Газообразное топливо, пары жидкого топлива, воздух, продукты сгорания топлива состоят из различных химических компонентов, образующих газовую смесь. Состояние однокомпонентного газа определяется двумя термодинамическими параметрами: давлением и температурой, многокомпонентного – химическим составом, давлением и температурой. В процессе горения одни вещества исчезают и возникают другие. Термодинамика реагирующих в процессе горения веществ учитывает взаимные превращения веществ, энергии, теплоты и работы.
Состав сложной многокомпонентной смеси определяется концентрацией компонентов. Концентрацию i –го вещества в смеси определяют как число молекул Ni в единице объема V. В этом случае говорят о молекулярной концентрации
. (42)
Молярная концентрацияопределяет число молей ni в единице объема
. (43)
Плотность i –го вещества
, (44)
где mi – масса молекулы i – го вещества,
, (45)
где Mi –молекулярная масса i-го вещества; NA = 6,02*1023 моль-1 – число Авагадро. Число молекул i-го вещества можно определить из выражения Ni = NAni.
Используя вышеприведенные выражения, легко установить связь между концентрациями
. (46)
Используют также относительные концентрации:
- относительная молярная концентрацияопределяется отношением
, (47)
где – число молей в смеси всех веществ, занимающих объем V, отнесенное к этому объему, т. е. = С, тогда = 1;
- относительная массовая концентрация
(=; =1). (48)
Молекулярнаямасса смеси
. (49)
Отсюда
и . (50)
Приведенные соотношения справедливы как для газов, так для твердых и жидких однородных смесей, в которых компоненты распределены равномерно по всему объему.
В теории горения принимается, что все компоненты газовой смеси являются идеальными газами, т. е. в них отсутствует взаимное притяжение между молекулами, а объем молекул пренебрежимо мал по сравнению с объемом, занимаемым газом. Уравнение состоянияi-го газа устанавливает связь между его парциальным давлением рi, концентрацией , температурой Т:
, (51)
где k =1,38·10-23Дж/К – постоянная Больцмана. Известно, что k=R/NA, ранее было показано, что , тогда
, (52)
где R =8,31 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная.
Закон Дальтона,справедливый для идеальных газов, имеет вид
, (53)
т. е. давление смеси газов равно сумме парциальных давлений его компонентов.
Используя закон Авогадро (при одинаковых давлении и температуре одинаковые количества вещества различных идеальных газов занимают один и тот же объем), можно определить относительную молярную концентрацию i-го вещества из выражения
, (54)
где Vi – парциальный объем i-го вещества.
Уравнение химических реакцийв общем виде можно описать следующим выражением:
(i=1,2…,k), (55)
где i - номер реагирующего вещества; – стехиометрический коэффициент i-го реагента в прямой реакции (т. е. реакции, идущей слева направо); – то же для обратной реакции; Аi, Вi – химические символы i-х реагентов. Стехиометрические коэффициенты – это коэффициенты, определяющие количественные соотношения между реагирующими веществами.
Слева и справа от стрелок записаны все реагирующие вещества, исходные и конечные, так что = 0 для конечных продуктов = 0 для исходных реагирующих веществ прямой реакции.
Скорость химической реакции. Пусть за время в ходе химической реакции число молекул каждого реагирующего вещества из общего их количества i=1, 2, …, k изменится на значение . При отсутствии обмена массы реагирующих веществ с окружающей средой
, (56)
т. е. изменение количеств реагирующих веществ пропорционально их стехиометрическим коэффициентам. Это одно из определений известного в химии закона кратных отношений. В ходе химических реакций происходит превращение одних веществ в другие, молекулы исходных веществ в процессе химического реагирования исчезают, однако количество каждого типа атомов сохраняется неизменным. Равенство (56) выражает сам факт сохранения атомов при химических превращениях. Иначе закон сохранения атомовможно записать в форме
, (57)
где Вji – число атомов j-го типа в i-м веществе; сi0 – молярная концентрация вещества до реагирования. Изменение числа молей любого вещества в процессе реагирования называется скоростью реакций w=(dci/d)/ai, где – время.