火災(zāi)動(dòng)力學(xué)PPT完整全套教學(xué)課件

1火災(zāi)動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)常識(shí)2019春提綱理想氣體定律熱函數(shù)熱力學(xué)過(guò)程功、內(nèi)能、比熱、焓值揮發(fā)過(guò)程與克-克定律2理想氣體理想氣體就是展示某些理論特征的氣體；具體說(shuō)來(lái)…在所有條件下滿足氣體定律；在冷卻時(shí)不會(huì)冷凝成液體；V-T或P-T關(guān)系成簡(jiǎn)單的直線；在實(shí)際世界，沒(méi)有完全滿足這一定義的氣體；我們通常假設(shè)理想氣體的存在，是未來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算。對(duì)大部分火災(zāi)來(lái)說(shuō)，理想氣體定理可以提供足夠精度的估算需要。理想氣體定律P

V=n

R

TUniversalGasConstantVolumeNo.ofmolesTemperaturePressureR=0.0821atmL/molKR=8.314kPaL/molKR=0.0821atmL

molKRecall:1atm=101.3kPa(101.3kPa)(1atm)=8.31kPaLmolK1mol=22.4L@STP標(biāo)準(zhǔn)工況

(STP)化學(xué)界使用0℃

(273K,32

F)，

100

kPa

(14.504

psi,0.986

atm,

1bar)作標(biāo)況非正式使用25℃

(298K)，

100

kPa(14.504

psi,0.986

atm,

1bar)作標(biāo)況美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局NIST使用20℃，

101.325

kPa(14.696

psi,1atm)作標(biāo)況天然氣輸運(yùn)領(lǐng)域使用

15.00

℃，101.325kPa作標(biāo)況例題如果一種未知名氣體的質(zhì)量密度是1.23g/L@

STP.計(jì)算其摩爾密度/分子量.理想氣體定律的變化理想氣體定律=波意爾定律+查爾斯定律單位體積的理想氣體，在常溫和常壓下，包含相同（摩爾）數(shù)量的分子。熱力學(xué)過(guò)程等容過(guò)程：Isometric-ConstantVolume等壓過(guò)程：Isobaric–ConstantPressure等溫過(guò)程：Isothermal–ConstantTemperature絕熱過(guò)程：Adiabatic–Noheatloss,q=0等容過(guò)程，意味著不對(duì)外做功，所以內(nèi)能的變化就是溫度的變化，就是蓄熱能力的變化。 Recall

and Thus下標(biāo)v意味著等容變化。等容過(guò)程isometric等壓過(guò)程，isobaric從能量守恒和基本定義入手積分并求導(dǎo)下標(biāo)

p意味著等壓過(guò)程。求解qp焓值，Enthalpy由于

U,P和

V都是狀態(tài)函數(shù)，U+PV也是狀態(tài)函數(shù)；該狀態(tài)函數(shù)就稱作焓值enthalpy,HH=U+PV因此等壓條件下的傳熱變化是焓差

qp=H2–H1=ΔH在等壓過(guò)程系統(tǒng)中，從系統(tǒng)的吸熱和放熱等于焓值的變化。比熱用來(lái)表達(dá)物質(zhì)蓄熱能力的參數(shù)是熱容（heatcapacity）。單位質(zhì)量的熱容，稱作比熱（specificheat）由于溫度變化導(dǎo)致的吸熱能力之變化，稱作熱容。定義關(guān)系式是：注意，這需要保證物質(zhì)沒(méi)有相變。發(fā)生相變，溫度不變，則熱熔無(wú)限。比熱與密度關(guān)系等容過(guò)程（爆炸）定容比熱定容下，內(nèi)能的變化是傳熱造成的結(jié)果導(dǎo)致因?yàn)轶w積恒定，所以

dW=0or舉例如果一封閉空間的溫度是2400K，如果該空間的初始溫度是300K，請(qǐng)問(wèn)該空間的最大壓力是多少？等壓過(guò)程（燃燒）定義常壓下的熱容量由于常壓下焓值不變結(jié)果導(dǎo)致焓值變化就是熱容與溫差之積或克勞修斯-克拉佩龍方程對(duì)于相變過(guò)程，蒸汽壓是溫度的函數(shù)。Example05如果正己烷（n-Hexane）

液體在STP(20℃&1atm)。計(jì)算其揮發(fā)的蒸汽壓。AppleandHexaneVaporpressure@STP20Methanol,toxicblindEthanol,alcoholdrinkHexane,flammable&toxic拉奧定理Raoult’srule對(duì)理想氣體的混合物，總壓是分壓之和，分壓之比等于摩爾數(shù)之比。or基于摩爾數(shù)或質(zhì)量的分析道爾頓分壓定理Dalton’slawofadditivepressuresAmagat’slawofadditivevolumes拉奧定理Raoult’slaw總結(jié)本節(jié)我們回顧了理想氣體定律做功、能量、比熱焓值；等溫、等容、等壓過(guò)程等容過(guò)程（爆炸）等壓過(guò)程（燃燒）揮發(fā)過(guò)程（可逆等溫過(guò)程）24流體力學(xué)基礎(chǔ)常識(shí)2019火災(zāi)動(dòng)力學(xué)提綱流體的概念流動(dòng)的類型粘性系數(shù)表面張力壓力分布液體泄漏流體這個(gè)概念Figure

1

固體、液體、氣體的分子結(jié)構(gòu)之比較什么是流體？流體，是與固體相對(duì)應(yīng)的一種物體形態(tài)，是液體和氣體的總稱.由大量的、不斷地作熱運(yùn)動(dòng)而且無(wú)固定平衡位置的分子構(gòu)成的，它的基本特征是沒(méi)有一定的形狀并且具有流動(dòng)性。包括：Liquids,gases,andplasmas流體靜力學(xué)研究處于平衡狀態(tài)的液體，常見(jiàn)概念包括：密度、壓力、浮力等；流體動(dòng)力學(xué)研究處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的流體，常見(jiàn)概念包括湍流，能量，渦量等；什么是流體力學(xué)？應(yīng)用于不管是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)的液體或氣體的應(yīng)用力學(xué)統(tǒng)稱為流體力學(xué)。Fluidmechanics=fluidstatics+fluidkinematics流體力學(xué)=靜力學(xué)+運(yùn)動(dòng)學(xué)Fluiddynamics=fluidmechanics+heattransfer流體動(dòng)力學(xué)=流體力學(xué)+傳熱學(xué)Firedynamics=thermodynamics+fluiddynamics+heattransfer+Combustion火災(zāi)動(dòng)力學(xué)=熱力學(xué)+流體力學(xué)+傳熱學(xué)+燃燒學(xué)帕斯卡定律密封液體所受到的壓力會(huì)無(wú)損地傳遞到整個(gè)容器的各個(gè)角落。例如擠牙膏這個(gè)動(dòng)作，就是帕斯卡定律的最好說(shuō)明。千斤頂，是帕斯卡定律的另一個(gè)說(shuō)明。密度液體的密度

,定義成單位容積的質(zhì)量，受到溫度和壓力的影響。

=mass/volume=m/V

單位通常是kg/m3典型密度

水

=1000kg/m3;空氣

=1.23kg/m3

。在一個(gè)大氣壓下粘性()粘性是液體內(nèi)部粘性的表達(dá)；代表內(nèi)部的摩擦程度；流動(dòng)液體的內(nèi)部阻力來(lái)源于分子之間的粘性和動(dòng)量交換。流體的粘性依賴于溫度：對(duì)液體，溫度增加，粘性降低；對(duì)氣體，溫度增加，粘性增加；粘性對(duì)于動(dòng)能的耗散過(guò)程非常重要。粘性系數(shù)Viscosity粘性是描述流體黏性大小的物理量，也稱黏度，黏滯系數(shù)，動(dòng)力黏度。粘性可認(rèn)為是導(dǎo)致能量損失的，產(chǎn)生液體流動(dòng)阻力的內(nèi)部摩擦阻力。在牛頓黏性定律中，當(dāng)流體的流動(dòng)為層流時(shí)，則在層與層之間所作用的黏性力f分別與液體中定向運(yùn)動(dòng)的速度梯度du/dz及流動(dòng)方向切向面積A成正比的關(guān)系，其比例系數(shù)η稱為黏度或黏性系數(shù)，Units:N.s/m2orkg/m/sTypicalvalues:Water=1.14x10-3kg/m/s;Air=1.78x10-5kg/m/s湍流牛頓粘性公式-viscosity(coeff.ofviscosity)固定非滑動(dòng)平板

fixedno-slipplate

在某一點(diǎn)的粘性力是粘性的線性關(guān)系液體表面舉例，海水中風(fēng)吹流動(dòng)-kinematicviscosity運(yùn)動(dòng)粘性非牛頓流體（泡沫）非牛頓流體牛頓流體(線性關(guān)系)非牛頓流體（非線性關(guān)系）

