高志崇

(泰山學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，山東 泰安 271000)

可燃?xì)怏w與空氣或氧氣混合時并不是在任何濃度范圍內(nèi)均可以發(fā)生爆炸，而必須是在一定的濃度范圍內(nèi)才能夠發(fā)生爆炸。其中，能夠發(fā)生爆炸的最低濃度為爆炸下限，能夠發(fā)生爆炸的最高濃度為爆炸上限。不同的可燃?xì)怏w有不同的爆炸極限，即使是同一種可燃?xì)怏w在不同的情況下也有不同的爆炸極限，也就是說，多種因素會影響爆炸極限。其中，初始溫度是影響爆炸極限的重要因素。在之前的研究中曾計(jì)算了不同初始溫度下甲烷爆炸后體系的溫度與壓力，從計(jì)算結(jié)果可以看出，不同初始溫度下甲烷爆炸后體系的溫度是很接近的［1］。下面討論丙酮在不同初始溫度、爆炸下限時爆炸后的溫度與壓力，以期對該問題有進(jìn)一步的認(rèn)識。

1 恒容熱效應(yīng)ΔU與光子的波長、數(shù)量之間的關(guān)系

光是一種非體積功。假設(shè)某爆炸反應(yīng)發(fā)出n mol波長為λ的光子，那么,爆炸反應(yīng)的內(nèi)能的變化與光子的量及波長之間的關(guān)系為［1-5］：

下面利用該公式討論不同溫度下丙酮爆炸反應(yīng)的極限。

2 丙酮燃燒反應(yīng)機(jī)理

根據(jù)丙酮燃燒反應(yīng)的溫度，提出了丙酮在空氣中燃燒反應(yīng)的機(jī)理［6］。丙酮在空氣中不完全燃燒，形成黑煙，在空氣中燃燒反應(yīng)的機(jī)理為：

丙酮在空氣中不完全燃燒的反應(yīng)式為:

由反應(yīng)式可以看出，1mol丙酮在空氣中不完全燃燒發(fā)出1mol光子。

3 不同溫度下丙酮在爆炸極限時爆炸產(chǎn)生的溫度與壓力

3.1 丙酮在0℃爆炸下限時爆炸產(chǎn)生的溫度與壓力

表1 不同初始溫度下丙酮爆炸的極限［7］及爆炸后溫度與壓力的計(jì)算值

0℃ 丙酮爆炸下限為4.2%。取丙酮的量為1mol，則反應(yīng)前總的氣體的量為n1=mol=23.81mol，空氣的量為22.81mol。按21%O2計(jì)算，則nO2=4.79mol,nN2=18.02mol。因而，丙酮在0℃ 爆炸下限時的反應(yīng)式為：CH3COCH3(g ) +4.79O2+18.02N2=3C(s)+3H2O(g)+3.79O2+18.02N2+hv.反應(yīng)后氣體物質(zhì)的量為n2=24.81mol，反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量的差值△n(g)=1mol。為方便計(jì)算起見，現(xiàn)將某些物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)列于表2。

表2 298.15K、101.325kPa下某些物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)［8］

為計(jì)算丙酮爆炸反應(yīng)的溫度與壓力，設(shè)計(jì)途徑見圖1。假設(shè)本文中所有其他均為理想氣體.對于理想氣體和純固體而言，內(nèi)能和焓僅僅是溫度的單值函數(shù)，因而，

圖1 丙酮在0℃、爆炸下限時設(shè)計(jì)途徑

?U與溫度T之間的關(guān)系式為：

丙酮在空氣中爆炸反應(yīng)的火焰為紅色，紅色的波長為650-750nm，取λ=750nm進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)（1）式，則有：

爆炸反應(yīng)在恒容的條件下進(jìn)行，因而，爆炸后的壓力為：

即丙酮在0℃、爆炸下限時的爆炸溫度為835.2K，爆炸時產(chǎn)生的壓力為322.83kPa。

3.2 其他溫度下丙酮在爆炸極限時爆炸產(chǎn)生的溫度與壓力

利用相同方法計(jì)算丙酮在50℃、100℃爆炸下限時?U與溫度T之間的關(guān)系式，進(jìn)而計(jì)算了爆炸后形成的溫度與壓力。取丙酮的量為1mol，不同溫度下丙酮爆炸時?U與溫度T之間的關(guān)系式見表3，爆炸后形成的溫度與壓力見表1。

表3 1mol丙酮不同初始溫度、爆炸下限時?U與溫度T之間的關(guān)系式

4 小結(jié)