Điện điện tử - Lý thuyết cháy (combustion: Theory and equipment)

LYÙ THUYEÁT CHAÙY (Combustion: Theory and Equipment) TS. Bùi Tuyên 1/ Teân hoïc phaàn: Lyù thuyeát chaùy 2/ Soá ñôn vò hoïc trình: 02 (30 tieát) 3/ Trình ñoä sinh vieân: naêm thöù 3, 4 4/ Phaân phoái thôøi gian: Lyù thuyeát: 28 tieát, Thí nghieäm: 2 tieát? 5/ Moân hoïc tröôùc: Nhieät ñoäng, Truyeàn nhieät. 6/ Moâ taû hoïc phaàn: Moân hoïc naøy giôùi thieäu veà cô sôû nhieät ñoäng hoùa hoïc lieân quan ñeán toác ñoä phaûn öùng chaùy; cô cheá töï baét löûa vaø moài löûa cuûa hoãn hôïp khí, quaù trình lan truyeàn ngoïn löûa trong hoãn hôïp tröôùc, ngoïn löûa trong doøng vaø söï oån ñònh cuûa ngoïn löûa; quaù trình ñoát chaùy caùc loaïi nhieân lieäu loûng vaø raén. Ngoaøi ra, caùc loaïi thieát bò ñoát coâng nghieäp cuõng ñöôïc giôùi thieäu qua. 7/ Muïc tieâu hoïc phaàn: Hieåu vaø bieát caùch phaân tích ñeå löïa choïn phöông phaùp ñoát chaùy coù hieäu quaû ñoái vôùi töøng loaïi thieát bò vaø töøng loaïi nhieân lieäu. 8/ Nhieäm vuï sinh vieân: - Döï lôùp: tham döï treân 80% thôøi gian ñeå ñuû ñieàu kieän döï thi - Tham gia thí nghieäm - Thaûo luaän 9/ Taøi lieäu hoïc taäp: Traàn Gia Myõ, Kyõ thuaät chaùy, NXB KH&KT, Haø Noäi 2005 Nguyeãn Só Maõo, Lyù thuyeát vaø Thieát bò chaùy, NXB KH&KT Haø Noäi, 2002. 10/ Ñaùnh giaù keát quaû hoï: - Thi giöõa kyø: chieám 40% ñieåm ñaùnh giaù -Thi cuoái hoïc kyø: chieám 60% ñieåm ñaùnh giaù 11/ Thang ñieåm: - Gioûi: 9 -10ñ - Khaù: 7-8ñ - Trung bình: 5-6ñ - Keùm:< 5ñ 12/ Noäi dung moân hoïc: Chöông 1. Cô sôû nhieät hoùa hoïc (8 tiết) 1.1 Giới thiệu về nhiệt-hóa 1.2 Toác ñoä phaûn öùng hoaù hoïc. 1.3 AÛnh höôûng cuûa noàng ñoä ñeán toác ñoä phaûn öùng hoaù hoïc 1.4 AÛnh höôûng cuûa nhieät ñoä ñeán toác ñoä phaûn öùng hoaù hoïc 1.5 AÛnh höôûng cuûa aùp suaát ñeán toác ñoä phaûn öùng hoaù hoïc 1.6 Phaûn öùng daây chuyeàn 1.7 Caân baèng hoaù hoïc 1.8 Enthalpy taïo chaát 1.9 Enthalpy phaûn öùng hoaù hoïc 1.10 Enthalpy phaûn öùng chaùy 1.11 Ñònh luaät Lavoisier veà nhieät phaûn öùng 1.12 Ñònh luaät Hess veà toång nhieät naêng caùc böôùc phaûn öùng 1.13 Nhiên liệu Chöông 2. Vaät lyù quaù trình chaùy (6 tiết) 2.1 Ñònh luaät Newton veà ñoä nhôùt 2.2 Ñònh luaät Fick veà khueách taùn 2.3 Khaùi nieäm veà lôùp bieân 2.4 Truyeàn nhieät qua lôùp bieân 2.5 Caùc ñònh luaät baûo toaøn Chöông 3. Chaùy nhieân lieäu khí (8 tiết) 3.1 Phaân loaïi ngoïn löûa 3.2 Moài löûa vaø löûa moài 3.3 Giôùi haïn noàng ñoä