在本課中，我們只考慮牛頓流體。非牛頓流體包括瀝青、泡沫、血液、乳化劑、油漆等經(jīng)典的非牛頓流體實(shí)驗(yàn)通常情況下，液體的粘性隨著溫度的增加而降低，即加溫改善流動(dòng)性；氣體的粘性隨著溫度的額增加而升高，即燃燒趨層流。不同流體的粘性系數(shù)偉大藝術(shù)家的觀察力流體的耗散過(guò)程與能譜表面張力液體表面任意二相鄰部分之間垂直于它們的單位長(zhǎng)度分界線相互作用的拉力。表面張力的形成同處在液體表面薄層內(nèi)的分子的特殊受力狀態(tài)密切相關(guān)。表面張力的存在形成了一系列日常生活中可以觀察到的特殊現(xiàn)象。例如：截面非常小的細(xì)管內(nèi)的毛細(xì)現(xiàn)象、肥皂泡現(xiàn)象、液體與固體之間的浸潤(rùn)與非浸潤(rùn)現(xiàn)象等。改性水的添加劑特征減少粘性

增加粘性

目的增加流動(dòng)性降低流動(dòng)性名稱Wettingagent浸潤(rùn)水Thickeningagent粘稠水水的粘性Thinner稀水Thicker厚水表面張力-+表面積+-覆蓋范圍+-流動(dòng)阻力-+A類燃料的滲透率+-吸熱能力-+混合地點(diǎn)阻力小，遠(yuǎn)處混合阻力大，泵浦出口混合液滴動(dòng)力學(xué)小液滴，全淹沒(méi)大液滴，局部穿透黏著力分散黏著火場(chǎng)運(yùn)用對(duì)陰燃、地下煤火有效Moppingupsmolderingfire/finalcleanup最初運(yùn)用，希望水柱的穿透力Initialattackandpretreatmentoffuel連續(xù)性方程管內(nèi)流體，流入等于流出；相當(dāng)于質(zhì)量守恒定律ρA1v1Δt=ρA2v2ΔtA1v1=A2v2伯努利方程伯努利方程或定理P1

+ρgy1+1/2ρv12=P2+ρgy2+1/2ρv22下標(biāo)指代液體流線中的亮點(diǎn)靜止時(shí)

(v1=v2=0）得到狀態(tài)方程；這僅適用于理想流體靜壓力分布方程在均勻密度場(chǎng)中的垂直壓力分布于密度成正比。小孔泄漏應(yīng)用伯努利定理，我們可以得到小孔射流的公式如下：泄漏因子或形狀因子Cd泄漏因子是流體狀態(tài)和小孔直徑的流動(dòng)條件的結(jié)果經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則包括：銳角的小孔，或高雷諾數(shù)流動(dòng)（大于30000）直接選用0.61.這意味著液體的流動(dòng)與小孔的尺寸無(wú)關(guān)，達(dá)到充分湍流的狀態(tài)。對(duì)于完全圓形處理的小孔，泄漏因子趨近與1.0；對(duì)容器上設(shè)計(jì)的短管輸出（直徑比不小于3），泄漏因子大約是0.81.如果不知道其他條件，或存在不確定性，使用1.0的最大量取得保守的估計(jì)。源頭模型氣體的泄漏液體的泄漏某廠生成的空氣柜，因外力撞擊而產(chǎn)生一個(gè)小孔發(fā)生漏氣。小孔面積是19.6cm2因空氣柜中的氣體由此發(fā)生大氣泄漏。一直空氣柜中的壓力是2.5x105Pa（2.5atm），絕熱指數(shù)是

，求空氣泄漏的最大質(zhì)量流量。解答：首先判斷空氣泄漏的臨界壓力是大氣壓是1.0x105Pa，小于臨界壓力，則空氣泄漏的最大質(zhì)量流量是例題：氣體泄漏下午1點(diǎn)，工程的操作人員注意到輸送苯液體的壓力表讀數(shù)降低了，于是立即把壓力提升到690Pa。下午2:30，操作人員發(fā)現(xiàn)管道上有一個(gè)直徑為6.35毫米的小孔，并立即修復(fù)。估算流程的苯量。苯的密度按照879.4kg/m3來(lái)計(jì)算。（Crowl,pp115）解答：下午1點(diǎn)觀察到的壓力降低是泄漏開(kāi)始的標(biāo)志。假設(shè)小孔泄漏一直發(fā)生在1pm到2:30pm.之間，總共90分鐘。則小孔的面積是：假設(shè)小孔是圓滑的，取孔流系數(shù)0.61，則所以苯的總泄漏量是：例題：液體泄漏2023/9/17青島原油泄漏大爆炸

November22,20132:30am發(fā)生泄漏3:00am泄漏被檢測(cè)，并報(bào)告1103:15am管線停止運(yùn)行10:25am下水道爆炸12:40pm火災(zāi)被控制大氣層逆反現(xiàn)象霧霾現(xiàn)象的根源總結(jié)本節(jié)回顧了基本概念理解液體的基本概念；研究流體的兩種辦法；流體特征：密度、比重、比重力和粘性認(rèn)識(shí)非牛頓力學(xué)；認(rèn)識(shí)表面張力和水的物性改變對(duì)滅火的影響；53火災(zāi)動(dòng)力學(xué)火災(zāi)基礎(chǔ)：傳熱學(xué)基礎(chǔ)2019Vantablack的視覺(jué)效果為何研究傳熱？熱量總是從高溫向低溫傳遞。（熱力學(xué)第二定律）受熱煙氣會(huì)上升，產(chǎn)生煙氣的運(yùn)動(dòng)，帶來(lái)火檢和報(bào)警的難題；受熱煙氣會(huì)加熱結(jié)構(gòu)材料，帶來(lái)不同程度的熱傷害。受熱后的材料會(huì)發(fā)生變形、坍塌和結(jié)構(gòu)破壞。火場(chǎng)的輻射強(qiáng)度決定安全區(qū)，需要進(jìn)行防火間距的設(shè)計(jì)。目標(biāo)解釋溫度與熱平衡之間的關(guān)系；解釋熱傳遞的三種形式：導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射。在簡(jiǎn)單系統(tǒng)中計(jì)算導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射的公式估算。解釋三種換熱方式對(duì)評(píng)估火場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的作用?？措娪癗ationalGeography拍攝的《偉大工程巡禮青藏鐵路》，可以加深你對(duì)熱傳遞三種方式的理解。傳熱過(guò)程熱量流動(dòng)的科學(xué)稱作傳熱學(xué)傳熱三種方式：導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射熱流傳遞是基于溫度差（熱勢(shì)）熱平衡如果等吻，兩物體達(dá)到熱平衡；在自然界，熱量總是從熱到冷物體進(jìn)行流動(dòng)，直到達(dá)到熱平衡。熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)是通過(guò)直接接觸的方式來(lái)傳熱。高密度的材料，如銅和鋁是熱的良導(dǎo)體。不能傳熱的物質(zhì)稱作絕熱體或不良導(dǎo)體；不良導(dǎo)體（如塑料），升溫慢。導(dǎo)熱方便面塑料泡沫是通過(guò)添加空氣增加其絕熱能力。通常，固體比流體導(dǎo)熱性好，流體比氣體導(dǎo)熱性好。導(dǎo)熱物質(zhì)的導(dǎo)熱能力取決于材料的結(jié)構(gòu)，而不是材料本身。例如，固體玻璃是良導(dǎo)體；但固體玻璃做成的纖維材料，可以是絕熱材料，因?yàn)槠渲邪丝諝?。?dǎo)熱性物質(zhì)的導(dǎo)熱能力（導(dǎo)熱性）用于描述物質(zhì)導(dǎo)熱的能力影響導(dǎo)熱過(guò)程的變量導(dǎo)熱方程：傅里葉截面面積(m2)長(zhǎng)度(m)導(dǎo)熱系數(shù)(watts/moC)熱流通量(watts)溫度差(oC)導(dǎo)熱性與物質(zhì)的密度正相關(guān)例題01在2010年的上海教師公寓大火中，肇事者是聚氨酯泡沫（充當(dāng)保溫材料）。這是一種很好的保溫材料，卻不是一種阻燃材料?，F(xiàn)有一段聚氨酯墻0.10米厚，用于給建筑保溫。當(dāng)內(nèi)外的溫度分別是30C和10C時(shí)，什么是這種情況下的熱通量?如果把這堵墻從聚氨酯換成混凝土，會(huì)發(fā)生那些變化？解答：例題01解答：聚氨酯泡沫的熱導(dǎo)性是k=0.034W/m.K，混凝土的導(dǎo)熱性是K=0.8~1.4W/m.K，取k=1.1W/m.K。聚氨酯泡沫:水泥板：

