Горение

Быстро протекающий процесс окисления вещества, сопровождающийся большим выделением тепла и ярким свечением. Химический процесс горения очень сложен и включает множество последовательно и параллельно протекающих реакций. В основе лежат реакции окисления, но горение не обязательно связано с действием кислорода. Водород, например, горит в струе хлора. Порох и твердое ракетное топливо сгорают и в безвоздушном пространстве, так как окислитель уже "заключен" в их составе. Для горения нужны лишь горючее и окислитель в самом широком смысле этого слова. На практике окислителями могут быть галогены, озон, перекисные соединения, нитросоединения, перхлораты и другие богатые кислородом соединения, а горючими - практически любые органические вещества, многие металлы, водород...

Лучше всего изучены процессы горения углеводородов, и это не удивительно: углеводороды - основное топливо (уголь, нефть, торф, сланцы, природный газ). Конечные продукты сгорания - вода, углекислый газ, азот, диоксид серы.

Процессы горения интересовали людей издавна. Великим открытием было изобретение воздушного дутья, позволившего значительно поднять температуру пламени и выплавлять железо (II тыс. до н.э.).

Практически важными величинами при исследовании горения являются теплотворная способность топлива (количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема топлива), максимальная температура горения, количество кислорода (воздуха), теоретически необходимое для полного сгорания.

Пламя газовой горелки: 1 - воздух; 2 - газ; 3 - зона смешивания продуктов горения с газом; 4 - зона горения; 5 - фронт горения, линия максимальных температур; 6 - зона смешивания продуктов горения с воздухом; 7 - восходящий поток продуктов горения. При горении идет разветвляющаяся цепная реакция

Максимальную температуру горения рассчитывают по уравнению:

где Т₀ - начальная температура горючей смеси, Q - теплотворная способность топлива, С - средняя теплоемкость продуктов сгорания в интервале температур Т₀-Т.

Чрезвычайно быстрое (порядка 10^-8 - 10^-7 с) сгорание вещества, сопровождающееся большим выделением энергии, называют взрывом. Столь быстрый разогрев продуктов сгорания до сотен тысяч градусов приводит к их интенсивному испарению и газообразованию, что влечет за собой резкий скачок давления и образование вокруг места взрыва ударной волны, распространяющейся во все стороны.

Взрывоопасны многие смеси горючих газов и паров органических веществ, а также порошков (пыли) с воздухом в определенных пределах концентраций. Достаточно случайной искры, чтобы такие смеси взорвались.

Важное значение в процессах горения имеет диффузия реагентов в зону реакции. От скорости подвода реагентов в зону горения и, следовательно, от диффузии зависит и скорость горения. Распространение пламени (фронта горения) по горючей смеси может происходить по-разному. Специалисты различают нормальное распространение, когда фронт горения движется с постоянной скоростью, зависящей от плотности топлива, и детонацию, когда смесь поджигается ударной волной.

Расчет оптимальных режимов горения исключительно важен при конструировании автомобильных и других двигателей внутреннего сгорания, где от режима горения не меньше, чем от состава горючей смеси, зависят и расход топлива, и мощность двигателя, и длительность его возможной эксплуатации.

Теория горения используется также и при расчете реактивных двигателей.