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燃烧

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燃烧的木头
燃烧的木头

燃烧(Combustion)是一个快速放热过程,是可燃物氧化剂相互做氧化还原化学反应时,化学能快速释放热能辐射能的过程。由于化学能势能,而热能辐射能动能,宏观而言燃烧是势能转换为动能的过程。

传热的速度会造成燃烧定义的灰色地带——铁因为有氧化作用可视作燃烧,尽管其传热极其缓慢;而仅传热而完全不氧化的电灯泡(电灯泡内无氧)则不是燃烧。[1]

发光发热的氧化还原反应都可以属于广义上的燃烧。

燃烧需要三种要素并存才能发生,分别是可燃物如燃料、助燃物如氧气、以及温度要达到燃点。燃烧三要素并称为火三角。助燃物是燃烧反应中的氧化剂,氧气是燃烧反应中最常见的助燃物,但其他化合物也可能是助燃物,例如镁带可以在二氧化碳中燃烧,此时二氧化碳即为助燃物。

在一个完整的燃烧反应中,一物质和氧化剂(如氧气、氟气)反应,其生成物为燃料的各元素氧化反应后的产物。例如:

能量
能量

然而在真实情况下不可能达到完整的燃烧反应。当燃烧反应达到化学平衡时,会产生多种主要和次要产物;例如燃烧时会产生一氧化碳和煤烟。此外,在大气中发生燃烧反应时,因为大气中含有78%的氮气的缘故,会产生各式各样的氮氧化物氮化物

分类——按能量传递方式

燃烧过程所转化的能量有两大传递方式:

缓燃

缓燃(Deflagration)以传热方式、低于音速地燃烧,日常绝大部分火灾皆属缓燃,可以有但不必全有光(即火焰)、热、烟。低于音速的爆炸亦属缓燃。与另一大能量传递方式都有俗称爆燃而彼此混淆。而闷烧(Smouldering)特指冒但没光(即没火焰)的火。

爆轰

爆轰(Detonation)以冲击波方式、超音速燃烧。超音速的爆炸亦属爆轰。与另一大能量传递方式都有俗称爆燃而彼此混淆。

缓燃向爆轰转捩

缓燃向爆轰转捩英语deflagration to detonation transition(DDT,Deflagration to detonation transition)

分类——按化学反应是否完整

完全燃烧

甲烷的燃烧
甲烷的燃烧

完全燃烧是指燃料和充量的助燃物完全进行燃烧反应。当碳氢化合物在氧气中燃烧时,一般会产生二氧化碳。化学元素在燃烧时多半会生成氧化物﹐例如碳会变成二氧化碳﹐硫会变成二氧化硫﹐铁会变成氧化铁。若助燃物是氧气时,氮一般是视为不会燃烧,但若助燃物是空气时,会形成少量的氮氧化物NO
x
)。

燃烧后的产物不一定是氧化数最高的氧化数,而且形成的氧化数和温度有关。例如将硫在空气中燃烧,不容易形成三氧化硫。在温度超过2,800 °F(1,540 °C)时,会开始产生NO
x
,更高温时的NO
x
更多。NO
x
的量也会随氧过量的比例而变[2]

不完全燃烧

如氧气不足(即不完全燃烧),则产生一氧化碳,足以在一到两个小时内在一般住宅空间导致昏迷[3]

本质

链反应理论

近代的链反应理论将燃烧解释为游离基链式反应,在反应过程中发光、放热。这个理论将燃烧的链式反应分为三个阶段:“链引发”、“链传递”、“链终止”。

链引发阶段即产生游离基并形成反应链的阶段。产生游离基的方法有很多,包括但不限于点燃光照辐射催化、加热。少数物质间会自发化合引发燃烧,如氟气氢气在冷暗处就能剧烈燃烧引发爆炸。

链传递阶段,游离基反应的同时又产生更多的游离基,使燃烧持续甚至扩大。

链终止阶段,游离基失去能量或者所有物质反应尽,没有新游离基产生而使反应链断裂,反应结束。

参见

参考

  1. ^ 吴玉祥. 消防工程. 五南图书出版股份有限公司. 2005: 17 [2014-03-27]. ISBN 978-957-11-3936-4. (原始内容存档于2014-09-25). 
  2. ^ The formation of NOx页面存档备份,存于互联网档案馆). Alentecinc.com. Retrieved on 2010-09-28.
  3. ^ 103年警察特考三等消防警察. 104年一般警察四等行政警察人員歷年試題合輯. 千华数位文化. 2015: 191. 
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