從這個(gè)例子可以看出，保溫墻的效果依賴于導(dǎo)熱性和厚度。復(fù)合墻體（多層材料）例題02對(duì)流對(duì)流是通過(guò)液體或氣體的流動(dòng)來(lái)傳熱.氣相對(duì)流通常發(fā)生在氣體受熱膨脹后上升時(shí)；對(duì)流出現(xiàn)時(shí)因?yàn)闊釟怏w上升，冷氣體下降；由于密度差，液體中也會(huì)出現(xiàn)對(duì)流，如污染物排放。對(duì)流如果液體或氣體流動(dòng)是由于密度差或溫度差，這種對(duì)流稱作自然對(duì)流freeconvection.如果液體或氣體的流動(dòng)是由于泵浦或風(fēng)機(jī)造成，這種對(duì)流稱作強(qiáng)迫對(duì)流forcedconvection.對(duì)流對(duì)流依賴于速度（傳質(zhì)現(xiàn)象）；運(yùn)動(dòng)增加對(duì)流傳熱的效率。對(duì)流換熱效果對(duì)流依賴于表面積；對(duì)流產(chǎn)生速度，速度帶來(lái)傳質(zhì)如果表面積增加，傳熱率增加；傳熱效果取決于面積和速度因此，如果添加肋片，會(huì)增加對(duì)流換熱的效果，如計(jì)算機(jī)的CPU散熱片。強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流都能夠增加換熱效率，提高傳熱效果。對(duì)流換熱的牛頓定律

Newton’slawofcooling接觸面積(m2)對(duì)流換熱系數(shù)(watts/m2oC)熱流通量(watts)溫度差(oC)熱流密度（HeatFlux，ThermalFlux），也稱熱通量，一般用q表示，定義為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，通過(guò)物體單位橫截面積上的熱量。按照國(guó)際單位制，時(shí)間為s，面積為㎡，熱量取單位為焦耳（J），相應(yīng)地?zé)崃髅芏葐挝粸镴/(㎡·s)。赤日炎炎似火燒墻壁羽流和換熱火焰吸附；火焰拉伸；湍流增加混合與換熱；例題03如果一束熱空氣流在800C沖擊到20℃的墻上，該流體的熱通量是多少？解答：對(duì)于空氣中的浮力流動(dòng)，換熱系數(shù)是5~10輻射換熱關(guān)鍵問(wèn)題，陽(yáng)光如何到達(dá)地球？非接觸式換熱輻射輻射是通過(guò)電磁波的形式進(jìn)行的傳熱；熱輻射是由于溫度差，通過(guò)電磁波（包括可見(jiàn)光波段）的換熱現(xiàn)象。物體的溫度越高，熱輻射的能量越多。全球變暖與熱輻射理論輻射熱我們看不見(jiàn)熱輻射，是因?yàn)闊彷椛渲饕霈F(xiàn)在紅外波段infraredwavelengths，人眼看不見(jiàn)。在一定的溫升下，物體開(kāi)始發(fā)出不同的顏色光（glow）輻射光譜室溫下的物質(zhì)不會(huì)發(fā)光。環(huán)境溫度20°C不會(huì)發(fā)出可見(jiàn)光。只有加熱才會(huì)發(fā)出可見(jiàn)光，或出現(xiàn)glow。在600°C物體發(fā)出暗紅色（dullred），如電磁爐中的燃燒器。輻射熱溫度越高，熱輻射的波長(zhǎng)越短，能量越大，如陽(yáng)光；在1,000℃，火焰顏色是黃色-橘黃色，到達(dá)1,500℃之后，變成白色；

白熾燈的燈絲溫度可以到達(dá)2,600°C，所以看上去是白光。使用白熾燈泡，你可以看到燈絲從低溫到高溫的轉(zhuǎn)變過(guò)程；可見(jiàn)光譜Stefan-Boltzmannformula

表面面積(m2)Stefan-Boltzmann

常數(shù)5.67x10-8watts/m2K4)輻射熱通量

(watts)環(huán)境溫度

(K)熱輻射率Emissivity火災(zāi)的熱輻射如果距離足夠遠(yuǎn)(L>4R)，火源可以被當(dāng)做是點(diǎn)源，可以使用下面的簡(jiǎn)單公式來(lái)計(jì)算。例題：點(diǎn)源輻射一個(gè)1米高的木塊堆火焰發(fā)出25kW的能量。如果輻射分量是35%，那么1米之外的熱輻射通量是多少？有限輻射源的形狀因子熱通量的效果熱通量水平癥狀1.4太陽(yáng)的熱輻射水平。30分鐘或之下會(huì)導(dǎo)致潛在的陽(yáng)光病。2.5火場(chǎng)滅火時(shí)的常見(jiàn)熱輻射接觸水平。長(zhǎng)期接觸會(huì)導(dǎo)致皮膚受傷。4.530秒鐘接觸后，人類皮膚開(kāi)始冒泡，產(chǎn)生二級(jí)燒傷。6.418秒鐘接觸，人類皮膚開(kāi)始冒泡，產(chǎn)生二級(jí)燒傷。10.43秒鐘接觸，人類皮膚開(kāi)始疼痛，9秒接觸產(chǎn)生皮膚冒泡和二級(jí)燒傷。12.5在這一輻射強(qiáng)度下，木材的揮發(fā)物可以被點(diǎn)燃。16人類皮膚經(jīng)歷快速疼痛，5秒鐘開(kāi)始冒泡并產(chǎn)生二級(jí)燒傷。20轟燃開(kāi)始時(shí)，地面所有燃料被點(diǎn)燃的熱通量水平。29在長(zhǎng)期接觸是，木材自動(dòng)熱點(diǎn)燃。525秒鐘之后，纖維板自發(fā)點(diǎn)燃。80消防隊(duì)員的保護(hù)性服裝測(cè)試裝置的熱通量水平。170轟燃后火災(zāi)可以測(cè)量到最大熱通量水平。廣島原子彈爆炸的輻射傷害思考題如果室內(nèi)的溫度恒定，例如12個(gè)月都保持在26C，在相同的保暖條件（衣服條件）下，你會(huì)在冬天感到冷，夏天感到熱，為什么？類似的問(wèn)題，為什么燃燒的蠟燭在夏天比冬天讓人感到更熱？上述兩個(gè)問(wèn)題都不是心理學(xué)問(wèn)題，不能從心理角度來(lái)入手。92火災(zāi)動(dòng)力學(xué)燃燒化學(xué)：反應(yīng)方程2018學(xué)習(xí)目標(biāo)本節(jié)讓學(xué)生掌握不同火焰的形式層流/湍流火焰預(yù)混/擴(kuò)散火焰配平燃燒方程什么是火焰?火焰是在聲速下進(jìn)行的局部燃燒區(qū)的自維持的蔓延過(guò)程。火焰一定是局部的，只占很小的一片區(qū)域，而不是整個(gè)空間進(jìn)行的均勻反應(yīng)區(qū)。離散進(jìn)行的燃燒波以低于聲速的速度蔓延，稱作燃爆deflagration；如果燃燒波以超音速運(yùn)動(dòng)，就是震爆detonation燃爆與震爆的傳播機(jī)理是截然不同的。層流火焰預(yù)混火焰例如本生燈火焰火焰移動(dòng)非常緩慢機(jī)械產(chǎn)生層流條件擴(kuò)散火焰例如蠟燭火焰在燃料蒸汽與空氣之間存在的反應(yīng)區(qū)湍流火焰預(yù)混火焰快速反應(yīng)放熱高能量密度促進(jìn)火焰蔓延化學(xué)計(jì)量比控制有安全問(wèn)題擴(kuò)散火焰如迪塞爾引擎（柴油馬達(dá)）混合過(guò)程主導(dǎo)的燃燒效率成問(wèn)題燃燒模式與火焰類型燃燒發(fā)生在下面兩張模式：預(yù)混火焰Premixedflames擴(kuò)散火焰Diffusion(non-premixed)flames燃燒也可以發(fā)生在無(wú)火焰的模式（無(wú)焰燃燒，Glowing）；層流與湍流火焰：從物理過(guò)程來(lái)說(shuō)是相似的，湍流火焰理論是基于內(nèi)在的層流結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。預(yù)混火焰特點(diǎn)燃燒前充分混合，氣相反應(yīng)；火焰?zhèn)鞑ニ俣却笾滦∮诿棵霐?shù)米；可以認(rèn)為是常壓燃燒過(guò)程；反應(yīng)相當(dāng)迅速。舉例：點(diǎn)火點(diǎn)火引擎（汽油馬達(dá)）99層流預(yù)混火焰在發(fā)生燃燒之前，燃料與氧化劑在分子水平早已充分混合。AirFuel層流火焰結(jié)構(gòu)層流預(yù)混火焰的結(jié)構(gòu)產(chǎn)物密度通常比反應(yīng)物密度小，所以根據(jù)連續(xù)性，燃燒產(chǎn)物的速度要大于反應(yīng)物的速度。對(duì)于典型的碳?xì)淙剂匣鹧?，常壓下，密度比大約是7。擴(kuò)散火焰不同氣相反應(yīng)物分布注入反應(yīng)器，邊燃燒邊混合；混合過(guò)程決定燃燒熱釋率反應(yīng)區(qū)位于氧化劑與燃料區(qū)之間舉例:柴油機(jī)DieselEngine102擴(kuò)散火焰最初，反應(yīng)物是分離的，反應(yīng)僅僅發(fā)生在燃料和氧化劑的接觸面上（發(fā)生混合和反應(yīng)的面）嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，擴(kuò)散是指那些化學(xué)成分的分子擴(kuò)散。在湍流擴(kuò)散火焰中，湍流對(duì)流在宏觀層面混合燃料與空氣，分子擴(kuò)散在微觀層面混合，這樣化學(xué)反應(yīng)才能夠發(fā)生。OrangeBlueFullrangeoff

throughoutreactionzone《天工開(kāi)物》中的制墨過(guò)程微重力火焰燃燒化學(xué)化學(xué)的分支主要概念控制方程熱化學(xué)ThermalChemistry燃燒熱、生成熱Heatofcombustion赫斯定律Hess’slawofconstantheatsummation化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)Kinetics熱釋率Rateofheatrelease阿倫尼烏斯定律Arrhenius’law化學(xué)平衡Equilibrium燃燒產(chǎn)物的生成Compositionofcombustionproducts最小吉布斯自由能定律MinimizationofGibbsfreeenergy化學(xué)機(jī)理反應(yīng)物燃料:Hydro-CarbonButane(C4H10)丁烷氧化劑:DryAir(D.A)21%O279%N21molO2→3.76molN2

