燃烧学基础知识摸底测试

能源科学与工程学院2009级研究生燃烧学基础知识摸底测试姓名专业研究方向本科毕业学校一．名词解释（20 分，每小题2 分）1．燃料的高位发热量和低位发热量2．过量空气系数3．层流火焰传播速度4．预混火焰和扩散火焰5．质量作用定律答：19世纪中期，G.M.古德贝格和P.瓦格提出：化学反应速率与反应物的有效质量成正比。

此即质量作用定律，其中的有效质量实际是指浓度。

近代实验证明，质量作用定律只适用于元反应[1]，因此该定律可以更严格完整地表述为：元反应的反应速率与各反应物的浓度的幂的乘积成正比，其中各反应物的浓度的幂的指数即为元反应方程式中该反应物化学计量数的绝对值。

如对元反应I2＋H2→2HI，其速率方程式可根据质量作用定律写作：r=k【I2】【H2】式中r为反应速率，［I2］、【H2】分别为反应物I2和H2的浓度，k称为反应的速率常数。

根据质量作用定律，元反应的级数与反应的分子数是相等的。

6．斯蒂芬流答：在燃烧问题中，高温气流与其相邻的液体或固体物质之间存在着一个相分界面。

了解相分界面处物质传递的情况，对于正确地写出边界条件，正确地研究各种边界条件下的燃烧问题是十分重要的。

在燃烧物体中，在相分界面处存在着法向流动，这与单组分流体力学问题是不相同的。

通常单组分粘性流体在流过惰性表面时，如果气压不是很低，则在表面处将形成一层附面层（边界层）。

但是多组分流体在一定条件（相分界面发生物理或化学过程等）下，在界面处将形成一定的浓度梯度，因而可能形成各组分法向的扩散物质流。

如果相分界面上有物理或化学过程存在，那么这种物理或化学过程也会产生或消耗一定的质量流。

于是在物理或化学过程作用下，表面处又会产生一个与扩散物质流有关的法向总物质流。

这个总物质流是由表面本身因素造成的。

这一现象是斯蒂芬流在研究水面蒸发时发现的，因此称为斯蒂芬流。

要强调的是，斯蒂芬流是由扩散以及物理化学过程两个作用共同产生的。

7．绝热火焰温度答：由于火焰温度对化学反应速率所起到的作用，火焰温度可能是燃烧最重要的一个性质。

火焰温度既可以通过实验测量出来，又可以通过计算得到。

为了方便起见，引入了绝热火焰温度的概念。

绝热火焰温度指的是，在一定的初始温度和压力卜，给定的燃料(包含燃料和氧化剂)，在等压绝热条件下进行化学反应，燃烧系统(属于封闭系统)所达到的终态温度。

在实际中，火焰的热量有一部分以热辐射和对流的方式损失掉了，所以绝热火焰温度基本上不可能达到。

然而，绝热火焰温度在燃烧效率和热量传递的计算中起到很重要的作用。

对于高温火焰(高于1800 K )，燃烧产物发生了分解反应，不但体积增大，还吸收了大量的热量。

在低温时，化学当量比混合物或者贫燃料混合物燃烧后的产生应该只有CO2和H2O，然而这些产物很不稳定，只要温度稍高一点，就可能部分转变为成简单的分子、原子和离子形式(例如，C0, H2, O, H和OH)。

相应地在转变过程中，能量被吸收，最大火焰温度也相应地被减小了。

绝热火焰温度的影响因素很多，主要有空气/燃料比、初始温度和初始压力。

8．化合物的反应焓：9．着火感应期10. 索太尔平均粒径二、填空题（15 分，每空1 分）1．液体燃料燃烧的过程分为液体燃料首先，再。

2．设某一反应温度由400℃增至410℃时，反应速率将增加至原来的(e=2.718)倍，该反应的活化能等于J/mol。

3．燃烧过程产生的NOx 的主要成分是和。

4．列举三种煤的特种分析方法、、。

5．按照燃料和空气燃烧过程的气体动力学特性，固体燃料的基本燃烧方式可以分为、________和______三种。

6、液体燃料的雾化方式可分为________和_______两种类型。

7、煤粒一次热解后，生成的产物分为两大类，分别是_____和____。

三、简答题（40 分，每小题5分）1．归纳分支链锁反应的反应步骤。

2．化学热力学和化学动力学各研究什么问题？答：化学热力学主要从能量的角度来说的，比方说两个粒子要形成配位化合物，理论上可不可行，生成物能量是否更低，这就是热力学的问题。