baét löûa; maët nguoäi 3.4 Söï lan truyeàn ngoïn löûa 3.4 Oån ñònh ngoïn löûa 3.5 Tính löôïng khoâng khí lyù thuyeát vaø löôïng khoùi 3.6 Caùc boä ñoát gas Chöông 4: Chaùy nhieân lieäu loûng (4 tiết) 4.1 Ñaëc ñieåm chaùy nhieân lieäu loûng 4.2. Nhieät ñoä chôùp chaùy vaø nhieät ñoä baét löûa 4.3 Chaùy gioït nhieân lieäu loûng 4.4 Bieán buïi daàu 4.3 Caùc voøi ñoát daàu coâng nghieäp Chöông 5. Chaùy nhieân lieäu raén (4 tiết) 5.1 Giôùi thieäu chung 5.2 Tính chaát nhieân lieäu raén 5.3 Tính toaùn löôïng khoâng khí lyù thuyeát vaø khoùi 5.4 Nghieàn than 5.5 Caùc buoàng ñoát than Chöông 1. CÔ SÔÛ NHIEÄT ÑOÄNG HOÙA HOÏC 1.1 Giới thiệu về nhiệt hoá (thermochemistry) Nhiệt động của hỗn hợp khí không phản ứng Hỗn hợp các chất khí không phản ứng hoá học với nhau (hỗn hợp cơ học tức là trộn lẫn thuần tuý, ví dụ không khí quanh ta) tuân theo định luật Gibbs-Dalton như sau: a. Áp suất của hỗn hợp bằng tổng áp suất riêng phần của từng chất khí thành phần nếu như chỉ mình khí đó chiếm nguyên thể tích hỗn hợp ở cùng nhiệt độ. Áp suất riêng còn gọi là phân áp suất. b. Nội năng, enthalpy, entropy của hỗn hợp sẽ tương ứng với tổng của nội năng, enthalpy, entropy của các khí thành phần nếu như chỉ mình khí đó chiếm nguyên thể tích hỗn hợp ở cùng nhiệt độ. Giả sử ta có a,b,ci loại chất khí lý tưởng trộn cơ học với nhau, số kmol tương ứng là na, nbni. Hỗn hợp này ở áp suất p, nhiệt độ T và chiếm thể tích V. Hỗn hợp tuân theo phương trình khí lý tưởng: pV=nRT trong đó n là số kmol của hỗn hợp. n = na + nb + ni do ñoù p = (na + nb + ni)RT/V = naRT/V + nbRT/V + niRT/V (1) töùc laø ñoái vôùi khí thaønh phaàn j baát kyø thì phaân aùp suaát cuûa noù pj = njRT/V (là áp suất mà giá như chỉ có 1 mình khí j chiếm trọn thể tích của hỗn hợp V ở cùng nhiệt độ T) Áp suất chung của hỗn hợp là p = pa + pb + + pi Thaønh phaàn mol cuûa töøng khí laø Xj = nj/n, suy ra Xa + Xb + Xi = 1 Nhieät ñoä laø chung: T = Ta = Tb = = Ti Theå tích thaønh phaàn là nhö nhau: V = Va = Vb = = Vi (mọi khí đếu khuyếch tán đều khắp thể tích chung V, không quan trọng có bao nhiêu loại khí trong hỗn hợp). Thể tích riêng phần hay phân thể tích là khái niệm khác. Đó là thể tích chất khí thứ i chiếm riêng nó khi ở áp suất và nhiệt độ như của hỗn hợp. Hỗn hợp cơ học của các khí lý tưởng có các tính chất của khí lý tưởng, tuân theo phương trình vạn năng (phổ biến) ở dạng (1). Các tính chất nhiệt học cụ thể (nhiệt dung riêng, khối lượng riêng ...) của hỗn hợp phụ thuộc vào các khí thành phần, theo tỷ lệ mol. Chuùng ta chæ ño ñöôïc caùc khí thaønh phaàn khi chöa coù phaûn öùng hay trong caùc traïng thaùi caân baèng. Luùc phaûn öùng hoaù hoïc ñang xaåy ra thì coù söï chuyeån hoaù lieân tuïc töø chaát naøy sang chaát kia. Đo các giá trị tức thời là rất khó. Ta thường dùng caùc kieán thöùc neâu treân laøm cô sôû ñeå suy dieãn. Nhiệt hoá học nghiên cứu về năng lượng xuất hiện khi xẩy ra phản ứng hoá học và gắn liền với phản ứng đó. Đốt tờ giấy là một loại phản ứng hoá học. Nó phát ra nhiệt. Ta cũng đoán được rằng đốt hai tờ giấy như nhau thì nhiệt lượng giải phóng ra 2 lần nhiều hơn nhiệt khi đốt 1 tờ. Có những phản ứng khác thì tiêu hao nhiệt , khác hẳn với phản ứng cháy vừa nói. Năng lượng của phản ứng do vậy mà có thể mang các dấu khác nhau. Chi tiết ta sẽ nói ở dưới. 1.2 Toác ñoä phaûn öùng hoaù hoïc (Chemical reaction rate) Toác ñoä phaûn öùng hoaù học bieåu thò söï thay ñoåi noàng ñoä vaät chaát tham gia phaûn öùng (hay saûn phaåm) trong 1 đơn vị thôøi gian. Ví duï vôùi phản ứng ñôn giaûn A + B → E + F Toác ñoä phản ứng töùc thôøi ñöôïc định nghĩa và bieåu thò (C có gốc từ concentration): v = - dCA/dτ = - dCB/dτ = dCE/dτ = dCF/dτ mol/(cm3.s) (2) tức là tốc độ tiêu hao các chất tham gia ban đầu hay là tốc độ xuất hiện các chất sản phẩm. Tuy nhieân, ñoái vôùi phaûn öùng thuaän, tieán trình phaûn öùng chæ phuï thuoäc vaøo caùc chaát tham gia phaûn öùng, nhöng toác ñoä phaûn öùng vaãn ño nhö treân. Trường hợp phản ứng có dạng chung hơn: aA + bB → pP + qQ Các hệ số a, b, p, và q là các hệ số cân bằng phương trình. Tốc độ phản ứng này ở áp suất không đổi được định nghĩa theo công thức: (để ý cách viết thể hiện nồng độ) Phản ứng rỉ/sét (tốc độ chậm) Phản ứng cháy (tốc độ nhanh) Giá trị của tốc độ các phản ứng chỉ đo được qua thực nghiệm. 1.3 AÛnh höôûng cuûa noàng ñoä ñeán toác ñoä phaûn öùng hoá học Toác ñoä phản ứng bò aûnh höôûng bôûi nhieàu yeáu toá, trước hết là vào bản chất của phản ứng. Khi phản ứng là của các chất đã biết, thuộc loại đã biết thì tốc độ phụ thuộc vào nồng độ, nhiệt độ, áp suất, cấu hình và chất lượng bề mặt lò phản ứng, và các chất xúc tác. Ñònh luaät khoái löôïng taùc duïng Đôn giaûn trong phản ứng aA + bB → eE + fF toác ñoä phuï thuoäc vaøo noàng ñoä caùc chaát phản ứng, thoâng thöôøng theo quan heä (C có gốc từ concentration, hoặc viết khác nhưng cũng có nghĩa là nồng độ)): v = k CpACqB hay v = k [A]p[B]q (3) Söï phuï thuoäc naøy noùi chung laø phi tuyeán, tuy nhiên có những trường hợp p=q=0 hay p=q=1. Hệ số k goïi laø heä soá toác ñoä phaûn öùng, k laø haèng soá neáu nhieät ñoä khoâng ñoåi, noù coù 1 giaù trò ôû moãi 1 nhieät ñoä T=const. Baäc phaûn öùng Trong phương trình (3) các giá trị p và q gọi là bậc phản ứng đối với chất A và B; p, q có thể tương ứng bằng a, b nhưng không nhất thiết phải bằng. Toång caùc soá muõ cuûa caùc noàng ñoä goïi laø baäc phản ứng chung n = p + q + Bậc phản ứng có thể bằng không (zêrô) tức là tốc độ phản ứng không phụ thuộc vào nồng độ (lượng) chất tham gia, chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Baäc phaûn öùng vaø heä soá toác ñoä phaûn öùng ñeàu phaûi xaùc ñònh qua thöïc nghieäm. Không có phương pháp xác định giá trị của chúng bằng lý thuyết. Baäc phaûn öùng chung thöôøng laø leû thaäp phaân, caùc phản ứng chaùy coù baäc trong khoaûng 1,7 – 2,2 Phaûn öùng baäc 0 (zêrô): v = k0 -dC/ dτ = k0 → C = C0 - k0τ → thôøi gian ñeå tieâu hao heát 1/2 noàng ñoä (baùn kyø suy giaûm) C0/C = 0,5 là τ1/2 = C0/(2k0) Ví dụ : Phaûn öùng baäc 1: v = - dC/dτ = k1C k1 laø heä soá phản ứng coù thöù nguyeân 1/s. Tích phaân vôùi ñieàu kieän ban ñaàu C = C0 taïi τ = 0 ta ñöôïc ln(C0/C) = k1τ (4) lnC = lnC0 – k1τ, (5) ñaây laø 1 ptrình tuyeán tính, duøng ñeå xaùc ñònh k1 qua thöïc nghieäm. Qua 2 laàn ño: C1 taïi thôøi ñieåm τ1 vaø C2 taïi τ2 ta tính ñöôïc k1 = (lnC1 - lnC2)/(τ2 – τ1) töø (4) → C = C0 exp(-k1τ) (6) thôøi gian ñeå tieâu hao heát 1/2 noàng ñoä (baùn kyø suy giaûm) C0/C = ½ là τ1/2 = ln(2)/k1 = 0,693/k1 Ví dụ phản ứng bậc một: Phaûn öùng baäc 2: v = - dC/dτ = k2C2 (7) Tích phaân vôùi ñieàu kieän ban ñaàu C = C0 taïi τ = 0 ta ñöôïc 1/C – 1/C0 = k2τ (8) (8) laø phöông trình tuyeán tính, töø ñoù k2 = (1/τ)(1/C – 1/C0) (9) vaø τ1/2 = 1/(k2C0) (10) Ví dụ phản ứng bậc hai : Hầu hết các phản ứng cháy có bậc phản ứng quanh giá trị này. Baäc phaûn öùng vaø heä soá toác ñoä phaûn öùng ñeàu phaûi xaùc ñònh qua thöïc nghieäm. Raát ít caùc phản ứng coù baäc cao hôn 2,5 1.4 AÛnh höôûng cuûa nhieät ñoä ñeán toác ñoä phaûn öùng hoaù hoïc Nhieät ñoä aûnh höôûng raát maïnh tôùi toác ñoä phaûn öùng, chaúng haïn than (C) haàu nhö coù toác ñoä phaûn öùng baèng zero vôùi oxy (O2) trong khoâng khí ôû nhieät ñoä thöôøng. Tuy vaäy, khi nhieät ñoä taêng ñeán giaù trò naøo ñoù thì ta coù phaûn öùng chaùy vôùi toác ñoä khaù nhanh. Toác ñoä phaûn öùng hoaù hoïc khi