產(chǎn)物

CO2H2ON2丁烷燃燒C4H10+O2→CO2+H2O通過(guò)質(zhì)量守恒平衡方程式：C4H10+6.5O2→4CO2+5H2O理想化學(xué)燃燒反應(yīng)化學(xué)計(jì)量方程根據(jù)質(zhì)量(分子數(shù))守恒常用概念化學(xué)計(jì)量氧氣系數(shù)化學(xué)計(jì)量比系數(shù)化學(xué)計(jì)量燃料空氣質(zhì)量比化學(xué)當(dāng)量比EquivalenceRatio化學(xué)當(dāng)量比（Equivalenceratio）通常定義成實(shí)際的燃?xì)獗扰c計(jì)量比下的燃?xì)獗戎?。?dāng)量比評(píng)估某一實(shí)際反應(yīng)與計(jì)量比反應(yīng)的相似度。當(dāng)量比區(qū)分兩種火焰或反應(yīng)欠燃反應(yīng)和過(guò)燃反應(yīng)富氧反應(yīng)和欠氧反應(yīng)對(duì)于判斷燃燒產(chǎn)物的內(nèi)容，當(dāng)量比非常重要。不完全燃燒反應(yīng)例題03：不完全燃燒方程按照下列條件，配平丙烷在空氣中的燃燒：按照化學(xué)計(jì)量比（完全反應(yīng)）；丙烷的分子（體積）濃度是5%（富燃料反應(yīng)）；燃?xì)饪諝獗仁?.03（貧燃料反應(yīng)）；化學(xué)計(jì)量比反應(yīng)富燃反應(yīng)

貧燃反應(yīng)如果燃?xì)舛铓獗仁?.03

第二個(gè)例子：庚烷配平下列燃燒反應(yīng)庚烷在氧氣中的化學(xué)計(jì)量比反應(yīng)：庚烷在空氣中的化學(xué)計(jì)量比反應(yīng)：庚烷在低燃限LFL（）的燃燒反應(yīng)：由于

，這意味著空氣燃料比是(1-1.1%)/1.1%=89.9，其中氧氣燃?xì)獗仁?9.9*0.2095=18.8。所以我們配平方程如下：化學(xué)/燃燒之父安圖瓦·羅朗·拉瓦錫（Antoine-LaurentLavoisier，1743～1794）加力燃燒與煙黑生成119火災(zāi)動(dòng)力學(xué)燃燒化學(xué)之熱釋率2019提綱引入新概念生成熱燃燒熱熱釋率基于氧氣的量熱計(jì)原理生成熱標(biāo)準(zhǔn)生成熱被定義成一摩爾物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)狀況（298.15Kor25℃，一個(gè)大氣壓）下從其組成原子生成到當(dāng)前狀態(tài)所發(fā)生的焓值變化，其符號(hào)是ΔHfO。生成熱是基本物性參數(shù)，與反應(yīng)過(guò)程無(wú)關(guān)。生成熱標(biāo)況：P=1atm和T=298K-上標(biāo)0代表標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)生成熱是一種與化學(xué)組成密切相關(guān)的物性。元素的生成熱在其標(biāo)況下的生成熱被定義為零。其他物質(zhì)的生成熱需要通過(guò)簡(jiǎn)單的放熱反應(yīng)來(lái)測(cè)定或計(jì)算。舉例：典型的生成熱舉例：生成熱燃燒熱固體或液體的燃燒熱通常用一種稱作氧彈量熱計(jì)的裝置來(lái)測(cè)量?；径x：1摩爾物質(zhì)在燃燒過(guò)程中的放熱，通過(guò)反應(yīng)物與生成物之間的能量差來(lái)計(jì)算在純氧中燃燒1摩爾甲烷釋放出890.3kJ的熱能。Example:海斯定律Hess’sLaw

CombustionofCH4Route1:完全反應(yīng)，產(chǎn)物

CO2Route2:部分反應(yīng)，中間產(chǎn)物是

CO反應(yīng)過(guò)程中的焓值變化與系統(tǒng)的初始和終了狀態(tài)有關(guān)，與路程途徑無(wú)關(guān)。不同路徑，相同放熱。Differentpathways,sameheat!典型的燃燒熱與測(cè)量裝置（氧彈量熱計(jì)）氧彈

量熱計(jì)這一裝置在固定體積下點(diǎn)火燃燒，燃燒生成的熱量通過(guò)周圍的水浴來(lái)吸收。由于水的吸熱能力大，所以水浴的升溫很?。ㄒ灾劣谒〉纳嵘伲梢院雎圆挥?jì)），而水浴的溫度測(cè)量可以很均勻準(zhǔn)確，所以測(cè)量的結(jié)果是相當(dāng)可靠的。燃燒熱如果把燃燒產(chǎn)物回復(fù)到原始狀態(tài)（溫度），特別是把水蒸氣冷凝成水（即包括汽化熱），得到的熱值成為高熱值(higherheatingvalue，HHV)(或者

grosscalorificvalue

毛熱值，GHV(grossheatingvalue)，毛熱值，grossenergy

毛能量，

upperheatingvalue熱值上限)。如果讓燃燒產(chǎn)物保留在氣態(tài)，得到的熱值成為低熱值LHV(lowheatingvalue)。同樣的燃燒反應(yīng)，產(chǎn)物水是液態(tài)還是氣態(tài)會(huì)導(dǎo)致不同的燃燒熱。所以燃燒熱是一種過(guò)程參數(shù)，而生成熱是狀態(tài)參數(shù)或物性參數(shù)。如果產(chǎn)物是液態(tài)水，燃燒熱被稱作高值燃燒熱（HVHC）對(duì)應(yīng)的氣態(tài)水，燃燒熱被稱作低值燃燒熱（LVHC）。對(duì)于作為工業(yè)過(guò)程的鍋爐燃燒，通常使用低值燃燒熱進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樗羝坏┮夯?，就?huì)溶解CO2和SO2，形成酸性液體，對(duì)煙道帶來(lái)很大的腐蝕性。所以工業(yè)過(guò)程避免燃燒產(chǎn)物水的液化，因此只能計(jì)算利用低值燃燒熱。火災(zāi)領(lǐng)域，用低值燃燒熱（LVHC）兩者之差對(duì)火災(zāi)來(lái)說(shuō)，意義不大。水汽狀態(tài)的影響熱釋率熱釋率HeatReleaseRate(,HRR,orburningrate)是火場(chǎng)中火源釋放的能量速率。

熱釋率相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)火災(zāi)或煙氣發(fā)生的動(dòng)力引擎，因此是最重要的參數(shù)。

確定熱釋率HRR是火災(zāi)災(zāi)害分析的最重要的一步和起點(diǎn)?；馂?zāi)之所以可怕，就是因?yàn)榇嬖谝粋€(gè)正向反饋的機(jī)制，熱量造成更多的熱量。是燃燒率或質(zhì)量損失率

burningormasslossrate(kg/sec)

