Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

Таким образом, диссоциация продуктов сгорания прнводит к неполно~му выделению химической энергии в камере сгорания, что в конце концов сказывается отрицательно на степени~ превращени|я химической энергии топлива в работу расширения. Диссоциация является нежелательным явлением в работе жидкостного ракетного двигателя. При этом величина химической энергии, остающейся в продуктах сгорания вследствие диссоциацин, может оказаться значительной и учет ее является необходи мым прн тепловом расчете жидкостного ракетного двигателя н определении расчетной температуры сгорания.

Процесс расширения в ЖРД происходит при высоких температурах продуктов сгорания, находящихся в газовой фазе, т. е. при условиях, обеспечивающих возможность протекания химических реакций между газами, составляющими продукты сгорания. Высокие температуры обеспечивают также весьма большие скорости химических реакций. В этих условиях изменение состава продуктов сгорания может успевать за изменением их температуры и давления.

Поэтому в про- цессе расширения может происходить изменение состава газа, сопровождающееся изменением запаса химической энергии, которой обладает газ, и переходом ее в тепловую энергию. При тепловом расчете ЖРД необходимо учитывать диссоциацию продуктов сгорания в камере и изменение степени диссоциации при расширении их в сопловой части. Обратимость химических реакций Всякая реакция, в которой участвуют только газообразные вещества, может протекать как в прямом, так и в обратном направлениях. Рассмотрим, например, газовую реакцию типа А+В=АВ.

Прямая реакция соединения веществ А и В ста~новится возможной только после соударения молекул А и В, которые при условии достаточного запаса энергия в них приводят к образованию новой молекулы (АВ), В этой же газовой смеси могут быть и соударения молекул, представляющих продукт реакции (АВ) между собой или с исходными молекулами. Эти соударения при достаточном запасе энергии приведут к расщеплению молекул (АВ) на молекулы исходных веществ. Таким образом, в реагирующей газовой смеси одновременно происходит и прямая реакция между молекулами исходных веществ, и обратная ей реакция разложения продукта прямой реакции на исходные 'вещества. Поэтому действвтельная .реакция, например, реакция сгорания окиси углерода, запишется так: СО+ — О, ~ ~СО„ 2 или в общем виде А+В +АВ, Последняя запись констатирует то, что в газовой смеси одновременно протекают прямая в обратная реакции (например, сгорание СО и разложение СОе).

Такие реакции носят название обратимых химических реакций. При этом не следует путать понятия обратимой химической реакции и обратимости термодвнамического процесса. Термодинамический процесс, который сопровождается химическв обратимой реакцией, может быть необратимый, если не соблюдено условие п~ротекания этого процесса через бесконечное число бесконечно мало отличающихся друг от друга равновесных состояний.

Вероятность протекания прямой и обратной реакций определяется числом эффективных столкновений, которые действительно приводят или к образованию молекул продуктов ~реакции, или к распаду их. Первым фактором, определяющим число эффективных столкновений, является, полное число столкновений между молекулами. Полное число столкновени1й между данными молекулами зависит от количества этих молекул в смеси. Так, интенсивное протекание реакции в прямом направлении приводит к уменьшению содержания в газе молекул исходных веществ, в связи с чем уменьшается и число столкновений, которые могут привести к образованию молекул 90 сорта| АВ. При этом в смеси увеличивается содержание молекул продукта реакции, что приводит к увеличению числа столкновений, которые могут привести к разложению молекул продукта реак.

ции АВ на исходные вещества А и В. Другим фактором, определяющим число эффективных столкновений, является запас энергии сталкивающихся частиц, который необходим для того, чтобы та или иная реакция могла вроизойти. Этот запас энергии называется энергией активации. Для прямой реакции (реакции сгорания), протекающей с выделени~ем тепла за счет образования новых химических связей, необходимая энергия активации относительно мала, так как она потребна только для того, чтобы дать толчок к перегруппировке атомов в молекулах реагирующих ве- Я+В еч е м ществ. Для обратной .реакции (репсцин разложения продуктов сго- чГ 3 1 рания) запас энергии, иеобходимый для того, чтобы при соуда- 4' ЯВ ренин произошел разрыв молеку, лы, должен быть по крайней мере 'м большим, чем энергия химической связи, выделенная при прямой ре- Фнс 49. Схема энергетнчеемнх уров- акции сгорання.

ней в прямой н обратной реакциях. Схема энергетических уровней при протекании~реакции сгорания (прямой реакции) и диссоциации (обрат~ной реакции) приведена на фиг. 49. Смесь исходных молекул (А+В) обладает некоторым запасом энергии, которую обозначим через Еь Для того что~бы произошла прямая реакция сгорания, встречающиеся молекулы должны обладать энергией активации Ел,„.

