Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 18

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

Текст из файла (страница 18)

Таким образом, температура, при которой находится смесь газов, влияет на состав этой смеси в притом так, что с повышением температуры в смеси увеличивается содержание продуктов диосоциации, на образование которых необходима затрата тепла. вещества АС ко времени дг, в течение которого это изменение кон.центрации происходит. Таким образом, скорость реакцви ас И М При этом знак скорости нв имеет значения, так как можно говорить как о скорости образова>ния новых продуктов, так в о скорости уничтожения исходных веществ.

В ел и чин а кон центр а цви С, входящей в уравнение ско>роств реакции, представляет собой количество вещества, находящегося в единице объема, и определяется обычно, как число граммолей данного вещества й~ в кубическом метре объема С = — граммолей1м'. Ь| Для определения скорости реакции следует воспользоваться законом действующих масс, соглаоно которому скорость химическои реакции пропорциональна концентрациям реагирующих веществ„ взятым в степенях, определяемых коэффициентами реакции (а, Ь, с, г(). Так, в общем виде скорость и~ реакции ди~ссоциации (П. 47) можно записать так: и,— К,Сл Свв .

(П. 50) См Св ... — представляет собой концентрации веществ А, В и т. д., выраженные в молях на единицу объема; К1 — коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции. Эта величина характерна для каждой реакции; она зависит от температуры н увеличивается вместе с ней.

Так, скорость реакции днссоциации СОз (П. 48) может быть записана в виде и1=К,Ссо,. (П. 51) Скорость обратной реакции (П. 47) определится равенством и,=К,СсСо~ . (П.52) В применении к реакции (П. 48) скорость обратной реакции сгорания СО запишется в виде 1 и, = К.Ссо С~о,. При химическом равновесии газовой смеси скорость прямой >реакции и~ равна скорости обратной реакции им т. е.

К,СлСв .. > К,Сссо ° (П. 53) или к, с'с" (П. 54) к с с 94 (!1. 55) йТ следовательно, С;= — '= Р1 М йТ!~ КТ' Подставим теперь это выражение в уравнение константы равновесия (П. 54) реРА К 1 Рсра (ТГ7)!а+ь+ ... — ~ +А+ ..О1 (ц 88) КЯ РАРВ (1!.67) Отношение Рсра . РАРВ иазььвается константой равновесия, выраженной через парциальные давлениЯ, и обозначаетсЯ Ке Разность (с+й+...— (а+6+...)] опРеделяет изменение числа молей газа при реакции рассматриваемого типа и обозначается через Ьт.

В применении к реакции (П. 48) ммеем 1 осо Со, 2 Ссо, Это выражение говорит о том, что в условиях равновесия кон- ,центрации всех реагирующих веществ должны находиться в опреде- ленном соотноше~нии между собой. При этом величина отноше- нвя — называется константой,оавновесия, выраженной через конК1 Кз ценграции, и обозначается Кс. Так же как и величины К1 и Км величина Кс зависит только от температуры и типа химической ,реакции. Константа равновесия является величиной, связывающей равно- весные концентрации веществ в их смеси.

С помощью этой ве- личины можно находить состав смеси, а также определять измене- .ние состава при изменении внешних условий, При изучении диссоциации газовых смесей более удобно пользо- ваться не величинами концентраций Со а величинами парциальных давлений р1. Концентрация С, может быть выражена через парциальное дав- ление газа. Для этого число молей газа| п1 заменим через парциаль- ное давление газа, воспользовавшись уравнением состоянвя, которое по закону Дальтона может быть приложено к любому газу, входя- щему в газовую смесь, РМ= *п1йТ, (П.

56) где Й вЂ” универсальная газовая постоя1нная; 'г' — объем, занимаемый газовой смесью; отсюда Величину константы равновесия К, можно выразить в виде К вЂ” ~' Р7)-'"; д. она определяет парциальные давления газов в газовой смеси, находящейся в химическом равновесии. В дальнейшем мы ~будем пользоваться только этой константой и поэтому значок р в обозначении константы будем опускать.

Для рассмотренных выше реакций образования окиси азота и диссоциации углекислого газа константы равновесия запишутся в виде (11. 59) 1 2 и К= — ' Рсоро Рсо, и значение константы будет Рсо, КР й Ф РсоРо, т. е. она является обратной величиной константы Кь приведенной в приложении 2. 2 Рко Рн,Ро, или в общем виде для реакции (П. 47) К— (В. 60) РАРВ . Константа равновесия для смеси идеальных газов зависит только от температуры. Эта зависимость чрезвычайно сложна, и для кон- стант равновесия газов — продуктов сгорания жидкостных ракетных двигателей — нельзя дать аналитического выражения, связывающе- го константу равновесия и температуру.