是有效燃燒熱(kJ/kg)量熱計(jì)Calorimetry量熱學(xué)是指測(cè)量化學(xué)反應(yīng)熱火物理變化熱的科學(xué)。量熱學(xué)的主要工具是量熱計(jì)；量熱學(xué)Calorimetry來(lái)源于拉丁詞匯

calor，意思是熱量，metry意思是測(cè)量。蘇格蘭醫(yī)生和科學(xué)愛(ài)好者JosephBlack第一次意識(shí)到熱量與溫度的差異，因此是量熱計(jì)技術(shù)的奠基人。133基于氧量測(cè)量的量熱計(jì)盡管在化學(xué)反應(yīng)中，燃料是主要的能源載體，氧化劑在燃料的釋熱過(guò)程中發(fā)揮決定性作用。Burgessandwheeler首先注意到在低燃限附近，一摩爾燃料的燃燒熱幾乎是恒定的。Thornton證實(shí)了氧氣與燃燒熱之間的固定關(guān)系。Huggett發(fā)現(xiàn)這個(gè)規(guī)律適用于幾乎所有的固體燃料?，F(xiàn)在被稱作氧量放熱律，這一規(guī)律經(jīng)常被用于各種理論和實(shí)驗(yàn)，來(lái)簡(jiǎn)化總能量的估算過(guò)程。典型氧量量熱計(jì)擴(kuò)散火焰的燃燒平臺(tái)示意圖Aschematicdiagramofthecombustionrigsforthediffusionflameexperiments家具量熱計(jì)(17)室內(nèi)量熱計(jì)錐形量熱計(jì)2004年，在美國(guó)馬里蘭州Beltsville建立的ATF火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室，擁有一臺(tái)大規(guī)模的量熱器。假設(shè)煙道的質(zhì)量流率（主要是燃燒產(chǎn)物，并被卷吸的空氣所稀釋）是10kg/s，而煙道中的氧量探頭給出其中的氧氣濃度是17%，請(qǐng)估算煙氣罩下的燃料釋熱率。簡(jiǎn)單練習(xí)題量熱計(jì)工作機(jī)理Solution:首先，我們需要把體積（分子）濃度轉(zhuǎn)化為質(zhì)量濃度。由于煙氣早已被稀釋，我們可以用空氣的分子量來(lái)近似煙氣的分子量，氧氣的質(zhì)量濃度換算如下：然后，我們就可以運(yùn)用氧量放熱律來(lái)估算放熱率了。計(jì)算燃燒熱總結(jié)本節(jié)引入了熱化學(xué)的基本概念：生成熱燃燒熱氧量量熱計(jì)熱釋率142火災(zāi)動(dòng)力學(xué)燃燒化學(xué)之火焰溫度2019阿波羅一號(hào)大火1967年1月27日，美國(guó)阿波羅一號(hào)：格里索姆（VrgilI."Gus"Grissom）、懷特（EdwardH.White）和察菲（RogerChaffee）高壓氧艙的危害美國(guó)權(quán)威醫(yī)療機(jī)構(gòu)梅奧診所（MayoClinic）給出了目前有確切證據(jù)支持的可以采用高壓氧療法的疾病，如下：減壓??；動(dòng)脈空氣栓塞；一氧化碳中毒；因糖尿病等造成的難以愈合的傷口；擠壓傷；壞疽；皮膚、骨骼組織感染性壞死；輻射傷；燒傷；嚴(yán)重貧血。為什么要研究火焰溫度？深刻理解在燃燒過(guò)程中的氧氣放熱作用；深刻理解在燃燒過(guò)程中的氮?dú)舛杌饔?；深刻理解溫度?duì)臨界行為的閾值指導(dǎo)作用；通過(guò)火焰溫度理解燃燒過(guò)程的門(mén)檻，進(jìn)而理解滅火、防火、防爆的臨界條件。146提綱計(jì)算火焰溫度所需要的基本概念；計(jì)算火焰溫度的三種方法；介紹數(shù)值工具:GasEQ火場(chǎng)的常見(jiàn)溫度絕熱火焰溫度絕熱火焰溫度是常壓下（大氣中失火總是發(fā)生在常壓下）一個(gè)燃燒反應(yīng)所能夠達(dá)到的最大可能的溫度不完全燃燒有可能降低反應(yīng)溫度；絕熱火焰溫度是實(shí)際火場(chǎng)問(wèn)的有效估計(jì)，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)速度大大快于傳熱或做功的時(shí)間尺度；最常見(jiàn)的是常壓（大氣壓力下）的絕熱火焰溫度；從慨念上看很簡(jiǎn)單，但計(jì)算溫度相當(dāng)復(fù)雜，因?yàn)橛?jì)算溫度所需要的物性本身就是溫度的函數(shù)，所以不可避免地需要差值來(lái)迭代求解。148148絕熱的假設(shè)反應(yīng)和燃燒過(guò)程沒(méi)有熱損失；完全反應(yīng)，沒(méi)有中間產(chǎn)物；允許計(jì)算絕熱火焰溫度

(AFT)Q=0Hreact=Hprod對(duì)火焰溫度的錯(cuò)誤概念火場(chǎng)中火焰溫度是均勻的；火災(zāi)都是紅色火焰，所以代表了恒定的火焰溫度；預(yù)混火焰和擴(kuò)散火焰看上去相似，意味著火焰溫度相近；有顏色的火焰一定比無(wú)顏色的火焰溫度高或低；計(jì)算火焰溫度的難度熱物性依賴于溫度；需要迭代過(guò)程保證精確結(jié)果；存在可逆的（平衡的）反應(yīng)過(guò)程；湍流（混合）和輻射在火焰溫度上發(fā)揮作用，也就是說(shuō)，真實(shí)的火焰不是絕熱的。火焰溫度對(duì)于理解臨界燃燒現(xiàn)象，如點(diǎn)火和滅火，至關(guān)重要。焓值插值法建立反應(yīng)方程猜測(cè)2個(gè)溫度分別計(jì)算每一個(gè)溫度下的焓值從兩個(gè)焓值插值，獲得能量守恒下的火焰溫度。舉例在298K，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，甲烷在空氣中燃燒。請(qǐng)問(wèn)，完全燃燒的絕熱火焰溫度是多少？解答：配平反應(yīng)CH4+2(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+7.52N2計(jì)算反應(yīng)物的焓值假設(shè)溫度T=1000K假設(shè)溫度T=2000K假設(shè)溫度T=3000K通過(guò)差值計(jì)算溫度平均比熱法該方法利用在1000K時(shí)的熱物性參數(shù)，其背后的隱含假設(shè)是，火焰溫度應(yīng)對(duì)在1700K左右，環(huán)境溫度通常是300K，所以反應(yīng)發(fā)生的平均溫度才可以是1000K。這樣高溫下熱物性的非線性趨勢(shì)被完全忽視了。假設(shè)火焰溫度絕熱

這里

是在環(huán)境溫度與火焰溫度的平均溫度下的平均摩爾熱容。常見(jiàn)氣體在1000K下的熱容（比熱）Combustionproducts(J/mol.K)Carbonmonoxide(CO)33.2Carondioxide(CO2)54.3Water(vapor)(H2O)41.2Nitrogen(N2)32.7Oxygen(O2)34.9Helium(He)20.8通常，我們用1000K的平均比熱

為代表，這意味著我們假設(shè)火焰溫度是大約1700K（因?yàn)榄h(huán)境永遠(yuǎn)是300K）舉例：平均比熱法或集總熱容法（1/2）計(jì)算丙烷在空氣中的火焰溫度首先建立化學(xué)反應(yīng)方程如下：然后，計(jì)算總熱容CombustionproductsNumberofmolesinproductsIndividualthermalcapacity(J/mol.K)TotalthermalcapacityCarbonmonoxide(CO)333.2162.9Water(vapor)(H2O)441.2164.8Nitrogen(N2)18.832.7614.8單位摩爾丙烷的總熱容是942.5J/K注意，這是一個(gè)近似的結(jié)果，這是因?yàn)椋好恳环N氣體的熱容量是溫度的函數(shù)。假設(shè)中間平均溫度是1000K，所以用1000K的參數(shù)來(lái)代表；系統(tǒng)不是絕對(duì)絕熱的過(guò)程，存在輻射熱損失，減少火焰溫度，讓火焰溫度降低。在高溫下，燃燒產(chǎn)物會(huì)發(fā)生分解（可逆反應(yīng)）。這種分解反應(yīng)是吸熱過(guò)程，因此會(huì)降低火焰溫度。這種分解的效果在1700C（約2000K）以上時(shí)更明顯。舉例：平均比熱法或集總熱容法（2/2）第二例計(jì)算乙烷的絕熱火焰溫度C2H6inair。化學(xué)計(jì)量比濃度下混合：在低燃限LFL的火焰溫度。燃燒熱集總比熱絕熱火焰溫度低燃限LFL的溫度b.在低燃限LFL的火焰溫度(J/mol.K)CO254.3H2O41.2N232.7N234.9另類解法：利用空氣的熱物性（因?yàn)長(zhǎng)FL的燃?xì)鉂舛瓤偸呛苄。梢院雎圆挥?jì)）這意味著1摩爾燃料需要32.3摩爾空氣，或6.79摩爾氧氣?；旌衔锏幕鹧鏈囟纫环N燃料混合物含有80%的甲烷和20%的丙烷，請(qǐng)問(wèn)其低燃限的火焰溫度是多少？勒夏特列定理：混合物的比熱容：低燃限的火焰溫度：正規(guī)的解法當(dāng)量空氣法(1/2)所有燃燒反應(yīng)都是在空氣中發(fā)生，空氣對(duì)溫度存在非線性.利用空氣的非線性，把其他氣體都當(dāng)作當(dāng)量空氣來(lái)處理，把所有的非線性都當(dāng)作是空氣造成的。對(duì)一摩爾燃料，傳熱平衡建立如下：這是一個(gè)一元二次方程，求解如下：為了保證公式系數(shù)的足夠有效數(shù)字，擬合公式用1000K作基準(zhǔn)，所以公式最后需要乘以1000來(lái)還原溫度結(jié)果。當(dāng)量空氣法(2/2)燃燒產(chǎn)物的蓄熱能力單位空氣的蓄熱能力對(duì)應(yīng)蓄熱能力的溫度舉例：當(dāng)量空氣法Methane(CH4)isburnedinairataconstantpressurewith298Kand1atm.Determinetheadiabaticflametemperatureforthisconditionassumingcompletecombustion.BalanceChemicalEquation CH4+2(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+7.52N2Applyingenergybalanceandtheadiabaticassumption,wehave

