احتراق در واقع یکی از واکنش های شیمیایی است که به آن سوختن نیز گفته می شود. (کپسول آتش نشانی)

احتراق معمولا زمانی رخ می دهد که گاز اکسیژن با یک هیدروکربن واکنشی از خود نشان دهند تا آب و همچنین دی اکسید کربن تولید شوند.

اگر بخواهیم به شکل کلی تر در خصوص این واکنش شیمیایی صحبت کنیم، باید بگوییم که احتراق، از واکنش میان هر یک از ماده های قابل سوختن در طبیعت به همراه یک ماده اکسیدکننده جهت شکل دادن یک محصول اکسیده شده حاصل می شود.

در نظر داشته باشید که احتراق، یک واکنش شیمیایی اگزوترمیک یا گرماده می باشد، با توجه به این موضوع، پس از انجام احتراق گرما آزاد خواهد شد، ولی
برخی اوقات واکنش به کندی ادامه دارد که تغییر و تحولات مرتبط با درجه حرارت قابل دیدن نیست.

با ایمن عارفی در این مقاله همراه باشید و لذت ببرید.

احتراق مواد

فرآیندی که طی آن مقداری از سوخت، اکسید شده و انرژی زیادی آزاد می شود را احتراق می گویند. اکسید کننده ای که اغلب در فرآیند احتراق استفاده می شود، هوا می باشد (به دلیل ارزانی و قابل دسترس بودن).

اکسیژن خالص را به دلیل گران قیمت بودن، تنها در بعضی از فرآیندهای خاص استفاده می کنند. در یک مول یا یک حجم خاص از هوای خشک، ۲۰.۹ درصد اکسیژن، ۷۸.۱ درصد نیتروژن،

۰.۹ درصد آرگون و مقادیر ناچیزی دی اکسیدکرین، هلیم، نئون و هیدروژن وجود دارد.

از آنجا که در فرآیند احتراق، آرگون شبیه نیتروژن عمل می کند، ترکیب هوا را به صورت ۲۱ درصد اکسیژن و ۷۹ درصد نیتروژن، توسط اعداد مولی در نظر می گیرند. لذا با ورود هوا، به ازای هر مول اکسیژن، ۳.۷۶=۰.۲۱/۰.۷۹ مول نیتروژن وارد می شود.

در طول احتراق، نیتروژن به عنوان یک گاز خنثی عمل کرده و به جز تشکیل مقدار کمی نیتریک اکسید، با ترکیبات موجود در فرآیند، واکنش نمی دهد. (کپسول آتش نشانی)

از آنجا که گاز نیتروژن در دمای کم و مقدار زیاد، وارد محفظه ی احتراق شده و در دمای بالا محفظه را ترک می کند، مقدار زیادی از انرژی احتراق را جذب کرده و در نتیجه، حضور آن فرآیند احتراق را شدیداً تحت تأثیر قرار می دهد.

در فرآیند احتراق، به ترکیبات قبل از واکنش، واکنش دهنده ها یا reactants و به فرآورده های واکنش، محصولات احتراق یا products می گویند.

در فرآیند زیر، یک مول اکسیژن با یک مول کربن واکنش داده و مقدار زیادی حرارت به همراه یک مول دی اکسید تولید می کند.

سوختن کامل و ناقص

در صورتیکه واکنش احتراق برای سوخت‌های ئیدروکربنی رخ دهد، همواره به تولید آب، مونواکسید کربن و دی اکسید کربن منجر می‌شود.

البته از بین این محصولات، آب یک محصول اجباری احتراق است در حالیکه مونواکسید کربن و دی‌اکسید کربن محصولات اختیاری به حساب می‌آیند.

در شرایطی که احتراق در حضور اکسیژن کافی انجام پذیرد، تمام کربن موجود در این سوخت‌ها به دی‌اکسید کربن تبدیل شده و می‌گوییم واکنش احتراق به صورت کامل انجام گرفته‌ است.

در غیر این صورت قسمتی و یا تمام کربن موجود در سوخت به مونواکسید تبدیل شده و می‌گوییم واکنش سوختن با کمبود اکسیژن همراه بوده و به صورت ناقص انجام شده‌است.

بدیهی است در صورتیکه اختلاط سوخت و اکسیژن به شکل مناسبی صورت پذیرد و یا مقدار اکسیژن بیشتر از مقدار استوکیومتری باشد، می‌توان واکنش سوختن را واکنش کامل در نظر گرفت. (کپسول آتش نشانی)

درصد تبدیل واکنش سوختن

به کسری از ماده اولیه که در یک واکنش شرکت می‌کند و به محصول تبدیل می‌شود، درصد تبدیل واکنش می‌گویند. لازم به ذکر است که در عمل درصد تبدیل واکنش یا همان راندمان واکنش، به ندرت به %۱۰۰ می‌رسد و غالبا اعداد پایین‌تری را اختیار می‌کند.

برای مثال در واکنش سوختن کامل متان، در حالت تئوری درصد تبدیل متان برابر %۱۰۰ خواهد بود و به ازای سوختن هر گرم‌مول متان، ۲ گرم‌مول O2 مصرف شده، ۱ گرم‌مولCO2و ۲ گرم‌مول H2O تولید شده و ۸۹۰ کیلوژول انرژی آزاد می‌گردد.

در صورتی‌که اگر واکنش احتراق مذکور با راندمان %۷۵ رخ دهد، به ازای هر گرم‌مول متان موجود در مواد اولیه، تنها %۷۵ آن به همراه ۵/۱ گرم‌مول O2 در واکنش شرکت می‌کند

و مابقی آن به همراه محصولات خارج می‌گردد. در این حالت این واکنش، ۷۵/۰ گرم‌مول CO2 و ۵/۱ گرم‌مول H2O تولید و ۸/۶۶۷ کیلو‌ژول انرژی آزاد می‌کند.

ظرفیت حرارتی سوخت

در طول یک واکنش شیمیایی، بعضی از پیوندهای شیمیایی که اتم ها را در کنار یکدیگر نگاه می دارند، شکسته شده و ترکیبات جدیدی تشکیل می شوند. انرژی شیمیایی متناظر با این پیوندها،در واکنش دهنده ها و محصولات واکنش متفاوتند.

لذا فرآیندی که با تغییر در ساختار شیمیایی همراه است، تغییر در انرژی شیمیایی را نیز به همراه دارد. برای تعیین انرژی حاصل از فرآیند احتراق، فرض می شود

که هیچ تغییری در انرژی جنبشی و پتانسیل سیستم روی نداده و تغییرات، تنها منحصر به حالت و ترکیب شیمیایی سیستم می باشند.

برای به دست آوردن انرژی حاصل از یک واکنش شیمیایی، احتیاج به یک نقطه ی مبنا داریم که انرژی ثانویه ی سیستم را نسبت به آن بسنجیم. (کپسول آتش نشانی)

این نقطه را در دمای ۲۵ درجه ی سلسیوس و فشار ۱ اتمسفر در نظر گرفته و آن را حالت استاندارد مرجع می نامند. در روابط، انرژی سیستم در این نقطه را، با اندیس ۰ نشان می دهند.

اگر فرض شود واکنش دهنده ها در دمای ۲۵ درجه ی سلسیوس و فشار ۱ اتمسفر وارد شده و محصولات نیز در همین شرایط از محفظه خارج شود، تغییر انرژی شیمیایی اتفاق افتاده بین واکنش دهنده ها و محصولات را آنتالپی احتراق می گویند.

شارژ کپسول آتش نشانی

شارژ کپسول آتش نشانی