但在实际进行反应的过程中，会不会因为其中一个粒子支链太多（如一些多支链的有机物）而使得配体无法进去（通俗点说就是位置不够，放不下），这就是动力学要研究的问题。

3．列举5 种工程上常用的火焰稳定方法。

4．简述湍流预混火焰的分类和特点。

5．说明煤粉燃烧过程中一次风的作用。

6、按照碳粒燃烧的速度，碳燃烧过程可以分为那几个控制区？在每个燃烧控制区，为缩短碳的燃尽时间应该采取哪些措施？7．煤粉在纯氧中燃烧时会产生NOx，请说明NOx的生成途径有哪些？分析最主要的生成途径的NOx生成机理和抑制该类型NOx生成的措施。

8．如果将燃烧过程中过量空气系数自1提高到1.2，对燃料燃尽会有何影响？如果进一步提高过量空气系数到2.2，对燃料燃尽和化学反应速度会有何影响？试用有关理论分析之。

四、假定：1）油滴为均匀对称的球体；2）油滴随风飘动，与空气没有相对运动；3）燃烧进行得很快，火焰面很薄；4）油滴表面温度为饱和温度；5）忽略对流与辐射换热；6）忽略油滴周围的温度场不均匀对热导率、扩散系数的影响；7）忽略斯蒂芬流。

试计算火焰锋面的直径、油耗量，以及油滴直径与时间的关系。

（10 分）五、写出你对燃素说的认识。

（10分）六、你对本课程有何期待？你认为燃烧理论研究和技术研究发展的主要方向有哪些？ (5分)燃素说燃素说燃素学说（The Phlogiston Theory）是三百年前的化学家们对燃烧的解释,他们认为火是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体。

这种火的微粒既能同其他元素结合而形成化合物，也能以游离方式存在。

大量游离的火微粒聚集在一起就形成明显的火焰，它弥散于大气之中便给人以热的感觉，由这种火微粒构成的火的元素就是“燃素”。

燃素充塞于天地之间，流动于雷电风云之中。

在地上，天上，海洋，陆地，动、植、矿物，和人的心中都含有它。

大气中含有燃素，因而会在空气中引起闪电，而使大气动荡不已；生物含有燃素就富有生机；无生命物质含有燃素，就会燃烧。

燃素不仅具有各种机械性质，而且又像灵魂一样，本身就是一种动因，是“火之动力”。

物体失去燃素，变成死的灰烬，灰烬获得燃素，物体又会复活。

物质在加热时，燃素并不能自动分解出来。

而须外加空气将其中燃素吸取出来，燃烧才能实现；上好的空气是具有吸收燃素的性质的。

腐蚀剂夺取了金属中的燃素，金属就被腐蚀;煅烧金属，金属失去尊贵的光芒而变成渣滓——当赋予它们以燃素，它们又变得不可一世。

物体中含燃素越多，燃烧起来就越旺；含的燃素少，燃烧起来就弱。

上好的空气是具有吸收燃素的性质的，因此物体必须在空气中才能燃烧；各种实体都是由物体所共有的基本物质（元素）和该物体所特有的“灵气”所构成．并可以用火炼的方法使其分离。