Nowsolvetheairenergyequationdirectly,wehave三種方法之比較欠燃料/富氧燃燒富燃料/欠氧燃燒火焰溫度的數(shù)值計(jì)算方法StanjanGasEQCanteraChemkin166化學(xué)當(dāng)量比火焰167空氣中的燃燒火災(zāi)中的典型溫度典型火焰場(chǎng)合火焰溫度范圍理論上的極端（不可逆，化學(xué)當(dāng)量比，無(wú)惰氣）~6000K真實(shí)火焰可以達(dá)到的最高溫度（可逆，化學(xué)當(dāng)量比，無(wú)惰氣）~3000K在空氣中發(fā)生的化學(xué)當(dāng)量比燃燒~2400K火焰被惰化，接近熄滅時(shí)的溫度~1800K低燃限處發(fā)生點(diǎn)火的溫度~1600K火場(chǎng)可測(cè)量的溫度范圍900~1000℃大型油池火焰的最高溫度1100~1200℃蠟燭火焰尖端的溫度320~550℃?zhèn)}庫(kù)儲(chǔ)存架火災(zāi)溫度870℃室內(nèi)火災(zāi)，天頂層煙氣溫度>600℃室內(nèi)火災(zāi)，可以達(dá)到的峰值溫度1200℃室內(nèi)火災(zāi)，轟燃后溫度900~1000℃真實(shí)火焰的絕熱假設(shè)真實(shí)火焰為什么達(dá)不到絕熱火焰溫度？燃燒產(chǎn)物會(huì)分解高溫帶來(lái)輻射熱損失如何增加火焰溫度？預(yù)熱燃料去除氮?dú)庠黾友鯕忸A(yù)熱燃料提高火焰溫度總結(jié)火焰溫度是能量守恒的平衡點(diǎn)；基于完全燃燒反應(yīng)的絕熱火焰溫度是可以估算的。氧氣控制燃燒過(guò)程的能量釋放，而氮?dú)鈩t主導(dǎo)決定火焰溫度。估算方法與數(shù)值預(yù)報(bào)的結(jié)果近似，顯示火焰溫度計(jì)算的魯棒性robustness，尤其是欠燃（富氧）燃燒。172火災(zāi)動(dòng)力學(xué)燃燒化學(xué)之反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2019摩爾定律戈登摩爾（1929~）1965年提出“摩爾定律”，1968年創(chuàng)辦Intel公司，1987年將CEO的位置交給安迪·葛洛夫。蠟燭火焰的解剖反應(yīng)率燃燒是一種反應(yīng)

，因此反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的原則適用于：反應(yīng)速率正比于反應(yīng)物濃度；反應(yīng)速率正比于催化劑濃度；催化劑是在反應(yīng)中增加反應(yīng)速率卻不會(huì)消耗的物質(zhì)；催化劑的面積越大，意味著反應(yīng)率越大；高溫有利于加速反應(yīng)；176176基本化學(xué)反應(yīng)率方程阿累尼烏斯因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了反應(yīng)率依賴于溫度的關(guān)系而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)k=rateconstantA=frequencyfactorforcollisionsEa=activationEnergy(J/mol)R=Gasconstant(8.3145J/Kmol)T=TemperatureinKelvin(19February1859–2October1927)

SvanteArrhenius阿累尼烏斯公式Arrheniusequation燃燒與放熱、吸熱反應(yīng)Heatofcomb.Fuel@InitialstateFlame@AFTProducts@FinalstateEnergyabsorbingEnergyreleasing求解活化能Ea斜率是-Ea/R；截距是lnA;從斜率可以獲得活化能。如果ln(k)對(duì)溫度倒數(shù)的關(guān)系是線性的，斜率是

-2.19x104。請(qǐng)問(wèn)反應(yīng)的活化能是多少?Slope=-Ea/R-2.19x104K=-Ea/8.3145J/KmolEa=1.82x105J/mol=182kJ/mol例題：活化能例題：反應(yīng)常數(shù)k如果在298K時(shí),k=3.55x10-2/sec且Eais49.7kJ/mol，請(qǐng)問(wèn)在350K時(shí)的反應(yīng)常數(shù)是多少?ln(3.55X10-2)–lnk2=(49.7x103/8.3145)[1/350–1/298]-3.33822-lnk2=-2.9802lnk2=-0.35802k2=e-0.35802k2=0.699sec-1披薩故事[1]Leenson,I.A.,TheArrheniusLawandStorageofFoodinaFreezer,JournalofChemicalEducation,Vo.76,No.4,April1999.pp504-505儲(chǔ)存溫度儲(chǔ)存時(shí)間冷藏0C一天冷凍-6C一周冷凍-12C兩周冷凍-18C9個(gè)月一家位于俄國(guó)的披薩店，刊登了一份披薩的保鮮時(shí)間，被當(dāng)?shù)氐姆磻?yīng)動(dòng)力學(xué)家看出了問(wèn)題。這份保鮮記錄給出了關(guān)于披薩保鮮的4個(gè)時(shí)間，由于2點(diǎn)可畫(huà)一直線，3點(diǎn)可確認(rèn)一直線，那么第四點(diǎn)是否位于該直線上，就是一個(gè)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。以下是在不同時(shí)間下的保鮮記錄：假設(shè)這是披薩的腐敗過(guò)程（生物細(xì)菌分解作用）符合常規(guī)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，也就是阿累尼烏斯方程（Arrheniusequation），我們需要回答下列問(wèn)題：上述數(shù)字存在哪些不一致的的地方？這種產(chǎn)品如果需要保鮮4個(gè)月，其冷藏溫度應(yīng)當(dāng)是多少？準(zhǔn)備數(shù)據(jù)time(days)1714275ln(time)0.001.952.645.62Temperature(0C)0-6-12-18Temperature(K)2732672612551000/T3.663.753.833.92or

所以第一部分的答案是，在-12的儲(chǔ)藏溫度下，保鮮時(shí)間是或者說(shuō)t=40.4天。第二部分的答案是，在四個(gè)月(122天)時(shí)，，或T=258K=-15。也就是說(shuō)，當(dāng)儲(chǔ)藏溫度保持在-15時(shí)，可以讓披薩保鮮4個(gè)月。上述所有數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖中得到展示。主要火災(zāi)的失火原因SourcePercentofAccidentsElectrical23Smoking18Friction10OverheatedMaterials8HotSurfaces7BurnerFlames7…Cutting,Welding,Mech.Sparks6…StaticSparks1AllOther20散熱的作用NikolaySemyonov(1896~1986)

