当前课程知识点:燃烧理论 > 第二章 燃烧与热化学 > 2.6 化学平衡 > 第二定律的讨论
我们前面讲的所有的内容
我们已经知道了产物
如果完全燃烧的话
它的产物是什么样子的
或者它最终的温度
是完全燃烧的话
它的温度会达到什么样子
这个问题实际上
这两句假设怎么样
成立不成立啊
实际情况下
通常是不成立的
那么也就是说
它实际上是受到
另外的因素制约
它不可能完全燃烧
会有一些
其它的物质产生
那这个谁控制呢
这就是我们
接下来要讲的
就是化学平衡
或者是热力学第二定律来控制的
那么热力学第二定律
到底讲的是什么呢
我们首先来一起来复习一下
热力学第二定律
我们很容易理解
我们在观察当中
我们可以有一些总结
比如有一些事情
不需要我们做任何努力
就会自然而然发生的
每天都在发生这种
自然而然发生的事情
而有的事情
只有我们经过努力
才会发生的
而且这个事情发生的程度
跟我们的努力程度有关
而有一些事
是绝不会发生的
大家可以想一下
举一些简单的例子
比如生命怎么样
一定会衰老的
这个不做任何努力
而自然发生的事情
热一定会
从热向什么
向冷的流动
它自然发生的
水怎么样
从高处往下流动
有了高压的东西
就会膨胀变成低压
这些问题几乎都是
不需要做任何努力
自然发生的
我们天天观察到对吧
还有一些呢
我们可以改变
比如我们刚才说
可以延长我们的寿命对吧
但是怎么样
我们说
减缓我们的衰老
这是有可能的
但是你不能说不死亡
这是不可能的
比如水怎么样
要从低处往高处走
我需要努力对不对
我把它提上去
它不能自然发生
比如我低压要向高压(输送气体)
那怎么样
一定要用
用压缩机对不对
如果从低温向高温
你要把热量拿过去
那怎么办
你靠自然传热不可能
我也需要努力
需要外加泵
也就是这一些事情
都是需要外在的能力
让它来产生的
但有一些绝无可能
比如改变衰老的过程
比如让熵
一个封闭系统熵减少
对这些事情是不可能发生的
所以这三类事情的
这一些规律
有一些是绝不可能发生
有一些自然会发生
有一些经过努力才能发生
那我们怎么来描述
这样一件事情
这就是热力学的第二定律
比如我们两个罐
是一个用中间
有一个阀门连通的
一个里边原来真空
一个里边有空气
我这个阀门一打开
空气非常自然的
到了另外一罐
最后就达到平衡
这个就自然发生的
但我们再来
想想它的逆过程
说我两个有空气的瓶子
连起来中间怎么样
弄个阀门
把阀门打开了
说一个罐子里边的
空气怎么样
全部跑到
另外一个罐子里边去
一个变成真空
一个变成什么
变成全部是(空气)
这件事情可能不可能啊
这恐怕
至少是不能自然就发生的
对不对
它一定要通过一定努力
才能让它发生的
这两个不一样
一个逆过程
比如用盐对不对
我们烧菜都是拿盐
盐放到液体里边去
它这个就自然就散开了
这个过程就自然的
但你要把盐
说是把它拿出来这件事情
容易不容易啊
恐怕你得把水
全部蒸干了以后
才能拿出来对不对
这个也不能自发
你需要付出代价
比如我们还有
很多的例子
比如我怎么样
我如果是拿一个
搅拌的东西
对着水搅拌
拼命搅
最后怎么样
水就会发热
这什么意思呢
功可以直接
并完全转化成热
但反过来不行
比如你把水加热了
它那个转子
是不是就能够自动转起来
不太容易
因为它无法全部转化成功
那么这里边的话呢
最最重要的控制因素
就是热力学第二定律
而热力学第二定律的话呢
会引出来一个概念就是熵
很多人不喜欢熵
一看这个觉得
觉得有问题
好那我们在化学里边
或者说我们在
我们的燃烧反应里边
那么在高温的过程当中
通常燃烧产物
不是完全燃烧的
理想产物的混合物
会形成一些什么
会形成一些离解
就产生一些什么
除了刚才那些
比如二氧化碳 水
这些我们把它称为主要组分
会产生一些次要的组分
或者次要的成分
那么这些成分的存在
我们后面如果我们去学
化学动力学的话
那么就知道
这一些物质的存在
实际上对化学的反应
非常非常重要
虽然说量可能很小
所以我们就得去研究它
比如我们所有的碳氢燃料
如果理想的燃烧
就是二氧化碳加水
当然如果过量空气
可能有氧气和氮气
但是我们假设
它真正一定会产生离解的
那还会产生什么东西
