Зависимость скорости реакции горения от концентрации реагирующих веществ можно представить выражением
где: k – константа скорости реакции,
Сгор - концентрация горючего вещества, кмоль/м3,
Сок – концентрация окислителя, кмоль/м3,
x,y – порядки реакции по горючему и окислителю соответственно.
Суммарное уравнение реакции, как правило, не отражает истинного механизма протекания реакции горения, которая является многостадийной и, зачастую цепной, поэтому порядки реакции в уравнении далеко не всегда совпадают с величиной стехиометрических коэффициентов в уравнении.
Скорость реакции горения зависит от температуры:
,
где:
А – фактор эффективности соударений;
е – основание натурального логарифма;
Еа – энергия активации, кДж/кмоль;
R – универсальная газовая постоянная, R=8,314 кДж/(К.кмоль);
Т – температура, К.
Это уравнение является выражением закона Аррениуса о зависимости скорости химических реакций от температуры. В упрощенном виде для узкого интервала температур можно пользоваться правилом Вант-Гоффа:
скорость химической реакции возрастает в 2-4 раза при повышении температуры на каждые 100
Таким образом, скорость химической реакции окисления горючего вещества при горении резко возрастает с повышением температуры, причем тем больше, чем ниже энергия активации.
Основными факторами, влияющими на скорость химической реакции при горении являются:
· Концентрация реагирующих веществ (максимальная при стехиометрической концентрации)
· Температура (чем выше температура, тем выше скорость реакции)
· Давление (с увеличением давления – скорость увеличивается)
· Наличие катализаторов или ингибиторов
Как отмечалось выше, химические реакции окисления высокоэкзотермичны, поэтому горение сопровождается выделением большого количества теплоты и следовательно протекает при высокой температуре. Например, температура горения древесины 700-8000С, нефтепродуктов – еще выше – 1300-15000С.
При низких давлениях могут возникать так называемые холодные пламена. Самоускорение цепной химической реакции горения при этом происходит в изотермическом режиме. Это происходит при определенном составе горючей смеси и определенном состоянии среды. Изотермическое самоускорение характерно для смесей с достаточно высокой концентрацией активных, но достаточно стабильных промежуточных продуктов, что приводит к уменьшению разветвления цепей, а следовательно и к уменьшению выделения теплоты, которая за счет теплоотвода рассеивается в окружающую среду и частично затрачивается на нагрев стабильных промежуточных продуктов. Возникает свечение, представляющее собой хемилюминесценцию, а не тепловое излучение нагретых продуктов горения, которое имеет место в горячих пламенах.
Кроме того, на возникновение холодных пламен большое влияние оказывают стенки сосуда, в котором происходит горение. Они оказывают каталитическое влияние на процесс уничтожения активных центров, т.е. происходит гетерогенный обрыв цепи. Интенсивность этого процесса определяется скоростью диффузии активных центров к стенкам сосуда. Понижение давления способствует этому процессу. Понижение давления может не только привести к образованию холодных пламен вместо горячих, но в определенных условиях (например, в узких сосудах) даже к полному прекращению горения.
Как отмечалось выше, химические превращения в процессе горения приводят к возникновению различных физических процессов: переносу тепла за счет конвекции, теплопроводности и излучения, переноса реагирующих веществ и др.
Таким образом, горение можно характеризовать как сложный самоподдерживающийся физико-химический процесс, для которого характерны три признака: химическое превращение, выделение тепла и излучение (в том числе чаще всего и световое, т.е. в видимой части спектра).