最低熱燃溫度

Minimalauto-ignitiontemperatureMaterialVariationAutoignitionTemperaturePentaneinair1.50%3.75%7.65%1018°F936°F889°FBenzeneIronflaskQuartzflask1252°F1060°FCarbondisulfide200mlflask1000mlflask10000mlflask248°F230°F205°FT0,1>T0,2>T0,3熱燃溫度導(dǎo)致熱點(diǎn)火的最低環(huán)境溫度（被稱作最低熱自燃溫度，Auto-IgnitionTemperature）是在一個(gè)加熱環(huán)境中，沒(méi)有點(diǎn)火源的場(chǎng)合，定義可燃蒸汽的點(diǎn)火危害的重要概念。這提供了存儲(chǔ)該燃料的最大許可環(huán)境溫度。例如，天津港大爆炸與當(dāng)天的環(huán)境溫度有關(guān)。常見(jiàn)的AIT列在下表中。這些數(shù)據(jù)是通過(guò)開(kāi)杯測(cè)試裝置獲得，最小的體積是2000立方厘米，允許的點(diǎn)火時(shí)間是數(shù)分鐘。對(duì)于點(diǎn)火臨界條件的判斷，通常認(rèn)為火焰的出現(xiàn)就是點(diǎn)火的判據(jù)。熱燃溫度依賴于：蒸汽的濃度；接觸的材料封閉的尺寸；伴隨著緩慢的氧化過(guò)程，熱量也會(huì)生成，如果不能及時(shí)耗散，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致熱點(diǎn)火；低揮發(fā)分的液體容易氧化，如LinsendOil；高揮發(fā)分的液體的揮發(fā)過(guò)程散熱，因此不會(huì)氧化；如果出現(xiàn)火焰，則是自燃spontaneouscombustion，如浸油的抹布，垃圾堆火災(zāi)等；自發(fā)氧化壓力致點(diǎn)火火活塞是一種點(diǎn)火裝置，早在1850年代，英國(guó)探險(xiǎn)家注意到東南亞的國(guó)家存在火活塞，用于點(diǎn)火。RudolphDiesel從中獲取靈感，發(fā)明了正壓點(diǎn)火裝置，迪塞爾馬達(dá)。狄塞爾循環(huán)（壓力點(diǎn)火）主動(dòng)點(diǎn)火Pilotignition發(fā)生熱失控之后，放熱曲線不會(huì)無(wú)限增加，這時(shí)候燃料供應(yīng)的限制開(kāi)始控制放熱過(guò)程，導(dǎo)致放熱曲線回頭落下，與散熱直線的交點(diǎn)，就是另一個(gè)平衡點(diǎn)。在該點(diǎn)，溫度降低導(dǎo)致放熱大于散熱，所以回到該點(diǎn)。溫度增加導(dǎo)致散熱大于放熱，所以也回到該點(diǎn)。這一點(diǎn)就是穩(wěn)定的有焰（flaming）燃燒。最小點(diǎn)火能基本定義：“在預(yù)期的測(cè)試條件下，可燃混合物中某一點(diǎn)發(fā)生的導(dǎo)致從該點(diǎn)向外無(wú)限傳播火焰的熱能釋放最低值”（NFPA68）大部分可燃物具有在常規(guī)空氣中的最小點(diǎn)火能的范圍時(shí)0.1到0.3mJ。在純氧中的最小點(diǎn)火能至少比空氣中的參數(shù)低一個(gè)數(shù)量級(jí)。沒(méi)有氮?dú)庾鳛槲鼰岵牧?，純氧中的放熱反?yīng)所需要的門(mén)檻可以輕易邁過(guò)，因此降低了最小點(diǎn)火能的要求。隨著壓力的增加，最小點(diǎn)火能也降低，這一點(diǎn)可以從能量守恒的觀點(diǎn)來(lái)理解。對(duì)于點(diǎn)火過(guò)程而已，環(huán)境壓力的作用相當(dāng)于做功，等價(jià)于能量輸入。最小點(diǎn)火能關(guān)于最小點(diǎn)火能的常識(shí)對(duì)最小點(diǎn)火能的認(rèn)識(shí)，存在下列的經(jīng)驗(yàn)性規(guī)則：對(duì)大多數(shù)可燃混合物而言，典型的最小點(diǎn)火能不低于0.10mJ，通常使用0.25mJ作防爆水平。特殊的燃料，如氫氣，會(huì)有一個(gè)較低的數(shù)值。對(duì)空氣中的可燃?xì)怏w，最低的最小點(diǎn)火（LMIE）能通常發(fā)生在化學(xué)當(dāng)量比濃度附近（不一定嚴(yán)格要求化學(xué)當(dāng)量比），不管是燃料濃度增加或減少，都會(huì)導(dǎo)致最小點(diǎn)火能MIE偏離最低的最小點(diǎn)火能（LMIE）。(Britton)對(duì)大部分可燃的粉塵，典型的MIE值是10mJ，盡管根據(jù)粉塵的類型、粒子尺寸的不同，存在很大的能量范圍。隨著環(huán)境溫度的增加，MIE降低。隨著環(huán)境壓力的增加，MIE降低。隨著環(huán)境惰氣濃度的增加，點(diǎn)火困難程度增加，MIE增加。人體感受到的靜電放電水平的能量大約是20mJ，比MIE高2個(gè)數(shù)量級(jí)。常見(jiàn)最小點(diǎn)火能，mJ最大實(shí)驗(yàn)安全距離

(17December1778

–29May1829)總結(jié)能量釋放率是阿累尼烏斯定理所控制的；點(diǎn)火的能量守恒可以用謝苗諾夫的理論來(lái)說(shuō)明；臨界火焰溫度對(duì)于決定反應(yīng)的狀態(tài)非常重要。199火災(zāi)動(dòng)力學(xué)氣體安全之可燃性實(shí)驗(yàn)2019克林電廠大爆炸,2010年代日期省份事件受傷死亡類型201510月10日安徽蕪湖發(fā)生液化氣罐爆炸17飯店20176月5日山東山東金譽(yù)石化爆炸910工業(yè)20177月2日貴州貴州黔西南州天然氣輸氣管爆炸358工業(yè)20169月19日江蘇無(wú)錫民宅煤氣泄漏爆炸55民居20156月12日遼寧葫蘆島一居民樓液化氣爆炸114民居20158月7日遼寧大連一居民樓液化氣爆炸64民居201510月2日遼寧丹東居民樓燃?xì)獗ㄖ?4民居201610月4日黑龍江哈爾濱小區(qū)燃?xì)獗?4民居20175月6日山西原平市一宿舍發(fā)生天然氣使用不當(dāng)中毒事件14民居20171月11日上海上海一四層樓房天然氣爆炸4民居燃?xì)獍踩灾卮笫鹿食械鹿艿烂簹庑孤┍?017年2月17日上午11點(diǎn)18分，河北承德市區(qū)盛華廣場(chǎng)武烈路與新華路交叉口附近發(fā)生爆炸，途徑爆炸點(diǎn)的一輛公交車和出租車車窗被震碎，2名錢庫(kù)KTV員工受傷，已送往醫(yī)院治療。2017年7月21日杭州商鋪爆炸事件7月21日上午8:30許，西湖區(qū)三墩鎮(zhèn)古墩路1185號(hào)商鋪發(fā)生爆燃。事故共涉及3個(gè)店鋪，分別是桐廬野魚(yú)館、臺(tái)州名小吃、瓦罐湯。過(guò)火面積為樓上樓下200平方，爆燃造成經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的公交車、出租車、私家車、電瓶車等不同程度受損和人員傷亡。提綱回顧氣體可燃性的實(shí)驗(yàn)研究如何利用可燃性圖？如何計(jì)算多燃料混合物的可燃限？戴維的開(kāi)創(chuàng)性研究英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)主席戴維使用的方法仍然沿用至今；戴維死于神秘的氣體中毒（笑氣）缺點(diǎn)：火焰蔓延的方向性經(jīng)典的可燃性測(cè)量方法BOM裝置ASTME681化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(GB/T21844-2008)ASTME2079-1化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(GB/T21844-2008)

2023/9/17測(cè)試結(jié)果其他測(cè)試方法Goethals,etal.,JHM,1999溫度對(duì)可燃性圖的影響如何使用可燃性圖？如何利用可燃性圖？216惰性氣體的

標(biāo)準(zhǔn)可燃性圖溫度的影響LEL,%影響可燃性的要素：惰氣、溫度、點(diǎn)火能壓力對(duì)可燃性的影響InitialPressure,Atm.NaturalGas,volume%NaturalGasInAirat28oC可燃性的經(jīng)驗(yàn)公式Jones’rule220瓊斯定理/勞埃德定理LFL=A*CstC,H,Ocompounds 0.537Amines 0.692Chlorides 0.609Dichlorides 0.716Bromides 1.147Sulfur-containingcompounds0.577更多的擬合關(guān)系Ignitionhandbook(Babrauskas,page110)混合物的可燃性勒夏特列定理LeChatelier’srule主要的假設(shè)一套熱系統(tǒng)是二元并簡(jiǎn)單累加（additive）的。在點(diǎn)火的臨界條件下，火焰結(jié)構(gòu)是相似的，因此臨界絕熱火焰溫度是常數(shù)；定臨界絕熱火焰溫度CAFT意味著能量項(xiàng)可以簡(jiǎn)單累加（additive）；氧氣在反應(yīng)中發(fā)揮相同的放熱作用；223舉例：勒夏特列定理計(jì)算含有84%甲烷，10乙烷和6%丙烷的混合物的低燃限是多少？

(Drysdale’sbook,p107)224例題2speciesnameconcentrationLFL(%)UFL(%)COCarbonmonoxide27.312.574H2Hydrogen12.44.075CH4Methane0.7515N2Nitrogen53.4CO2Carbondioxide6.2Reference:Dressler’sbook:page52下列混合物的可燃限是多少？225經(jīng)典方法Step1:把氣體配成燃?xì)?惰氣組27.3%CO+6.2%CO2=33.5%12.4%H2+53.4%N2=65.8%0.7%CH4=0.7%Step2:對(duì)每組氣體求取可燃限Step3:把每組氣體當(dāng)作燃?xì)?，使用LeChatelier’sruleRatioLFLUFL10.2177024.3237630.0515總結(jié)可燃性是理解點(diǎn)火、爆炸與滅火的重要概念；在200多年的實(shí)驗(yàn)研究之后，BOM垂直管蔓延實(shí)驗(yàn)取得主導(dǎo)地位，然而爆炸球的測(cè)試方法一直在進(jìn)步。后者避免避免損失效果更好；勒夏特列公式是估算氣體可燃性的好方法，但是對(duì)處理惰氣的作用效果不好。227火災(zāi)動(dòng)力學(xué)氣體安全：熱平衡法2019提綱熱平衡法可以用來(lái)