nhieät ñoä taêng thay ñoåi theo caùc luaät khaùc nhau tuyø vaøo töøng tröông hôïp cuï theå: I – taêng, tyû leä vöøa phaûi (thöôøng gaëp) II - taêng raát nhanh III - taêng roài giaûm IV - taêng – giaûm – taêng V - giaûm Heä soá toác ñoä phản ứng cho loaïi I (loaïi ñôn giaûn vaø khaù phoå bieán) coù quan heä vôùi tuaân theo luaät Arrhenius: k = k0 exp(-E/RT) (11) Trong ñoù k0 laø heä soá taàn suaát (va ñaäp); E laø naêng löôïng hoaït hoaù [J/mol]; R laø haèng soá chaát chí = 8,314 J/(mol.K). Giaù trò k0 vaø E xaùc ñònh qua thöïc nghieäm. Naêng löôïng hoaït hoaù: Không phải mọi va đập giữa oxy và nhiên liệu đều dẫn đến phản ứng. Chæ coù nhöõng nguyên/phaân töû ñaït möùc naêng löôïng nhaát ñònh môùi coù theå phaûn öùng vôùi nhau khi gaëp nhau. Caùc phaân töû döôùi möùc naêng öôïng naøy neáu va vaøo nhau cuõng khoâng phaûn öùng. ÔÛ cuøng moät nhieät ñoä thì caùc phaân töû chaát khí trong moät khoái khí coù naêng löôïng khaùc nhau, phaân boá theo luaät Maxwell, tuy khoái khí ñoù coù noäi naêng vaø entalpy xaùc ñònh. Khi nhieät ñoä taêng thì naêng löôïng caùc phaân töû noùi chung taêng, töùc laø soá phaân töû ñaït möùc naêng löôïng phaûn öùng taêng. Do ñoù taêng nhieät ñoä seõ taêng toác ñoä phaûn öùng. Caùc chaát xuùc taùc hay laø chaát hoaït hoaù hoã trôï cho moät soá phaân töû ñaït ñeán möùc NL phaûn öùng, laøm cho soá naøy nhieàu leân. Do vậy mà tốc độ phản ứng bị thay đổi. 1.5 AÛnh höôûng cuûa aùp suaát ñeán toác ñoä phaûn öùng hoá học Ñoái vôùi caùc chaát khí khi bieát caân baèng hoaù hoïc vaø tyû soá mol cuûa chaát A trong hoãn hôïp laø xA = nA/Σni, phản ứng baäc 1 coù quan heä vôùi aùp suaát theo: v = - dCA/dτ = k1CA = k1 xA (p/RT) (12) phản ứng baäc 2 coù quan heä vôùi aùp suaát theo: v = - dCA/dτ = k1C2A = k1 xA (p/RT)2 (13) phản ứng baäc n coù quan heä vôùi aùp suaát theo: v = - dCA/dτ = k1CnA = k1 xA (p/RT)n (14) Töùc laø phaûn öùng baäc bao nhieâu thì tyû leä vôùi aùp suaát cuõng baäc baáy nhieâu 1.6 Phaûn öùng daây chuyeàn Phaûn öùng thaät ra khoâng xaûy ra theo kieåu nhaûy voït ngay ñeán saûn phaåm cuoái cuøng maø qua nhieàu böôùc trung gian, töùc laø caùc chuoãi ion hoaït ñoäng nhö caùc daây. Ví duï: CH4 + 2O2 → H2O + CO2 goàm caùc chuoãi: CH4 + O2 → CH3 + O + OH CH4 + O → CH3 + OH CH3 + O 2 → H2CO + OH H2CO + OH → HCO +H2O HCO + OH → CO + H2O H + O 2 → OH + O H + H2O → OH + H2 2OH → H2O + O CO + OH → CO 2 + H H + OH → H2O Caùc ion trung gian coù tuoåi thoï cöïc ngaén neân vieäc theo doõi con ñöôøng thöïc cuûa daây chuyeàn laø moät vieäc raát khoù khaên. Các chất xúc tác làm thay đổi cơ chế và tốc độ hình thành các chất trung gian, do vậy mà ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng nói chung. 