比如氢原子 比如氢气
比如还有什么
还有一氧化碳
还有什么
还有OH基
还有氧的原子
氮可能还要燃烧
会有氮原子氮氧化物
可能有好多好多
这些东西
那么这些产物
它的量怎么来计算
那么基本的逻辑
在给定的
温度压力底下
产物的摩尔(数)
实际上它就会固定
在我们做化学
它最后平衡了对吧
那么它的特点的话呢
所有的元素
在化学的碳氢氧氮
这些东西元素
原子数不变的
你比如说氧气在NO里边
在O里边还是在水里边
在二氧化碳里边
一氧化碳里边
通通有什么
通通有氧
但是所有的加起来
产物里边加起来
一定跟原始的什么
碳氢化合物里边的碳
是完全一致的
最简单的反应
当然就是
水和氢的反应了
对不对
两个氢加上一个氧
等于两个水对不对
那么到最终的话呢
实际上这三个物质怎么样
到最终平衡的时候
它全部会存在
不是说最后的产物只有水
它可能有氢有氧
甚至还有OH基
有氢原子和氧原子等等的
这些成分
随着时间的
长期时间越长
最后就处于稳定了
或者是处于平衡了
平衡了以后
我们就可以看
它这里边
有一些什么组分
而这种平衡的方法
我们实际上是
就是化学里边已经学过
我们可以用
一个平衡常数是吧
平衡常数来算
算了以后
它互相之间
比如一氧化碳多少
二氧化碳多少
氢多少
这个全部可以算出来
实际上是化学平衡
或者是化学常数
实际上就是
是热力学第二定律
在化学里边的反映
那么它这种反映
它不仅仅是
跟终结的
温度压力相关联
而且的话呢
是受它的约束
你比如温度压力一变化
它这个可能
都会发生变化
这个就是
热力学第二定律
我们最简单的
一个反应是
一氧化碳加水(氧气)
变成二氧化碳
那么好
这个东西
最终的产物是什么呢
最终的产物一定是
二氧化碳加上一氧化碳
加上氧气这三个
如果我们假设是
化学当量
刚好摆在那儿的话
那可以想一下
一氧化碳可能会比较少量
氧气会比较少量
主要二氧化碳
但这两个总是有的
对不对
总是有的
而且特定条件下
也许一氧化碳
反而会大量(存在)
那我们定义一个α
α是什么呢
是二氧化碳的分解的分数
那α等于1的时候
表示什么
表示完全不发生反应
也就是完全是一氧化碳
等于零的时候是什么
就是放出最大的热
也就是完全变成二氧化碳
那怎么来确定这个α
这里边我们说
用热力学第二定律
我们就去求什么啊
所有的物质的熵
我们熵可以求出来
利用这个式子可以求出来
那么算了这个熵以后
我们当然每一个组分
要去算
算出来以后的话呢
整个系统
整个熵随着α发生变化
你去看一看
这个熵的很有意思
它有一个最高值
在某一点
那实际上这一个时候
恰好就是它的
稳定的态
也就是最终
就是达到这一点
我们熵增原理
对吧
就是热力学第二定律
而这个时候达到的温度
就是它的平衡的温度
那么从这张图
我们刚才那张图
就是一氧化碳
二氧化碳的这个图
那实际上你去看的话
α等于0.5差不多
刚好达到最大值
也就是说什么意思呢
也就是说一氧化碳
在这样的条件下
变成二氧化碳
它只有一半的
一氧化碳
转变成二氧化碳了
而一半还留在里边
而氧气也在里边
这个就是我们通过
这样一个
热力学第二定律
能把它算出来
当然每个都要去算熵
是一件很烦的事情
是不是
很烦的事情
当然我们从基本的逻辑
我完全可以
把它这么去算
所以我们给出一个结论
对于一个化学的系统
如果是固定内能 体积
包括质量
那么如果应用第一定律
第一定律实际上就是
总的容量的平衡
第二定律
再加上状态方程
以及它的组分守恒
我们最终怎么样
就可以获得它的平衡的
最后的各个化学的组成
它的温度和压力
而下面的话呢
我们可能要引入
一个新的参数
对于化学反应来说
热力学第二定律的表达
更加方便
这就是吉布斯函数
-1.1 我们为什么要学习燃烧理论
-1.2 什么是燃烧:定义与现象
-1.3 燃烧科学发展简史
-1.4 燃烧科学的研究方法
-1.5 课程的结构
-2.1 概述
--概述
-2.2 状态参数复习
--状态参数复习
-2.3 热力学第一定律
--热力学第一定律
-2.4 反应物和生成物的混合物
--燃烧焓与热值
--例题
-2.5 绝热燃烧温度
--定压绝热燃烧温度
--定容绝热燃烧温度
-2.6 化学平衡
