Лекция №1
Физико-химические основы горения
Общие сведения о горении и взрыве
Горение является первым сложным техническим процессом, освоенным человеком. В истории прогресса техники этот процесс занимал и продолжает занимать очень важное место, являясь основой современной энергетики, многих технологических производств, транспорта и быта.
В то же время, процессы горения различных веществ играют значительную роль в безопасности жизнедеятельности. Огромный ущерб растительному покрову Земли наносят пожары. Ежегодно на всех континентах возникает около 200 тысяч лесных пожаров. Лишь около 3 % из них было вызвано молниями. Остальные — следствие неосторожного обращения людей с огнем. Знание основных процессов физики горения необходимо для оценки пожароопасности различных веществ и помещений и разработки эффективных мероприятий по предотвращению и тушению различных пожаров.
На различных промышленных сооружениях растет количество взрывных аварийных происшествий. При этом наряду с авариями на объектах, непосредственно связанных с хранением и использованием энергоемких или взрывчатых материалов, все чаще встречаются случаи, когда причиной взрыва были внешне безопасные объекты.
Во взрывоопасных технологических процессах (угледобыча, нефтепереработка, химическая технология) предпринимаются серьезные усилия для предотвращения взрывов и ослабления их нежелательных последствий. В других отраслях народного хозяйства при проектировании оборудования часто исходят из гипотезы о взрывобезопасности многих объектов, которые, однако, потенциально способны породить взрывные явления.
В связи с этим, весьма актуальной является проблема доведения до сознания широкого круга специалистов основных представлений о возможных источниках и последствиях взрывов. К последним относятся фугасное действие воздушной ударной волны, осколочное действие разрушенных и разлетающихся элементов оборудования и тепловое воздействие от выгорания энергоносителя.
История развития знаний о горении
В настоящее время горение является основным источником энергии. Отметим, что более 85% потребляемой энергии в мире имеет своим источником горение, большинство современных технологий основано на его использовании. Количественное описание этого явления представляет не только чисто научный интерес, но также имеет большое практическое значение.
По данным археологии, люди начали пользоваться огнем для обогрева и приготовления пищи 600 тысяч лет назад, а научились получать огонь — 30 тысяч лет назад. Порох был изобретен в Китае, а также использовался в Японии более трех тысяч лет назад. Огню отводилось значительное место в ранних мифах и легендах, например, в греческом мифе о Прометее, похитившем огонь у богов и отдавшем его людям.
Первые научные представления относительно пламени были сформулированы, по-видимому, греческим философом Гераклитом, считавшим, что огонь является одним из основных веществ.
Из первых теорий, пытавшихся объяснить сущность процесса горения, следует отметить теорию флогистона. Эта теория сыграла известную роль в развитии химии и, в частности, в изучении процесса горения. Она появилась в XVII веке в связи с развитием металлургии.
Автором теории флогистона является Георг Эрнст Шталь (21 октября 1660 г. — 14 мая 1734 г.). По этой химической теории все вещества, способные гореть, содержат особое вещество — флогистон, которое выделяется при горении (флогистон — по-гречески —горючий — флогистос). Металлы при этом превращаются в окалины, а тела — в «извести». Если эти «дефлогистированные» образования прокалить с углем, богатым флогистоном, то они возвратят свой флогистон и снова станут металлами. Далее, по Шталю, флогистон выделяется при горении в воздух, откуда «воспринимается» растениями и от них переходит к животным. Здесь он участвует в процессах дыхания, брожения, гниения.
Теория флогистона господствовала до 1770-х годов, и поиски этого вещества привели к установлению множества новых фактов и открытию новых веществ. Исходя из теоретических положений теории, оказалось возможным понять особенности металлургических процессов и улучшить качество выплавляемых металлов. Флогистонная теория Шталя стала первой теорией научной химии, благодаря которой химия освободилась от алхимии.
Однако ряд явлений, сопровождающих процесс горения, эта ошибочная теория объяснить не могла. Выделить чистый флогистон и изучить его, разумеется, также не удалось. Поэтому теория флогистона из фактора прогресса в развитии химии превратилась в его тормоз. Большинство химиков того времени придерживались теории флогистона.
Теория флогистона считалась прочно установленной опытами известного английского химика Роберта Бойля. Р. Бойль (25.01.1627 — 31.12.1691). взял кусок свинца, поместил его в стеклянную реторту (сосуд с длинной, направленной вниз шейкою), герметически ее заплавил и взвесил. Затем он нагрел ее в таком виде на огне, и свинец перешел в окалину; после этого он вскрыл реторту (причем Р. Бойль отметил вхождение в нее воздуха со свистом, как признак герметического запаивания реторты) и снова взвесил: оказался привес, для объяснения которого он и предложил свою гипотезу о способности огненной материи проходить через стекло реторты и затем соединяться с металлом. Так как вес окалины больше веса металла, из которого она получена, то, по мнению Бойля, флогистон имеет вес.
Впервые теорию флогистона опроверг великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711 — 1765 гг.). М.В. Ломоносов весьма скептически относился к невесомым веществам своего века и отрицал их существование. Ломоносов говорит о возможности другого объяснения увеличения веса металла при обжигании, а именно: от соединения металла с воздухом, все время окружающим обжигаемый металл. Но против такого предположения говорило одно обстоятельство — опыты Р. Бойля.
