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链式反应和链式分支反应(二)

下一节:化学时间尺度(一)

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链式反应和链式分支反应(二)课程教案、知识点、字幕

好 同学们 刚才我们把

什么是链式反应

链式分支反应

以及它们各自的特征

做了一个介绍

下面的话

我们就用两个例子

我们来进一步的来

理解一下这种链式反应的

这样一个特点

那我们还是拿

在大气当中的氮

氧化形成氮氧化物的

这么一个(例子)

这是一个标准的链式的

这样一个反应

那么这个的话

链式反应的话

我们把它称之为

热力学基理

或者又叫做

Zeldovich机理

那么它的过程的话

实际上是特别简单的

就是实际上是N2 加上一个O

那么反应的话

变成NO 加上一个N

N的话

再去冲击O2

变成一个NO加上一个O

也就是说一个氧的原子

一个自由基

去轰击氮气

那反应生成氮氧化物

再会产生一个氮的原子

一个自由基

这是一个链式反应

接下来的话

一个氮去冲击一个氧的分子

变成NO加上一个氧

这也是一个

链式反应

所以这是一个典型的链式反应

那么由于这两个反应的话

第二个反应

一般来说

要比第一个反应要快的很多

所以我们通常

就是可以用稳态近似

来计算N的原子的浓度

这是我们上一次

在一讲里边已经讲到

有一个例子我们来计算

那么在高温底下的话

通常氮氧化物的形成

要比其他的反应

比如氢氧

这种反应性要低很多

所以它的氧原子的

那么反应的话

我们常常认为它是处于一个

局部平衡当中

那么就是O2会跟

变成两个氧

这是一个平衡的反应

实际上我们现在

已经说到平衡

实际上我们真正什么是局部平衡

还没有说

我们只是说

现在我们就知道结论

氧的分子变成了两个氧的原子

那么实际上

我们把它称之为

可以把它假设是一个

链的激发反应

那我们来构建一个

最终的一个总的反应的话

是N2+O2=2NO

这是一个总包反应

那么实际上我们来表示的话

我们就可以来看一下

怎么样

d[NO] 或者我们氮氧化物的

形成速度

应该等于是

KG[N2]m [O2]n

也就是说 m n

那么我们来看一看

怎么样利用刚才

我们这样一个详细的基元反应

能获得KG

还有两个反应级数

这是一个很有趣的一个例子

那我们就从最基本的基元出发

而且我们现在先忽略

忽略逆反应

这样的话

我们就能够把一氧化氮的

生成的速度

实际上就是

是第一和第二两个的反应对吧

就是两个传递反应都会有

所以它是两项之和

也就是K1f[N2][O]

那么下面的话

K2f[N][O2] 这个是标准的

那我们同样可以写出来

氮的原子的dt是吧

那么也是等于第一个是产生的

K1f[N2][O]-K2f[N][O2]

那么我们知道

我们忽略它的逆反应

通过刚才的理解

我们实际上第二项怎么样

就会用稳态近似

假设它等于0对不对

这样我们就得到了

它的就是steady state的

氮的浓度

实际上前面

我们已经知道了

这样把它代进去

代到第一个式子里边去

d[NO]/dt

我们就可以得到一个什么

是跟氧的分子跟氮的分子

以及氧原子相关的

那我们就一定要知道

氧的原子浓度怎么获得

那么现在就氧原子浓度

我们就很简单的

就能够获得什么

通过刚才那个

O2等于两个O

这样一个

局部平衡

局部平衡我们用平衡常数Kp

来给它算出来

我们的氧的原子的浓度

就可以算出来

就下面式子

是等于它跟氧的浓度

Kp RT相关联

那么有了这样一个式子的话

我们把它代进去

就得到了d[NO]/dt

这么一个关系式

大家看到这个就很有趣了

大家发现什么

发现我得到了什么

KG=2K1f(KP P<\i>^0/RuT )^(1/2)