--第二定律的讨论
--吉布斯函数
--复杂系统(选修)
-2.7 燃烧的平衡产物
--全平衡(选修)
--水煤气反应的平衡
--压力影响
-2.8 应用
--例题
--烟气再循环
-2.9 小结
--小结
-第二章 燃烧与热化学--第二章作业
-3.1 传质概述
-3.2 传质理论基础
-3.3 传质应用实例
-3.4 小结
-第三章 传质引论--第三章作业
-4.1 概述
--概述
-4.2 总包反应与基元反应
-4.3 基元反应速率
--其他基元反应
-4.4 多步反应机理的反应速率
--净生成率
--稳态近似
--单分子反应机理
--部分平衡
-4.5 简化机理(选修)
--简化机理(选修)
-4.6 催化和非均相反应(选修)
-4.7 小结
--小结
-第四章 化学动力学--第四章作业
-5.1 概述
--概述
-5.2 H2-O2系统
--H2-O2系统
-5.3 一氧化碳的氧化
--一氧化碳的氧化
-5.4 高链烷烃的氧化
--三步机理
--八步机理
-5.5 甲烷燃烧
--复杂机理和起源
--甲烷燃烧动力学
--高温反应途径分析
--低温反应途径分析
-5.6 氮氧化物
--氮氧化物的危害
-5.7 小结
--小结
-第五章 一些重要的化学机理--第五章作业
-6.1 概述
--6.1 概述
-6.2 定压-定质量反应器
-6.3 定容-定质量反应器
-6.4 全混流反应器
-6.5 柱塞流反应器
-6.6 燃烧系统建模中的应用及小结
-第六章 反应系统化学与热分析的耦合--第六章作业
-7.1 概述和总质量守恒
-7.2 组分质量守恒
-7.3 多组分扩散(选修)
-7.4 动量守恒方程(选修)
-7.5 能量守恒方程-质量通量表达形式
-7.6 守恒标量的概念-混合物分数定义
-第七章 反应流的简化守恒方程--第七章作业
-8.1 概述及物理描述
-8.2 层流火焰分析
-8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素
-8.4 熄火、可燃性和点火
-8.5 火焰稳定及小结
-第八章 层流预混火焰--第八章作业
-9.1 概述
--概述
-9.2 无反应的恒定密度层流射流
--物理描述
--求解
--两个例子
-9.3 射流火焰的物理描述
-9.4 简化理论描述
--概述
--守恒标量
--状态关系式
-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度
--两个例子
-9.6 碳烟的形成和分解
--碳烟的形成和分解
-9.7 对冲火焰(选修)
--对冲火焰(选修)
-9.8 小结
--小结
-第九章 层流非预混火焰--第九章作业
-10.1 概述
--概述
-10.2 液滴蒸发的简单模型
--基本假设
--气相分析
--气液界面能量平衡
--液滴寿命
-10.3 液滴燃烧的简化模型
--假设
--温度分布
--液滴表面能量守恒
--火焰面处能量守恒
--例题
--扩展到对流条件
-10.4 一维蒸发控制燃烧
--物理模型和假设
--总守恒方程
--例题
-10.5 小结
--小结
-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业
-11.1 概述及燃煤锅炉
-11.2 非均相反应
-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型
-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型
-11.5 颗粒燃烧速度
-11.6 煤的热解及燃烧
-第十一章 固体燃烧--第十一章作业
-12.1 概述
--概述
-12.2 湍流现象与描述
--湍流的现象与描述
-12.3 湍流尺度
--湍流尺度
-12.4 湍流模型
-12.5 湍流预混火焰
--湍流火焰速度
--层流火焰折皱模式
--火焰稳定
-12.6 湍流非预混火焰
--射流火焰
--火焰长度
-12.7 湍流燃烧小结
--湍流燃烧小结
-课程总结
--课程总结