Ломоносов повторил опыт Р. Бойля в 1756 г.; сам он пишет об этом следующее: «Делал опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металлов от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойла мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере». Ломоносов констатировал, так же как Р. Бойль, что при вскрытии такой реторты после опыта в нее входит воздух. Тем самым было доказано: а) что привес металла при обжигании обусловлен соединением его с воздухом; б) что объяснение процесса обжигания металла при помощи флогистона невозможно: если бы флогистон уходил из металла, то заплавленная реторта с металлом должна была бы иметь иной вес после нагревания.
Все эти опыты были сообщены Ломоносовым Конференции Академии, но не опубликованы, а потому остались совершенно неизвестными.
Своими опытами М. В. Ломоносов выявил не только сущность процесса горения, но и установил основной закон современной химии – закон сохранения массы вещества (1756 г.).
17 лет спустя, в 1773 г., опыты Р. Бойля повторил А. Лавуазье с совершенно такими же результатами, как и М. В. Ломоносов. Но он сделал новое, очень важное, наблюдение, а именно, что только часть воздуха запаянной реторты соединилась с металлом и что увеличение веса металла, перешедшего в окалину, равно уменьшению веса воздуха в реторте. Вместе с тем часть металла осталась в свободном виде. Отсюда Лавуазье сделал вывод, что воздух состоит из двух газов, из которых один соединяется с металлом, другой — нет. Этот вывод был проверен на опыте обжиганием ртути в реторте, сообщавшейся с определенным объемом воздуха под стеклянным колоколом, погруженным в ртуть. Через 12 дней обжигание было прекращено, потому что объем воздуха под колоколом перестал уменьшаться; оставшийся в колоколе воздух не поддерживал горения, мышь в нем не могла жить, а потому Лавуазье назвал его азотом, что по-гречески значит «негодный для жизни». Получившаяся красная окалина ртути при сильном прокаливании распалась на ртуть и тот газ, который был поглощен ртутью из воздуха: в этом газе свеча горела с ослепительным блеском, мышь чувствовала себя превосходно; это был кислород. Таким образом, были окончательно разъяснены процессы обжигания металлов и вместе с тем доказано, что воздух — не элемент, но содержит около 4/5 азота, 1/5 кислорода. А затем Лавуазье же доказал, что горение есть, вообще, соединение горящего или обжигаемого вещества с кислородом воздуха.
Итак, в 1774 году Лавуазье публикует работу «Об обжиге олова в закрытых сосудах». Именно в этой работе впервые был приведен количественный состав атмосферы и дано простое и однозначное объяснение роли кислорода в процессе окисления и горения. В эти же годы он дает определение процессу дыхания, как разновидности окисления.
В 1777 году появляется статья в популярном научном журнале «О горении вообще», в 1783 году – работа, которая окончательно разбивает старые представления, «Размышления о флогистоне».
Среди ученых, живших и работавших до начала XX века, наибольший вклад в развитие науки о горении внесли П. Бертело, Р. Бунзен, Р. Бэкон, А. Лавуазье, М. В. Ломоносов, В. А. Михельсон, М. Фарадей, С. Чепмен и другие.
В ХХ веке наука о горении и основанные на ней технологии стали быстро развиваться. В 1926 г. американский инженер Р. Годдард разработал, испытал и получил патент на первую ракету с жидким топливом.
Примерно в это же время в СССР Ф. А. Цандер создал и испытал ракетные двигатели на жидком топливе. В 1932 г. в г. Москве С. П. Королевым была создана группа специалистов по изучению реактивного движения – ГИРД. В августе 1933 г. была запущена первая советская жидкостная ракета ГИРД-09, а в ноябре 1933 г. – ГИРД-10. Эти работы были продолжены С. П. Королевым, В. П. Глушко и другими учеными уже после войны. В результате этих работ СССР стал пионером в освоении космоса.
Бурными темпами наука о горении начала развиваться после Второй мировой войны. Основополагающий вклад в науку о горении был внесен академиком Н. Н. Семеновым, который получил Нобелевскую премию по физике за открытие цепных разветвленных реакций, играющих определяющую роль в горении и взрыве. Н. Н. Семенов основал Институт химической физики АН СССР, который на протяжении многих лет занимает ведущее положение в области горения.
Выдающимся ученым в области горения был академик Я. Б. Зельдович (трижды Герой Социалистического Труда). Вклад в науку о горении Я. Б. Зельдовича настолько велик, что мировое сообщество по горению учредило золотую медаль его имени за достижения в науке о горении, которая вручается каждые два года на Международных симпозиумах по горению. На стыке химической кинетики и науки о горении плодотворно работали К. К. Андреев, А. Ф. Беляев, В. В. Воеводский, А. А. Ковальский, В. Н. Кондратьев, П. Ф. Похил, Д. А. Франк-Каменецкий, Ю. Б. Харитон и многие другие выдающиеся советские ученые.
За рубежом наука о горении интенсивно развивается в США, где сложились крупные научные школы исследователей, возглавляемые Ф. А. Вильямсом, Т. Карманом, Б. Льюисом, А. К. Оппенгеймером, М. Саммерфильдом, Г. Эльбе. Из европейских ученых в области физики горения можно отметить М. Баррера, А. Г. Гейдона, Луиджи де Лука, Д. В. Сполдинга и других.