ГОРЕНИЕ
сложное, быстро протекающее
хим. превращение, сопровождающееся выделением значит. количества тепла
и обычно ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу
Г. составляют экзотермич. окислительные реакции вещества, способного к
Г. (горючего), с окислителем. Совр. физико-хим. теория
Г. относит к Г. все хим. процессы, связанные с быстрым превращением и тепловым
или диффузионным их ускорением, в т. ч. разложение взрывчатых веществ,
озона, и др.; соединение ряда веществ с хлором, фтором и т. д.; взаимодействие
мн. металлов с хлором, окисей натрия и бария с двуокисью углерода и т.
д. Хим. реакция Г. в большинстве случаев является сложной, т. е. состоит
из большого числа элементарных хим. процессов. Кроме того, хим. превращение
при Г. тесно связано с рядом физ. процессов - переносом тепла и масс и
характеризуется соответствующими гидро- и газодинамич. закономерностями.
В силу комплексной природы Г., суммарная скорость Г. практически никогда
не тождественна скорости чисто хим. взаимодействия реагентов системы. Более
того, для гетерогенных процессов скорость Г. часто эквивалентна скорости
того или иного лимитирующего чисто физ. процесса (испарения, диффузии
и т. д.).
Наиболее общее свойство Г.- возможность
при известных условиях прогрессивного самоускорения хим. превращения -
воспламенения, связанного с накоплением в реагирующей системе тепла или
, активных продуктов цепной реакции. Характерная черта явлений Г.-
способность к пространств. распространению, вследствие передачи
тепла или диффузии активных частиц ; в первом случае говорят о тепловом,
во втором - о диффузионном механизме распространения пламени. Другая характерная
особенность Г.- наличие критич. условий, т. е. определённых, характерных
для данной горючей системы областей значений параметров (состав смеси,
давление, содержание примесей, начальная темп-pa смеси и т. д.), вне к-рых
реакция горения протекает стационарно, а внутри области - самоускоряется.
Диффузионный механизм Г. обычно наблюдается при низких давлениях. Г. широко
применяется в технике для получения тепла в топках, печах и камерах сгорания
двигателей. При этом очень часто используется т. наз. диффузионное Г.,
при к-ром распространение пламени определяется взаимной диффузией (кондуктивной
или турбулентной) горючего и окислителя.
Для любого вида Г. характерны две типичные
стадии - воспламенение и последующее сгорание (догорание) вещества до продуктов
полного Г. Время, затрачиваемое на обе стадии, составляет общее
время Г. Обеспечение миним. суммарного времени Г. при макс. полноте Г.
(полноте тепловыделения) - основная задача техники сжигания. Для
технич. Г. важны также физ. процессы подготовки смеси: испарение, перемешивание
и т. д. Основные термодинамич. характеристики горючей смеси - теплотворная
способность и теоретич. (или адиабатическая) темп-ра Г., т. е. та температура,
которая могла бы быть достигнута при полном сгорании без потерь тепла.
По агрегатному состояниЮ горючего и
окислителя различают: 1) гомогенное Г.- Г. газов и парообразных горючих
в среде газообразного окислителя (б. ч. кислорода воздуха); 2) горение
взрывчатых веществ и порохов; 3) гетерогенное Г.- Г. жидких и твёрдых горючих
в среде газообразного окислителя; Г. в системе жидкая горючая смесь - жидкий
окислитель (напр., кислота).
Гомогенное горение. Наиболее простой
случай представляет Г. заранее перемешанных смесей. Б. ч. реакции являются
цепными (см. Цепные реакции). В обычных условиях Г. при их развитии
(зарождении и развитии цепей) определяющее значение имеет предварительное
нагревание вещества (термическая активация).
Для начала Г. необходим начальный энергетич.
импульс, чаще всего нагревание горючего. Различают 2 способа воспламенения:
самовоспламенение
и вынужденное воспламенение, или зажигание (накалённым телом, пламенем,
электрич. искрой и др.).
Важнейший вопрос теории Г.- распространение
пламени (зоны резкого возрастания темп-ры и интенсивной реакции). Различают
нормальное распространение Г., или дефлаграцию, где ведущим процессом является
передача тепла теплопроводностью, и детонацию, где поджигание производится
ударной волной. Нормальное Г., в свою очередь, подразделяется на ламинарное
и турбулентное.
Ламинарное пламя обладает вполне определ.
скоростью перемещения относительно неподвижного газа, к-рая зависит от
состава смеси, давления и темп-ры и определяется только хим. кинетикой
и молекулярной теплопроводностью. Эта нормальная скорость является физ.-хим.
константой смеси.
Скорость распространения турбулентного
пламени зависит от скорости потока, а также степени и масштаба турбулентности.
Горение в потоке (факельный процесс)
- Г. струи при её истечении из трубы (сопла) в открытое пространство или
камеру - очень распространённый в технике вид Г. Различают Г. при истечении
заранее перемешанной смеси и Г. при раздельном истечении горючего и окислителя,
когда процесс определяется перемешиванием (диффузией) двух потоков.