那么也就是说我通过

详细的化学反应动力学

通过稳态近似

可以获得总包反应的什么

总包反应的速度系数

而且我还得到了什么

我跟N2的(反应)速度

实际上是跟N2的浓度

也就是说跟N的分子的浓度

成正比

也就是说它的反应阶数是一阶的

而跟氧气的浓度是什么

二分之一成正比

也就是跟氧气的浓度的是

二分之一阶

也就是0.5阶的

那总包的反应的

反应阶数是什么

是1.5阶的

所以我们通过一个基元反应

实际上可以获得总包反应的

反应的参数

包括KG包括反应级数

这就是这一节

所给大家带来的一个

很有趣的这么一个结果

所以今后的话

大家就知道了

所以说总包反应

不是说它的所有的参数

必须要通过实验去确定

我也可以通过基元反应

通过适当的简化

能够获得它这样一些

最基本的过程

大家可能注意到

我这里边

没有做定量的分析

所以感觉到的话

我这样很自然

就得到了这样的关系

实际上在这里边

很重要的实际上

我们是忽略了它的逆反应

但实际上

你们以后会注意到

氮氧化物的形成的逆反应

实际上在一个很短的时间以后

由于氮氧化物形成

它的逆反应就变得很重要

这当然会是很大的影响

那么下面

就用下面一个例题的话

就让大家理解一下

这么一个过程

那么我们现在的话

就利用刚才我们所获得的

这样一个关系式

来获得什么

我们假设用一个激波

来加热空气

空气当然刚好是什么

有21%的氧 79的氮

把它的温度加热到很高

2500K和3个大气压

那么采用刚才的

计算的结果

来分析一下

我们看看氮氧化物的

在里边的形成速度

同时我们要计算一下

在非常短的时间

就是0.25毫秒的

这么一个条件底下

形成的氮氧化物的量

到底有多少

那么我们有速度系数K1f

我们已经知道了

那么通过这样的话

我们就很容易

来根据刚才我们推导的

关系式

这需要怎么样

这需要把它的压力

我们已经知道

3大气压对吧

这需要把它氮的氧的

摩尔分数的浓度

给它写出来

摩尔分数我们已经给了

一个0.79 一个0.21

我们把它的摩尔浓度给算出来

就可以了

那么的话

就一开始

我们假设氧

氮氧化物 氮

这种都很少

都很少的话

我们直接就可以

认为它就是氮分子

和氧分子的一个浓度

那么我们两个就算出来

算出来直接就代进去

代进去当然需要Kp对吧

我们需要氧的反应的

在2500k

和3个大气压底下的

它的平衡常数

那么把平衡常数

把所谓的平衡常数

当然计算大家非常熟悉

我就不再重复

公式都摆在这

它的结果也摆在这

有了这样一个结果的话

你会发现

是什么

它的速度是相当的快

这样的话

我们就能够去计算

把所有的数据代到

就是氮氧化物的

形成速度的

公式里边的话

就获得的d[NO]/dt

那么等于0.0505千摩尔

每立方米每秒

就这么一个

非常快速的

非常快速的一个结果

所以这样的话

就有一个最简单的

我们如果把它算成一个

它的就是摩尔分数的

变化率

就是dXNO/dtt的话

实际上每秒多少

3.45乘10的6次方个ppm

10的6次方乘ppm

实际上就是1了

也就是说实际上

如果真的按照这个速度的话

实际上也就是说

只要三分之一秒不到吧

它就全部消耗完了应该是

因为它最大的摩尔浓度

应该是1 对吧

所以很快就可以消耗完

给大家一个速度的概念

也就是说在高温底下

我们按照刚才

计算方法的话

也就是0.3秒左右

氮氧化物氧气

真的高温在2500k

3个大气压

我用激波去加热的话

全部形成了氮氧化物

速度是非常快的

那我们先来看一看

当然我们不可能那么长时间

就算一下0.25毫秒

我们大概是多少

那实际上就很容易了

大家直接去算就行了

那么就可以看出来多少

过程就不说

就给一下大家一个结果

实际上就是多少

是8.64乘10的负4次方

那么也就是864乘10的6次方

或者叫864ppm

那么用这样一个关系式

就是0.25毫秒

实际上就产生了

大量的氮氧化物 864ppm

如果你要真的是100个毫秒

那就不得了对吧

所以实际上

从也反映出来什么

实际上是逆反应

实际上是非常重要的

所以是必须要考虑它的逆反应的

这种合理性

要不然就会大大的高估

氮氧化物的量

实际的过程当中

大家也理解

并不会产生这么大量的

氮氧化物

它实际上氮氧化物通常

即使在秒(量级)的时间里边

也就是产生个几百个ppm

那么原因实际上就是

逆反应的作用

而我们这里边

没有考虑逆反应的作用

燃烧理论课程列表:

第一章 导论

-1.1 我们为什么要学习燃烧理论

--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

--1.2 什么是燃烧:定义与现象

-1.3 燃烧科学发展简史

--1.3 燃烧科学发展简史

-1.4 燃烧科学的研究方法

--1.4 燃烧科学的研究方法

-1.5 课程的结构

--1.5 课程的结构

第二章 燃烧与热化学

-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

--反应物与生成物的组成

--绝对(或标准)焓和生成焓

--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

--回热式和蓄热式交换器

--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

第三章 传质引论

-3.1 传质概述

--3.1.1传质概述

-3.2 传质理论基础

--3.2.1菲克扩散定律

--3.2.2扩散的分子基础-分子动力学

--3.2.3扩散系数的微观推导(选修)