1.7 Caân baèng hoaù hoïc (chemical equilibrium) Cân bằng hoá học không phải là cân bằng phương trình hoá học! Caùc phản ứng hoá học thöôøng laø thuaän nghòch, toác ñoä caùc chieàu laø khaùc nhau. Thöôøng coù 1 chieàu aùp ñaûo vaø ta coi ñoù laø chieàu thuaän (töï nhieân). Khi noàng ñoä caùc chaát phản ứng vaø caùc chaát saûn phaåm khoâng thay ñoåi thì hoãn hôïp naèm ôû traïng thaùi caân baèng. Luùc ñoù toác ñoä phản ứng thuaän và toác ñoä phản ứng nghòch đạt các giá trị ổn định. Ví duï vôùi phản ứng aA + bB ↔ eE + fF tuaân theo ñluaät khoái löôïng taùc duïng, toác ñoä phản ứng thuaän vaø nghòch töông öùng laø v→ = k→CaACbB (15) v← = k←CeECfF (16) Theo thôøi gian, noàng ñoä caùc chaát phản ứng giaûm xuoáng vaø phản ứng seõ ñaït ñeán traïng thaùi caân baèng, luùc ñoù (ở một nhiệt độ nhất định) v→ = v← töùc laø k→CaACbB = k←CeECfF töø ñoù ruùt ra Kc = k→ / k← = (CeECfF)/( CaACbB) (17) Kc laø heä soá caân baèng hoaù hoïc, noù ñöôïc xaùc ñònh qua thöïc nghieäm vaø phuï thuoäc raát nhieàu vaøo nhieät ñoä. Ví duï H2O ↔ 1/2 H2 + OH ở nhiệt độ 700K coù KC700 = 10-16,6 vaø 3850K thì KC3850 = 1 Có nghĩa là ở nhiệt độ 700K chỉ có 1 trong 1016,6 phân tử nước bị phân huỷ (nước rất bền vững), nhưng nếu nhiệt độ tăng đến 3850K thì một nửa số phân tử nước bị phân huỷ. 1.8 Enthalpy taïo chaát (enthapy of formation) Khi moät hôïp chaát ñöôïc taïo neân töø caùc nguyeân toá (ñôn chaát) trong ñieàu kieän aùp suaát khoâng ñoåi, nhaát ñònh coù bieán ñoåi naêng löôïng keøm theo. Ñoái vôùi caùc phaûn öùng chaùy thì hoaù naêng ñöôïc bieán thaønh nhieät naêng toaû ra. Naêng löôïng bieán ñoåi naøy, để tạo ra 1 mol hợp chất, goïi laø enthalpy taïo chaát, ño ôû ñieàu kieän tieâu chuaån (T=25oC vaø aùp suaát p=1at khoâng ñoåi). Enthalpy tạo chất có ký hiệu là Δhof298 , chỉ số trên ‘o’ chỉ áp suất tiêu chuẩn 1 at, chỉ số dưới ‘f298’ chỉ nhiệt độ tiêu chuẩn 25oC. Đơn vị đo cuûa enthalpy taïo chaát laø J/mol. Töùc laø năng lượng thay đổi đo được khi tạo ra 1mol thành phẩm với các chaát phaûn öùng vaø saûn phaåm ñeàu ôû ñieàu kieän tieâu chuaån. Ví duï: nöôùc ñöôïc taïo ra töø hydro vaø oxy, xuaát phaùt töø 2 khí ôû ñieàu kieän tieâu chuaån. Neáu saûn phaåm laø hôi nöôùc cuõng