高志崇

(泰山學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，山東 泰安 271000)

可燃?xì)怏w與空氣或氧氣混合時并不是在任何濃度范圍內(nèi)均可以發(fā)生爆炸，而必須是在一定的濃度范圍內(nèi)才能夠發(fā)生爆炸。其中，能夠發(fā)生爆炸的最低濃度為爆炸下限，能夠發(fā)生爆炸的最高濃度為爆炸上限。不同的可燃?xì)怏w有不同的爆炸極限，即使是同一種可燃?xì)怏w在不同的情況下也有不同的爆炸極限，也就是說，多種因素會影響爆炸極限。其中，初始溫度是影響爆炸極限的重要因素。在之前的研究中曾計算了不同初始溫度下甲烷爆炸后體系的溫度與壓力，從計算結(jié)果可以看出，不同初始溫度下甲烷爆炸后體系的溫度是很接近的［1］。下面討論丙酮在不同初始溫度、爆炸下限時爆炸后的溫度與壓力，以期對該問題有進(jìn)一步的認(rèn)識。

1 恒容熱效應(yīng)ΔU與光子的波長、數(shù)量之間的關(guān)系

光是一種非體積功。假設(shè)某爆炸反應(yīng)發(fā)出n mol波長為λ的光子，那么,爆炸反應(yīng)的內(nèi)能的變化與光子的量及波長之間的關(guān)系為［1-5］：

下面利用該公式討論不同溫度下丙酮爆炸反應(yīng)的極限。

2 丙酮燃燒反應(yīng)機(jī)理

根據(jù)丙酮燃燒反應(yīng)的溫度，提出了丙酮在空氣中燃燒反應(yīng)的機(jī)理［6］。丙酮在空氣中不完全燃燒，形成黑煙，在空氣中燃燒反應(yīng)的機(jī)理為：

丙酮在空氣中不完全燃燒的反應(yīng)式為:

由反應(yīng)式可以看出，1mol丙酮在空氣中不完全燃燒發(fā)出1mol光子。

3 不同溫度下丙酮在爆炸極限時爆炸產(chǎn)生的溫度與壓力

3.1 丙酮在0℃爆炸下限時爆炸產(chǎn)生的溫度與壓力

表1 不同初始溫度下丙酮爆炸的極限［7］及爆炸后溫度與壓力的計算值

0℃ 丙酮爆炸下限為4.2%。取丙酮的量為1mol，則反應(yīng)前總的氣體的量為n1=mol=23.81mol，空氣的量為22.81mol。按21%O2計算，則nO2=4.79mol,nN2=18.02mol。因而，丙酮在0℃ 爆炸下限時的反應(yīng)式為：CH3COCH3(g ) +4.79O2+18.02N2=3C(s)+3H2O(g)+3.79O2+18.02N2+hv.反應(yīng)后氣體物質(zhì)的量為n2=24.81mol，反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量的差值△n(g)=1mol。為方便計算起見，現(xiàn)將某些物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)列于表2。

表2 298.15K、101.325kPa下某些物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)［8］

為計算丙酮爆炸反應(yīng)的溫度與壓力，設(shè)計途徑見圖1。假設(shè)本文中所有其他均為理想氣體.對于理想氣體和純固體而言，內(nèi)能和焓僅僅是溫度的單值函數(shù)，因而，

圖1 丙酮在0℃、爆炸下限時設(shè)計途徑

?U與溫度T之間的關(guān)系式為：

丙酮在空氣中爆炸反應(yīng)的火焰為紅色，紅色的波長為650-750nm，取λ=750nm進(jìn)行計算。根據(jù)（1）式，則有：

爆炸反應(yīng)在恒容的條件下進(jìn)行，因而，爆炸后的壓力為：

即丙酮在0℃、爆炸下限時的爆炸溫度為835.2K，爆炸時產(chǎn)生的壓力為322.83kPa。

3.2 其他溫度下丙酮在爆炸極限時爆炸產(chǎn)生的溫度與壓力

利用相同方法計算丙酮在50℃、100℃爆炸下限時?U與溫度T之間的關(guān)系式，進(jìn)而計算了爆炸后形成的溫度與壓力。取丙酮的量為1mol，不同溫度下丙酮爆炸時?U與溫度T之間的關(guān)系式見表3，爆炸后形成的溫度與壓力見表1。

表3 1mol丙酮不同初始溫度、爆炸下限時?U與溫度T之間的關(guān)系式

4 小結(jié)