--3.2.4组分守恒方程推导

-3.3 传质应用实例

--3.3.1应用实例一:液面蒸发

--3.3.2蒸汽界面边界条件

--3.3.3液滴蒸发

-3.4 小结

--3.4.1液滴质量守恒+小结

-第三章 传质引论--第三章作业

第四章 化学动力学

-4.1 概述

--概述

-4.2 总包反应与基元反应

--总包反应与基元反应

-4.3 基元反应速率

--双分子反应和碰撞理论

--其他基元反应

-4.4 多步反应机理的反应速率

--净生成率

--反应速率常数与平衡常数关系

--稳态近似

--单分子反应机理

--链式反应和链式分支反应(一)

--链式反应和链式分支反应(二)

--化学时间尺度(一)

--化学时间尺度(二)

--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)

--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

第五章 一些重要的化学机理

-5.1 概述

--概述

-5.2 H2-O2系统

--H2-O2系统

--H2-O2系统爆炸特性

-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

--总包反应和准总包机理

-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

--氮氧化物的形成(一)

--氮氧化物的形成(二)

--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

第六章 反应系统化学与热分析的耦合

-6.1 概述

--6.1 概述

-6.2 定压-定质量反应器

--6.2 定压-定质量反应器

-6.3 定容-定质量反应器

--6.3 定容-定质量反应器

-6.4 全混流反应器

--6.4 全混流反应器

-6.5 柱塞流反应器

--6.5 柱塞流反应器

-6.6 燃烧系统建模中的应用及小结

--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

第七章 反应流的简化守恒方程

-7.1 概述和总质量守恒

--7.1 概述和总质量守恒

-7.2 组分质量守恒

--7.2 组分质量守恒

-7.3 多组分扩散(选修)

--7.3 多组分扩散(选修)

-7.4 动量守恒方程(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

--7.5 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

--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

第八章 层流预混火焰

-8.1 概述及物理描述

--8.1 定义及重要特征与实验室典型火焰

-8.2 层流火焰分析

--8.2.1 简化分析

--8.2.1 简化分析(续)

--8.2.2 详细分析

-8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素

--8.3.1 温度、压力和当量比,燃料选型及火焰速度选型

--8.3.2 火焰速度测量

-8.4 熄火、可燃性和点火

--8.4.1 冷壁熄火

--8.4.2 可燃极限和点火

-8.5 火焰稳定及小结

--8.5 火焰稳定及小结

-第八章 层流预混火焰--第八章作业

第九章 层流非预混火焰

-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

--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

--各种不同的解法(一)(选修)

--9.4.5 各种不同的解法(二)(选修)

-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度

--圆口和槽型口燃烧器火焰长度

--火焰长度的影响因素

--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

第十章 液滴的蒸发与燃烧

-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

--质量守恒和组分守恒

--温度分布

--液滴表面能量守恒

--火焰面处能量守恒

--液气平衡 总结和求解

--燃烧速率常数和液滴寿命

--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

--液滴数目和液滴相守恒

--总守恒方程

--气相成分和气相能量守恒

--液滴动量守恒 模型总结

--例题

-10.5 小结

--小结

-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业

第十一章 固体燃烧

-11.1 概述及燃煤锅炉

--11.1.1 概述

--11.1.2 燃煤锅炉

-11.2 非均相反应

--11.2.1 非均相反应及表面化学反应

--11.2.2 碳反应的半总包机理反应

-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型

--11.3.1 模型建立

--11.3.2 质量与组分守恒与表面化学动力学

--11.3.3 电路比拟与碳燃烧控制

--11.3.4 能量守恒

-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型

--11.4.1 模型建立

--11.4.2 组分守恒、封闭性和表面化学反应

-11.5 颗粒燃烧速度

--11.5 颗粒燃烧速度

-11.6 煤的热解及燃烧

--11.6 煤的热解及燃烧

-第十一章 固体燃烧--第十一章作业

第十二章 湍流燃烧入门(选修)

-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

--湍流模型方法(1)

--湍流模型方法(2)

-12.5 湍流预混火焰

--湍流火焰速度

--湍流火焰结构与模式

--12.5.3 例题

--层流火焰折皱模式

--分布式反应区模式和漩涡小火焰模式

--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

--课程总结

链式反应和链式分支反应(二)笔记与讨论

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