ôû ñieàu kieän nhiệt độ 25oC thì moät naêng löôïng baèng 242 kJ/(mol hôi nöôùc) ñaõ bò phaùt taùn ra moâi tröôøng xung quanh (chuù yù daáu theo qui ước của nhiệt động nhiệt thu vào hệ là dương, toả ra môi trường là âm). Ñoù chính laø enthalpy taïo chaát cuûa hôi nöôùc. Dấu của nhiệt năng tuân theo định luật 1: hệ nhận vào là dương, toả ra là âm. Trong nhiệt động hoá học dấu âm của enthalpy tạo chất của H2O cho hay rằng hôi nöôùc coù theá hoaù naêng nhoû hôn hydro vaø oxy ban ñaàu. Moät soá giaù trò cuûa enthalpy taïo chaát taäp hôïp trong baûng sau, caùc ñôn chaát gaëp trong töï nhieân coù enthalpy taïo chaát qui öôùc baèng zeroâ. Baûng 1.1 Giaù trò enthalpy taoï chaát (1at, 25oC) Teân Coâng thöùc Traïng thaùi Enthalpy taïo chaát, kJ/mol CO Khí -110,6 CO2 Khí -393,7 CH4 Khí -74.9 C2H6 Khí -84.6 Ethylene C2H4 Khí 52.76 Benzene khí C6H6 Khí 82.97 Benzene lỏng C6H6 Lỏng 49.06 O2 Khí 0 N2 Khí 0 C Tinh thể 0 H2 Khí 0 H2O Khí -242 H2O Lỏng -286 C2H2 Khí +227 CaO Tinh thể -635 Caùc chaát nguyeân toá ôû daïng töï nhieân qui öôùc coù ∆hof298 = 0 Ví duï: CO(kh) + 1/2O2(kh) -> CO2(kh) - 283,1 kJ/mole CO2, ôû ñaây ∆h = - 283,1 kJ/mole CO2 khoâng phaûi laø enthalpy taïo chaát cuûa CO2 vì chaát tham gia phaûn öùng xuaát phaùt CO khoâng phaûi laø nguyeân toá. Trong phản ứng C(r) + 1/2O2(kh) -> CO(kh) - 110,6 kJ/mole CO - 110,6 kJ/mole CO laø ehthalpy taïo chaát cuûa CO vì caùc chaát tham gia phaûn öùng xuaát phaùt laø nguyeân toá ôû daïng töï nhieân: than cuïc (raén) vaø oxy trong khoâng khí, ôû 25oC vaø 1 at. Ngöôïc laïi, khi phaân huyû moät hôïp chaát thaønh caùc nguyeân toá thì naêng löôïng keøm theo seõ coù trò soá baèng nhöng ngöôïc chieàu vôùi enthalpy taïo chaát. 1.9 Enthalpy cuûa phaûn öùng hoaù hoïc (enthalpy of chemical reaction) Trong phaûn öùng hoaù hoïc noùi chung, caùc chaát tham gia ban ñaàu khoâng nhaát thieát phaûi laø caùc nguyeân toá (đơn chất), phản ứng H2O + CaO chaúng haïn. Chúng ta seõ taäp trung noùi veà phaûn öùng chaùy. Trong caùc quaù trình chaùy phaûn öùng xaûy ra raát nhanh, nhieät (ñoâi luùc aùnh saùng) thoaùt ra. Enthalpy cuûa saûn phaåm nhoû thua enthalpy caùc chaát tham gia khi các chất đều được đưa về trạng thái tiêu chuẩn, cheânh leäch ethalpy baèng nhieät löôïng thoaùt ra, goïi laø enthalpy cuûa phaûn öùng. Nhöõng phaûn öùng loaïi coù enthalpy giaûm goïi laø phản ứng toaû nhieät. Caùc phaûn öùng chaùy thuoäc loaïi naøy. Caùc phản ứng ngöôïc laïi, có enthalpy