В условиях Г. в потоке большое прак-тич.
значение имеет вопрос удержания пламени на горелке или в камере. Задача
обычно решается или путём непрерывного зажигания смеси от спец. зажигат.
устройства, или с помощью установки поперёк потока плохо обтекаемых тел
(стабилизирующих экранов), обеспечивающих обратную циркуляцию горячих
продуктов Г.
Горение взрывчатых веществ (ВВ)
-
самораспространение зоны экзотермич. хим. реакции разложения взрывчатого
вещества или взаимодействия его компонентов посредством передачи от слоя
к слою энергии реакции в виде тепла. В том случае, когда газообразные продукты
Г. могут свободно оттекать от горячего заряда, Г. ВВ, в отличие от их детонации,
обычно не сопровождается значительным повышением давления и не принимает
характера взрыва. Конденсированные ВВ, аналогично смесям газообразных горючих
и окислителей, не требуют подвода кислорода извне.
Скорость Г. зависит от природы ВВ,
а также от давления, темп-ры, плотности заряда и др. факторов и при атм.
давлении для различных ВВ изменяется от долей мм до неск. м в
сек.
Для инициирующих ВВ она, как правило, в десятки и сотни раз больше,
чем для вторичных.
Гетерогенное горение. Для Г. жидких
веществ большое значение имеет процесс их испарения. Г. легко испаряющихся
горючих практически относится к гомогенному Г., т. к. такие горючие ещё
до воспламенения полностью или почти полностью успевают испариться. Применительно
к жидким горючим различают 2 характеристики: темп-ру вспышки и темп-ру
обычного самовоспламенения.
Широко распространённой жидкой гетерогенной
системой является высокодисперсная капельная система, для к-рой определяющее
значение имеют законы воспламенения и Г. каждой отдельной капли. В отличие
от гомогенного Г., в этом случае стадия воспламенения играет относительно
меньшую роль.
Горение твёрдых веществ в простейшем
случае не сопровождается разложением вещества с выделением их летучих компонентов
(напр., Г. металлов). В технике большое значение имеет Г. твёрдого
топлива, гл. обр. углей, содержащих углерод и некоторое количество органич.
веществ, к-рые при нагревании топлива разлагаются и выделяются в виде паров
и газов. Термически неустойчивую часть топлива принято наз. летучей, а
газы - летучими. При быстром нагревании частиц топлива (что возможно для
частиц малого размера) летучие компоненты могут не успеть выделиться
и сгорают вместе с углеродом. При медленном нагревании наблюдается чёткая
стадийность начального этапа Г.- сначала выход летучих компонентов и их
воспламенение, затем воспламенение и Г. твёрдого, т. н. коксового, остатка,
к-рый кроме углерода содержит минеральную часть топлива - золу.
Каталитическое, или, вернее, поверхностное
каталитич., Г. газовых смесей относится к классу гомогенно-гетерогенных
процессов Г.: хим. процесс может протекать как в объёме, так и на катализирующей
твёрдой поверхности (напр., на платине). В зависимости от конкретных
условий может проявляться гомогенный или гетерогенный тип Г. При высоких
темп-pax, когда объёмное Г. идёт быстро, роль поверхностно-каталитич. Г.,
как правило, мала и может быть заметной только в случае, когда смесь течёт
в узких каналах, пористых материалах или мелкозернистых засыпках из катализатора.
Применяемый в технике термин "беспламенное" Г. газовых смесей не всегда
эквивалентен понятию поверхностно-каталитич. Г. Скорее он является характеристикой
Г. без светящегося пламени.
Лит.: Семенов Н. Н., О некоторых
проблемах химической кинетики и реакционной способности, М., 1954; Кондратьев
В. Н.. Кинетика химических газовых реакций, М., 1958; Xитрин Л. Н., Физика
горения и взрыва, М., 1957; Зельдович Я. Б., Горение углерода, М.- Л.,
1949; Франк-Каменецкий Д. А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике,
М.- Л., 1947; Льюис Б. и Эльбе Г., Горение, пламя и взрывы в газах, пер.
с англ., М., 1948; Иост В., Взрывы и горение в газах, пер. с нем., М.,
1952; Щелкин К. И. и Трошин Я. К., Газодинамика горения, М., 1963; Гейдон
А. Г. и Волфгард X. Г., Пламя, его структура, излучение и температура,
пер. с англ., М., 1959; Беляев А. Ф., Горение, детонация и работа взрыва
конденсированных систем, М., 1968; Чугаев Л. А., Открытие кислорода и теория
горения в связи с философскими учениями древнего мира. Избр. труды, т.
3,
М., 1962, с. 350 - 94; Gregory J. С., Combustion from Heracleitos to
Lavoisier, L., 1934.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я