Классификация химических реакций. Основные положения термодинамики и химической кинетики

Основные положения термодинамики и химической кинетики

Введение

Процесс горения представляет собой очень сложное сочетание различных процессов: химических реакций, диффузии, теплопроводности, течения газов с тепломассообменом и т. д. Наука о преобразовании энергии в химических реакциях называется химической термодинамикой.

Основные понятия и определения

Классификация систем

В термодинамике совокупность взаимодействующих между собой тел называется термодинамической системой. Тела, окружающие рассматриваемую систему, называют внешней средой. Если система не имеет взаимодействий с внешней средой, то она называется изолированной.

Термодинамические системы, которые однородны как по составу, так и по физическому строению, называются гомогенными, например, лед, вода, газы. Неоднородные системы называются гетерогенными, например, лед и вода, жидкость и пар и т.п. Отдельные однородные части гетерогенной системы называются фазами. В состоянии термодинамического равновесия каждая из фаз гетерогенной системы является гомогенной. По числу фаз гетерогенные системы называются двухфазными, трехфазными и т.д.

Классификация химических реакций

По энергетическому эффекту химические реакции разделяются на экзотермические (протекающие с выделением тепла) и эндотермические (протекающие с поглощением теплоты).

Примером экзотермических реакций могут служить процессы горения углерода и водорода, т.е. реакции вида:

2 С + О ₂ = 2 СО + Q;

С + О ₂ = СО ₂+ Q;

2 Н ₂ + О ₂ = 2 Н ₂ О + Q,

где Q > 0 обозначает тепло (теплота реакции), выделяющееся при сгорании 1 моля окисляемого вещества (углерода, водорода).

Примером эндотермической реакции является образование ацетилена

2 С + Н ₂ = С ₂ Н ₂ + Q, где Q < 0.

В технике наиболее часто рассматривают реакции двух типов.

1). Реакции, протекающие при постоянном объеме (изохорные, V = const).

Примеры: Сгорание топлива в экспериментальной бомбе (сосуде).

Сгорание топлива в поршневых двигателях легкого топлива.

2). Реакции, протекающие при постоянном давлении (изобарные, р = const).

Пример. Сгорание топлива в проточной (открытой) системе – такой, как камера сгорания газотурбинного двигателя (ГТД).

Если во время реакции число молей газообразных веществ изменяется, то это отразится на объеме реагирующих веществ (если реакция протекает при р = const) или на давлении в зоне реакции (при V = const). Учет изменения газообразных молей в результате реакции имеет решающее значение для определения теплоты реакции.

По изменению числа молей реагентов в ходе химических реакций их можно разделить на три группы.

1). Группа реакций, протекающих с увеличением числа газообразных молей, ∆ m = m ₂- m ₁> 0, где m ₁ - число молей в начале реакции, m ₂ – после окончания реакции. Примером может служить реакция сгорания углерода:

2 С + О ₂ = 2 СО, здесь m ₁=1, m ₂=2, ∆ m = m ₂- m ₁=2-1=1.

2). Группа реакций, протекающих с уменьшением числа газообразных молей, ∆ m < 0. Пример - горение окиси углерода:

2 СО + О ₂ = 2 СО ₂, здесь m ₁=3, m ₂=2, ∆ m =2-3=-1

3). Группа реакций с ∆ m =0, когда m ₂= m ₁. Пример:

С + О ₂ = СО ₂, здесь m ₁=1, m ₂=1, ∆ m =1-1=0.

1.3. Параметры газовых смесей