tăng, goïi laø phaûn öùng thu nhieät. Phản ứng phân huỷ chất hữu cơ chẳng hạn, là thuộc loại thu nhiệt. Caùc quaù trình chaùy xaåy ra ôû p = const = 1at, seõ coù enthalpy phaûn öùng hay nhieät löôïng giaûi phoùng ra phuï thuoäc nhieät ñoä. Ñeå ño ñaïc vaø tra cöùu ta cuõng qui veà ñieàu kieän tieâu chuaån (25oC, 1 at), töùc laø caùc chaát xuaát phaùt ôû ñieàu kieän tieâu chuaån vaø saûn phaåm cuõng vaäy. Coâng thöùc chung ñeå tính enthalpy phản ứng∆HoRT laø döïa vaøo enthalpy taïo chaát, và phương trình hoá học đã cân bằng: ∆HoR = Σni ∆hofR sanpham - Σnj ∆hofR thamgia (18) Trong ñoù kyù hieäu o chæ ñieàu kieän tieâu chuaån; Σnj ∆hofR thamgia laø toång caùc enthalpy taïo chaát cuûa caùc chaát tham gia ban ñaàu; Σni ∆hofR sanpham laø toång caùc enthalpy taïo chaát cuûa caùc chaát sản phẩm (chú ý: số lượng các chất tham gia và các sản phẩm nói chung là khác nhau) Ñaïi löôïng naøy ñoåi daáu ñi thöôøng ñöôïc goïi laø nhieät phaûn öùng. QR = - ∆HoR Ví duï: tính enthalpy phản ứng ôû ñk chuaån CH4 (khí) + 2O2 (kh) → CO2 (kh) + 2H2O (loûng) Tra baûng taïo chaát treân ta tìm ñöôïc -74.9 + 2* 0 → - 393.7 – 2*286 theo coâng thöùc (18) ta coù enthalpy phaûn öùng chaùy methane vôùi oxy laø ∆HoR298 = -393,7 – 572 - (-74,9) = - 890,8 kJ/mol (chuù yù ñ.v. ño) Vaäy nhieät cuûa phaûn öùng chaùy methane laø 890,8 kJ/mol (của methane) Toùm laïi, nhieät löôïng giaûi phoùng ra khi ñoát chaùy hoaøn toaøn moät mol nhieân lieäu vaø saûn phaåm ñöôïc laøm nguoäi ñeán nhieät ñoä tieâu chuaån 25oC, ñöôïc goïi laø nhieät phản ứng chaùy (chính xaùc laø enthalpy phản ứng chaùy), kyù hieäu ∆Hc, ño baèng kJ/mol (nhieân lieäu) Baûng 1.2 Giaù trò enthalpy phaûn öùng chaùy (1at, 25oC, saûn phaåm chaùy ôû pha khí) Nhieân lieäu Coâng thöùc Traïng thaùi nhiên liệu ∆Hc, kJ/mol C R -393,7 H2 Kh -242 CO Kh -283 CH4 Kh -802 C2H6 Kh -1560 Các giá trị trong bảng 1.2 có thể tính được từ bảng 1.1 1.10 Nhieät trò (heating value) Nhieät löôïng giaûi phoùng ra khi ñoát chaùy đẳng áp hoaøn toaøn moät kg nhieân lieäu vaø saûn phaåm ñöôïc laøm nguoäi ñeán nhieät ñoä tieâu chuaån 25oC, ñöôïc goïi laø nhieät trò cuûa nhieân lieäu. Kyù hieäu thường dùng laø Q hay HV (heating value), ñôn vò thöôøng duøng laø MJ/kg hay kJ/kg. Như vậy, nhiệt trị có giá trị bằng enthalpy của phản ứng cháy của 1kg nhiên liệu nhưng đổi dấu sang +. Nhieät trò thaáp (LHV, lower heating value) laø nhieät naêng giaûi phoùng ra khi nöôùc taïo thaønh trong saûn pha