49)

Отсюда

и . (50)

Приведенные соотношения справедливы как для газов, так для твердых и жидких однородных смесей, в которых компоненты распределены равномерно по всему объему.

В теории горения принимается, что все компоненты газовой смеси являются идеальными газами, т. е. в них отсутствует взаимное притяжение между молекулами, а объем молекул пренебрежимо мал по сравнению с объемом, занимаемым газом. Уравнение состояния i- го газа устанавливает связь между его парциальным давлением р_i, концентрацией , температурой Т:

, (51)

где k =1,38·10^-23Дж/К – постоянная Больцмана. Известно, что k=R/N_A, ранее было показано, что , тогда

, (52)

где R =8,31 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная.

Закон Дальтона, справедливый для идеальных газов, имеет вид

, (53)

т. е. давление смеси газов равно сумме парциальных давлений его компонентов.

Используя закон Авогадро (при одинаковых давлении и температуре одинаковые количества вещества различных идеальных газов занимают один и тот же объем), можно определить относительную молярную концентрацию i -го вещества из выражения

, (54)

где V_i – парциальный объем i -го вещества.

Уравнение химических реакций в общем виде можно описать следующим выражением:

(i =1,2…, k), (55)

где i - номер реагирующего вещества; – стехиометрический коэффициент i -го реагента в прямой реакции (т. е. реакции, идущей слева направо); – то же для обратной реакции; А_i, В_i – химические символы i -х реагентов. Стехиометрические коэффициенты – это коэффициенты, определяющие количественные соотношения между реагирующими веществами.

Слева и справа от стрелок записаны все реагирующие вещества, исходные и конечные, так что = 0 для конечных продуктов = 0 для исходных реагирующих веществ прямой реакции.

Скорость химической реакции. Пусть за время в ходе химической реакции число молекул каждого реагирующего вещества из общего их количества i =1, 2, …, k изменится на значение . При отсутствии обмена массы реагирующих веществ с окружающей средой

, (56)

т. е. изменение количеств реагирующих веществ пропорционально их стехиометрическим коэффициентам. Это одно из определений известного в химии закона кратных отношений. В ходе химических реакций происходит превращение одних веществ в другие, молекулы исходных веществ в процессе химического реагирования исчезают, однако количество каждого типа атомов сохраняется неизменным. Равенство (56) выражает сам факт сохранения атомов при химических превращениях. Иначе закон сохранения атомов можно записать в форме

, (57)

где В_ji – число атомов j -го типа в i -м веществе; с_i ⁰ – молярная концентрация вещества до реагирования. Изменение числа молей любого вещества в процессе реагирования называется скоростью реакций w =(dc _i/ d )/ a_i, где – время.