展示可燃限的物理含義；計(jì)算混合物的可燃限特征；稀釋劑的作用；推導(dǎo)和驗(yàn)證可燃限的經(jīng)驗(yàn)性擬合公式；CAFTArN2O2CO2Air1300K0.6550.9911.0461.5781.01600K0.6420.9921.0461.6031.01850K0.6320.9921.0461.6151.0MWRatio0.6240.9711.1101.5261.0可燃?xì)怏w的熱指紋臨界火焰溫度富養(yǎng)燃燒欠氧燃燒一套熱力系統(tǒng)是二元的（吸熱和放熱），可以疊加的；在預(yù)期的臨界火焰附近，火焰結(jié)構(gòu)是相似的，因此臨界絕熱火焰溫度CAFT大體維持穩(wěn)定。由于CAFT保持不變，空氣的基準(zhǔn)焓值差（火焰溫度到環(huán)境溫度）可以當(dāng)做基準(zhǔn)來(lái)對(duì)其他成分進(jìn)行當(dāng)量校訂；QD=1.7，意味著二氧化碳在臨界火焰的吸熱能力是空氣的1.7倍。由于混合過(guò)程并不改變臨界絕熱火焰溫度，這些溫度項(xiàng)可以簡(jiǎn)單累加，可以在不同燃料直接進(jìn)行累加。在臨界條件下，基于氧氣的釋熱率依然適用。這一經(jīng)驗(yàn)性的定律把低燃限和高燃限的臨界狀況整合成一套熱力系統(tǒng)。理論一定依賴某種假設(shè)熱平衡法Energybalanceattheflammabilitylimits.Heatingandquenchingpotentials.熱平衡法圖示的混合物能量平衡LFLUFL能量平衡熱指紋可燃性234能量的累加Finalsolution:Additiverules:

WrongRight235什么是可燃性？Graphicalrepresentationofflammabilitylimits燃料的混合物Fuel

EthylAcetate5.00.6350.02200.11509.788110.8437

Ethanol3.00.2080.04300.19006.358011.8914

Toluene9.00.1570.01400.068012.978817.3465Mixture5.2121.0000.02060.114410.261311.1020

LeChatelier'sRule0.02070.1133

Relativeerror(%)-0.6791.021

236HQR=1定義極限值237FuelCH420.1520.0530.15012.27615.07230.144N2

0.798

0.992CO2

0.050

1.750Mixture0.3041.0000.3530.4412.74515.0724.582稀釋劑的作用溫度的依賴性240優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)對(duì)燃料混合物，與勒夏特列定理等價(jià)兼容；簡(jiǎn)單計(jì)算，填表操作；可以擴(kuò)展到惰性氣體，相互轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)性的方法，可以擴(kuò)展。局限性依賴輸入數(shù)據(jù)的精度，避免不同平臺(tái)的測(cè)試結(jié)果一起比較；需要假設(shè)火焰的結(jié)果是相似的；無(wú)法微調(diào)結(jié)果，不能改進(jìn)精度，只能用于估算。與LCR之間的等價(jià)性推廣到混合物的擬合式GasesorflammableliquidsCombustibleliquids經(jīng)驗(yàn)性擬合式CorrelationforLFLCorrelationforEHPHanley(1998)Hshieh(1999)n/aSuzuki(1994)n/aSpakowski(Santamariaetal.1998)Current基于能量的擬合式基于氧氣的擬合式Sources

OriginalcorrelationCorrelationforEHPJones/Lloyd/Zabetakis(1965)Britton(2002,2003)Pintar(1999)Hilado(1975)(CHOcompoundsonly)Monakhov(1985)Beyler(2003)(Donaldsonetal.(2006)currentLFLCorrelations瓊斯定理推論247OriginalcorrelationCorrelationsforQHRZabetakisPintarMonakhov(<7.5)Monakhov(>7.5)Donaldsonetal.Beyler()Correlation#1Correlation#2基于氧氣的擬合式高燃限的擬合公式4種方法的比較FuelXiCOHc(MJ/mol)LFLUFLQFHOEthylAcetate0.6355.002.06080.0220.1159.8010.85Ethanol0.2083.001.23550.0330.1906.3511.89Toluene0.1579.003.73390.0120.07117.2511.06Mixture

5.212.1518

10.2511.10LFL

0.02090.02100.02070.0206UFL

0.11080.12780.11330.1144

Oxygen-basedcorrelation(OBC)Energy-basedcorrelation(EBC)LeChatelier'sRule(LCR)Thermalbalancemethod(TBM)

并聯(lián)燃阻法（通用勒夏特列定理）

低燃限LFL高燃限UFL燃料惰氣一種可燃的混合物有下列成分：醋酸乙脂EthylAcetate(63.5%),乙醇Ethanol(20.8%)和

甲苯Toluene(15.7%)，請(qǐng)估算它們的可燃限范圍。例題：多燃?xì)饣旌螰uelxiC_OH_cLFLUFLQ_FH_OEthylAcetate0.6355.0002.0610.0220.1159.87010.865Ethanol0.2083.0001.2360.0330.1906.39411.899Toluene0.1579.0003.7340.0120.07117.36711.078Mixture

5.2032.148

10.30711.102LFL

0.020810.020900.020760.02064UFL

0.139630.139790.113460.11448

OBCEBCLCRTBM基于氧氣（化學(xué)）的OBC基于燃燒熱（物理）的EBC基于熱平衡法的TBM基于勒夏特列定理的LCR已知一燃料（甲烷）與氮?dú)獾幕旌衔锏亩铓馊細(xì)獗龋捎盟姆N方法計(jì)算其混合物的低燃限（LFL）如下。請(qǐng)繼續(xù)計(jì)算另外兩種可能性，并填表。例題：?jiǎn)稳細(xì)庀♂寙?wèn)題Fuel,Methane(%)Diluent,N2(%)ROBCEBCTBMLCR100005.24%5.41%5.0%5.0%80200.256.46%6.67%6.25%6.25%50501.09.95%10.26%10.00%10.00%20804.021.65%22.22%24.96%25.00%一種氣體混合物包括15.2%的甲烷、79.8%的氮?dú)夂?%的二氧化碳。請(qǐng)問(wèn)，該混合物的可燃限是多少？例題：?jiǎn)稳細(xì)舛喽铓庀♂寙?wèn)題FuelxiCOH_CLFLUFLQF

HO

HFCH40.15220.80230.0530.1512.27615.07230.144N20.798

0.992

CO20.050

1.75

Mixture1.0000.3530.4412.74515.0724.582熱平衡法通用勒夏特列定理各種方法的誤差比較LCRTBMEBCOBCLFL1.695%1.694%7.6%10.2%UFL7.362%7.325%37.2%40.2%255使用日本人的數(shù)據(jù)，9種燃料，87套組合，驗(yàn)證的誤差如下：Kondo,S.,Takizawa,K.,Takahashi,A.,Tokuhashi,K.,Sekiya,A.,Astudyofflammabilitylimitsoffuelmixtures,JournalofHazardousmaterials,155(2008)440-448.

Alistof9representativefuelsareusedforflammablemixture:Methane，Propane,Ehtylene,Propylene,Dimethylether,Methylformate,1,1-Difluoroethane,Ammonia,Carbonmonoxide總結(jié)可燃限的估算是基于加熱與冷卻之間的平衡狀態(tài)；熱平衡理論等價(jià)于勒夏特列定理，但有處理惰氣的優(yōu)勢(shì)；基于熱平衡的經(jīng)驗(yàn)公式可以作為所有擬合公式的基礎(chǔ)框架，滿足大部分需求；熱平衡理論是基于填表操作，可以用EXCELSpreadsheet來(lái)完成。257火災(zāi)動(dòng)力學(xué)氣體安全之可燃性圖2019本節(jié)目標(biāo)介紹引入四種可燃性圖引入三套概念：可點(diǎn)性、可爆性與可燃性可燃性圖的重要臨界點(diǎn)可燃性圖的推廣應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)可燃性圖標(biāo)準(zhǔn)可燃性圖燃爆三角形圖標(biāo)準(zhǔn)圖燃料與氧氣作坐標(biāo)軸有利于復(fù)雜惰氣復(fù)雜燃料的場(chǎng)合有利于展示可點(diǎn)性與可爆性稀釋可燃性圖稀釋圖稀釋可燃性圖2023/9/17

如何推導(dǎo)？惰性點(diǎn)控制方程邊界線HydrogenMethaneEthyleneCarbonmonoxideEthanePropene理論與實(shí)驗(yàn)的差距HQR可燃圖（1/2）基于燃料的可點(diǎn)性圖基于氧量的可爆性圖HQR可燃圖（2/2）基于燃料/氧量的可燃性圖三元可燃性圖五點(diǎn)法繪制三