当实体被加热时，“灵气”便从实体中逸出。

由于金属等物质被氧化后质量增重，有的科学家认为燃素和“灵气”一样与地心是相排斥的具有负重量（即所谓“轻量”），因此金属失去燃素时，重量反而增加了。

有人说，金属失去燃素，好比活着的人失去了灵魂，因此就象死体比活着的时候要重那样，“死”的灰渣自然就比活的金属重。

燃素说后被证明是错误的。

燃素说是形成于17世纪末、18世纪初的一个解释燃烧现象甚至整个化学的学说。

燃素说认为，可燃的要素是一种气态的物质，存在于一切可燃物质中，这种要素就是燃素（phlogiston）；燃素在燃烧过程中从可燃物中飞散出来，与空气结合，从而发光发热，这就是火；油脂、蜡、木炭等都是极富燃素的物质，所以它们燃烧起来非常猛烈；而石头、木灰、黄金等都不含燃素，所以不能燃烧。

物质发生化学变化，也可以归结为物质释放燃素或吸收燃素的过程。

例如，煅烧锌或铅，燃素从中逸出，便生成了白色的锌灰和红色的铅灰；而将锌灰和铅灰与木炭一起焙烧时，锌灰和铅灰从木炭中吸收了燃素，金属便又重生了出来。

酒精是水和燃素的结合物，酒精燃烧后，便剩下了水；金属溶于酸是燃素被酸夺去的过程。

在当时，燃素说不能自圆其说并受到最大责难的就是金属煅烧后增重的事实随着人们对化学反应进行了更多的定量研究之后，燃素说就更加陷入了重重自相矛盾的境地。

直到18世纪70年代，氧气被发现之后，燃烧的本质终于真相大白，燃素说才退出了历史舞台。

最早，医疗化学家曾经设想化学物质含有三大元素：硫为易燃的元素，汞为流动性和挥发性的元素，盐为固定和不活动的元素。

到了17世纪，美因茨大学医学教授约钦姆贝歇尔（Joachim Becher）略微修改了医疗化学的学说，于1669年主张固体的泥土物质一般含有三种成分：“石土”，存在于一切固体中的一种固定的土，相当于早期医疗化学家的盐元素“油土”，存在于一切可燃物体中的一种油性的土，相当于硫元素“汞土”，一种流动性的土，相当于汞元素普利斯特里认为，一切可以燃烧的物体含有硫质的、油性的“油土”，在燃烧过程中，它在与其他“土”结合时逃了出来；也就是说，燃烧是一种分解作用，物质燃烧后，留下的灰烬是成分更简单的物质。

燃素说认为，燃烧和锻烧的过程牵涉到化合物分解为组成部分的过程，在最简单的情况下，也就是分解为硫质的“油土”和固定的“ 石土”。

理论上，简单的物体不能发生燃烧，因为含有“油土”和另一种土的物质必然是化合物。

18世纪，新的化学概念和燃素学说双方支持者展开激烈辩论。

1703年，德国哈雷大学的医学与化学教授格奥尔格·恩斯特·斯塔尔把普利斯特里的“ 油土”重新命名为“燃素”，并把这个理论发展成更广泛的理论体系，用以说明氧化、呼吸、燃烧、分解等很多化学现象。

金属是灰碴与燃素的化合物，加热释放了燃素而剩下灰碴。

总的说来，燃素为一切可燃物体的根本要素，油、脂、木、炭及其他燃料含有特别多的燃素。

当这些物体燃烧时，燃素便释出，或则进入大气中，或则进入一个可以与它化合的物质中如灰碴，从而形成金属。

到1740年，燃素理论在法国被普遍接受；十年以后，这种观点成为化学的公认理论。

然而，燃素说未能合理解释定量实验的结果；根据燃素说，镁在燃烧后会释出燃素，但实际上重量不减反增。

其后拉瓦锡证明氧在燃烧过程中必不可少，解释了燃烧后增加重量的现象，并为其后的Caloric theory奠下基础。

燃素说对燃烧现象正好做了颠倒的解释，把化合过程描述成了分解过程，但却使当时的大多数化学现象得到了统一的解释，帮助人们摆脱、结束炼金术思想的统治，使化学得到解放，在历史上起到了积极作用。

尽管燃素说本身是错误的，但它却引导和启发人们去思考、探索，并不断地实践、验证、修正假说或是得到新的发现。

也正是在这种不断的过程中积累起来的大量的科学实验材料，为科学的燃烧理论的创立准备了条件。