После осуществления реакци|и продукт реакции (АВ) имеет меньший запас энергии Еь Количество выделенной при реакции энергии составит Е1 — Ех. Для того чтобы могла произойти реакция диссоциации вещества АВ, встречающиеся молекулы должны обладать по крайней мере запасом энергии Е| — Еь Кроме того, обратная реакция также требует соответствующей ей энергии активации Ел „ так что общий запас энергии, которым должны обладать встречающиеся молекулы, составит Е1 — Ее+Ел„.. Величина Е,— Ех+Едл всегда больше, чем величина Ел „.

Химическое равновесие в газовой смеси Источником энергии активациями и энергии, необходимой для разложения продукта сгорания, является энергия теплового двисямния частиц, составляющих газ. Тепловое движение характеризуется очень неравномерным распределентвем энергии между частицами. Количество частиц, обладающих данным запасом энергии, определяется с помощью уравне- 91 ния, которое называется уравнением Максвелла и имеет слвдующий вид: 6~ К=Ад(ое "' а~, где Уа — число частиц, имеющих запас энергии ес,' й(а — число всех частиц; А — некоторая постоянная; Т вЂ” абсолютная температура, являющаяся мерой общего запаса энергии в газе; й — постояне)ая Больцмана.

(свюх)Ь (с вв)ч 92 Кривые распределения частиц по энергии приведены на фиг. 50' Количество частиц, обладающих данньгм запасом энергии, имеет максимум при некоторой энергии е; хотя количество частиц, имеющих запас энергии ес>а уменьшается с увеличением а, "0 однако в газе всегда имеются Т, частицы с относительно ббльшим запасом энергии. В таком распределении т энергии между частицами газа т заложена возможность протекания реаещий диссоциации, так как в газе всегда имеются частицы, запас энергии которых достаточен для совершения Фиг. 50. Распределение частиц по знаргетичесинм уровням при разных темпе- этой реакци".

ратурах. С увеличением температуры, при которой находится газ, относительное количест)во частиц, имеющих большие запасы энергии, увеличивается (а ) т,> (е .)г,. а следовательно, увеличивается вероятность протекания обратной реакции. По мере протекания )прямой реакции сгорания скорость этой реакции (т. е. число соединений молекул А и В в единицу времени) уменьшается вследствие уменьшения общего числа столкновений между молекулами исходных веществ. Одновременно скорость обратной реакции приданной температуре смеси увеличивается за счет увеличения числа столкновений, в которых участвуют молекулы продуктов реакции.

В результате наступает такой момент, когда скорости прямой и обратной реакцией в точности равны друг другу. Тогда средний химический состав газа меняться не будет, хотя в нем будут идти с равной скоростью прямая и обратная реакции, Газовая смесь вэтом случае находится в химическом равновесии. Это равновесие является динамическим равновесием, которое возникает гари наличи~н в газе двух противоположных процессов, протекающих с равной скоростью.

Если увеличить температуру Т, при которой находится газовая смесь, то число молекул, имеющих ббльший запас энергии, уве- Константа равновесия химической реакции Изложенная выше качественная картина установления равнове.сия в газовой смеси может быть описана и количественно. Рассмотрим в общем виде обратимую химическую реакцию, идущую в смеси газов; ее уравнение можно записать так: аА+ЬВ+...

сС+с(О+..., (П.41) где а, Ь, с, Ы вЂ” коэффициенты реакции; А,  — обозначение газов —,исходных продуктов; С,  — обозначение газов — продуктов реакции. Так как в дальнейшем мы будем прилагать теорию химического равновесия к явлению диссоцвации продуктов сгорания, то условимся записывать каждую из реакций так, что в прямом направлении она является реакцией диссоциации и сопровождается переходом тепловой энергии в химическую. Так, например, реакция диссоциации углекислого газа запишется следующим образом: СО, ~ ~СО+ — Оь+ 94 ккал1г-моль; 2 (П. 48) Реакция образования окиси азота ХО также идет с затратой тепла, т.

е. является с нашей точки зрения ~реакцией диссоциации; она запитпется в виде ]ц,+О, ~2Ь(0+21 ккал~г-моль. (а=1; Ь 1; с=2). (П. 49) Нам нужно знать скорость прямой и обратной реакций. Под скоростью Реакции пониьгаатся отношение изменения концентрации 93 лпчится, а это приведет к увеличению скорости обратной реакции разложения продуктов сгорания и нарушению установившегося ранее при прежней температуре равновесия. В газовой смеси будет увеличиваться число исходных молекул, что вызовет возрастание скорости прямой реакции за счет увеличения общего числа столкновений между молекулами А и В. В конце концов при увеличении температуры газа снова установится равновесное состояние, характеризующееся равенством скоростей прямой и обратной реакций, но уже при большем содержании в газовой смеси продуктов диссо-циации.

Характеристики

Список файлов домашнего задания