Поэтому при расчетах используются таблицы значений констант равновесия при различных температурах. Константы равновесия основных реакций, протекающих в камере двигателя, приведены в приложениях 1 и 2. Кроме приведенных таблиц, при практической работе могут встре- титься и таблицы с другими значениями тех же констант равновесия. Это происходит вследствие того, что при вычислении констант равно- весия необходимо знать многие величины, характеризующие молеку- лы, а главное, величину изменения энергии при протекании реакции.

Для многих газов эти величины все время уточняются„в связи с чем изменяются и значения констант равновесия. При пользовании таблицами констант равновесия следует обра- щать внимание на то, в каком виде записана реакция, для которой дается значение константы. Иногда константы записываются не как константы реакций дис- социации, а как константы реакций сгорания.

Например, реакция (П. 48) может быть записана в виде со+ — 'о, со, 2 )громе того, иногда химические уравнения пишутся так, чтобы избежать дробных коэффициентов. Например, реакцию (П. 48) можно записать 2СО, + 2СО + О,. Для реакции, записанной в таком виде, РсоРо, лсо, т. е. К'=К1. Влияние температуры и давления на состав продуктов сгорания Если нет каких-либо препятствий для протекания химической реакции, состав продуктов сгорания полностью определяется температурой, общим давлением, при котором находится газовая смесь, а также весовыми долями химических элементов, входящих в соединения, составляющие продукты сгорания. Состав продуктов сгорания данного топлива (при данных весовых долях химических элементов) определяется температурой и, в значи. тельно меньшей степени, давлением.

Для принятой формы записи реакций, когда прямая реакция является реакцией диссоциации, значение константы равновесия возрастает с увеличением температуры. Эта зависимость чрезвычайно резкая, степень диссоциации быстро возрастает с увеличением температуры и уменьшается при снижении ее. При этом понижение температуры приводит к увеличению содержания в газовой смеси продуктов полного сгорания, т. е. выделение химической энергии и переход ее в тепловую при низких температурах совершаются в большей степени, чем при высоких.

Меньшее влияние на состав продуктов сгорания имеет давление. С уменьшением общего давления газовой смеси продуктов сгорания ЖРД в них увеличивается относительное содержание продуктов неполного сгорания и вообще всех продуктов, образование которых сопровождается затратой тепла и увеличением химической энергии, т. е.

степень диссоциации продуктов сгорания увеличивается. Повышение давления, наоборот, несколько подавляет диссоциацию. Это правило, однако, не относится к таким газовым смесям, в которых протекает химическая реакция без изменения числа молей, т. е. когда д о =О. Примером такой реакции может служить реакция образования окиси азота (П. 49). В этом случае давление, при котором находится газовая смесь, вовсе не влияет на ее состав.

Если состав продуктов сгорания, а следовательно, и степень диссоциации их в точности соответствуют внешним условиям (температуре и давлению), то газовая система может пребывать сколько угодно долго в таком состоянии, т. е. находиться в равновесии. При протекании термодинамнческих процессов в газовых смесях может быть и другой случай. Если в результате каких-либо причин 7 г. ь. сииирев и я. в. добровольский 97. химические реакции, необходимые для изменения состава смеси в соответствии с изменившимися температурой и давлением, будут заторможены, состав газовой смеси не будет соответствовать температуре и давлению, т. е. продукты сгорания не будут находиться в равновесном состоянии. После устранения причин, затормозивших необходимые реакции (или, если они протекают медленно, — по истечении некоторого времени), газовая смесь придет в равновесное состояние.

В дальнейшем мы будем рассматривать только один процесс, наиболее существенный для изучения ЖРЛ, а именно, процесс адиабатического (без обмена теплом с окружающей средой) расширения химически активной газовой смеси продуктов сгорания. В процессе адиабатического расширения такой газовой смеси уменьшается давление и температура ее, следовательно, должен изменяться и состав газов. В соответствии со сказанным выше (учитывая преобладающее значение температуры) при равновесном расширении должна уменьшаться степень диссоциации газа и по ходу расширения в сопле будут протекать реакции, обратные реакциям диссоциации, — реакции соединения ранее диссоциированных атомов и молекул.

Такое явление носит название рекомбинаи,ии продуктов сгорания. В процессе рекомбинации дополнительно образуются продукты полного сгорания и выделяется химическая энергия. Эта энергия переходит в тепловую энергию газа, хотя подвод тепла к нему извне будет соответствовать. ф 13. РАВНОВЕСНОЕ И НЕРАВНОВЕСНОЕ РАСШИРЕНИЕ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ Равновесное расширение Равновесным расширением химически активной газовой смеси называется такой процесс расширения, когда при протекании процесса в каждый данный момент времени состав газовой смеси будет определяться условиями химического равновесия. Это означает, что при изменении температуры и давления соответственно по условиям равновесия будет меняться состав газовой смеси. Если процесс расширения будет протекать равновесно, то адиабатический процесс расширения будет протекать термодинамически обратимо.

Характеристики

Список файлов домашнего задания