高能材料化学|火焰和燃烧揭秘

一般而言，燃烧是一种放热的氧化反应，并经常伴随出现火焰。火焰温度范围很宽，从明火约2 000 K到氧乙炔焊产生的3 000 K。很明显，炸药的燃烧热低于普通燃料的燃烧热（含12.9%水的松木：4.422 kcal^[1]·g-1；乙炔：11.923 kcal·g-1；75%的代那买特炸药：1.290 kcal·g-1）。

火焰是可预见的，且比纯燃烧反应缓慢，它是一种简单的燃烧反应实例。影响火陷强度的4个因素分别是：燃料、氧气、热和不受抑制的链式反应。如果其中一个因素受限或者不存在，则火会熄灭。例如：贫燃料-空气混合物因燃料比率太低而不能发火，富燃料-空气混合物则因氧含量低而不能发火。水用来灭火是因为水可以冷却并通过吸热或限制热传递来阻止燃烧。在燃烧中，还原剂（燃料如汽油）与氧反应。当可燃液体加热到沸点之前，在液体表面可以看到大量的烟气。当这些气体与空气混合形成可燃性混合物并达到一定浓度之后，在一定的温度下能够闪烁起火的最低温度称为闪点。液体达到闪点时很容易因火焰或火花而起火。闪点往往低于沸点，给沸腾的液体继续加热，混合气体的温度足够高则会引起自发氧化。在这个温度下，蒸气-空气混合气将自发起火，对应的温度称为自燃温度（一般高于300℃，但一些化合物则非常低，如乙醚）。把水加到沸腾的油中可以看到类似的效果，当油以细小的液滴分散溢出时，温度能够使其迅速氧化，可以得到油-空气混合气体。这种热油可以自发起火。因此，加热可燃液体时，温度先到达闪点，然后是沸点，最后是自燃点。为了燃烧，液体燃料必须先蒸发和氧气（空气）最大限度地形成混合气体，固体燃料（如樟木）必须升华或热解形成可燃气体或可燃蒸气。

在足够热源起火后，通过不受抑制的链式化学反应传播火焰，热可以通过对流、传导和辐射传播。对流是基于气体受热密度降低导致气体流动。这是区域模型的基础，为了预测热流动和火焰成长过程。在区域模型中［例如火焰成长和烟雾传递模型CFAST，版本号6.1.1，由美国国家标准与技术研究院（NIST），http：//cfast.nist.gov提供］，将空间分为地面的冷气层和天花板的热气层。热传导可以理解为在较薄物体上热传过物体的速度比由于热传递使物体表面改变速率快，在较厚物体中存在温度梯度，并且未接触表面对接触表面热传递没有影响。

在较薄物体（如片状金属）中，温度可以用一维热传递方程表示：热传递速率代表辐射，con代表传导，e代表热损失）为热传递速率，δ为可测物质厚度；ρ为密度，Cp为定压热容。

对于厚材料，材料中的一维热传递方程：(www.xing528.com)

k为材料热传导系数。热辐射产生的热传播可以通过黑体辐射模型和玻尔兹曼方程对理想辐射的热能释放进行描述：

σ为玻尔兹曼常数。实际上，大多数燃烧物不能像黑体那样完全吸收热能。

当燃料有限且火在开放空间燃烧时，由于空气中氧是充足的，因此，燃料的供应率制约着其成长。甚至对受限空间内火而言，早期阶段受燃料制约，火所释放的热量与时间相关。在燃烧初期，直到燃烧达到稳定，释放的热量以时间的平方次增长。当火焰熄灭时，比如所有燃料或氧化剂耗尽，释放的热量降至零。从火焰的高度也可以估算燃烧释放的热量。在有限空间，贫燃料燃烧的起始阶段将成长为全面燃烧，即空间所有的可燃物都发生燃烧。在燃烧末期，尽管存在大量可用氧，但根据链式化学反应，仍会出现供氧不足，从而抑制火焰。富燃料燃烧的过度预示着闪燃，空间内所有可燃物的均匀燃烧的外焰和废气优于前者。在最后有限供氧阶段，生成越来越多不完全燃烧产物，如CO、HCN等其他有害化合物，并能够在混合的燃烧产物中检测出来。

燃烧反应经常用在推进剂系统中。用气态燃烧产物的动能来推动有效载荷。因为明显的技术原因，研究火箭发动机的燃烧温度是人们所关注的。燃烧的绝热火焰温度（T ad）是反应物和产物具有不同焓时的温度。系统各组分的焓可以通过各组分的标准焓加上由于加热至T ad引起的焓变计算。这里，比热容CV起决定作用。但是体系中组分比是温度的函数，需要采用T ad的迭代计算。