Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 35

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

Текст из файла (страница 35)

2. С увеличением температуры Т, при которой вещество поступает в камеру двигателя или находится в ней, физическое тепло- содержание увеличивается. 3. Физическое теплосодержание вещества может быть отрицательным, если его температура ниже выбранной начальной температуры Т,. Если при нагреве или охлаждении данного компонента от начальной температуры Т, до температуры Т использования данного компонента в двигателе происходит фазовое превращение (например, конденсация или испарение компонента), то теплота фазового превращения должна входить в величину физического теплосодержания компонента с соответотвующи~м знаком. Так, например, если керосин, исходное состояние которого принимается жидким, поступает в камеру после испарения, то к физическому теплосодержанию должна быть добавлена теплота его вспарения, так как в этом случае тепло подводится к веществу извне и увеличивает запас физвческого теплосодержания в нем.

Химическая энергия и теплота образования вещества Полное теплосодержаяие компонентов топлив и продуктов сгорания в значительной мере зависит от имеющегося в них запаса хи.мической энергии. Рассмотрим поэтому более подробно природу и способы определения запасов химической энергии. Химические реакции протекают между атомами элементов так, что атом и входящие в него элементарные частицы не изменяются. .Однако в процессе химической реакциями атомы элементов вступают во взаимодействие илн, наоборот, разрывают имевшиеся между ними ранее связи.

При этом происходит перераспределение электронов, входящих в атомы, а в связи с этим н изменение запаса энергии в атомах или, как говорят, изменение энергетического уровня их. Химическая энергия, выделяющаяся или поглощаемая при реакции, и представляет собой разность энергетических уровней исходных и конечных веществ реакции.

Одно и то же вещество, которое получается в результате химической реакции, может быть образовано из различных исходных веществ, например, вода может образоваться из водорода и кислорода, находящихся в молекулярном илн атомарном состоя~ими. Вследствие этого и химическая энергия, выделяющаяся или затрачиваемая при образовании данного вещества, будет иметь различ- 178 ную величину. Для того чтобы избежать неопределенности в величине химической энергии компонентов топлив и их продуктов сгорания, исходные вещества, необходимые для их образования, всегда берутся в определенном, так называемом с та нд а р тном состоянии.

Под стандартным состоянием элемента понимается такое состояние, в котором этот элемент наиболее распространен в природе. За стандартные состояния элементов, используемых в топливах ЖРД, принимаются следующие: углерод в форме твердого, графита, кислород, водород и азот в виде молекулярных газов Ой, Нй и 1чь Рассмотрим некоторые примеры. При образованви окиси азота МО из стандартных азота и кислорода, т. е, нз газообразных )ч)й О азо НО Услодньуй ноль отсчета хамасеских энергии,пра- Нимаемыи д расчетак полипно теп- лосодерыания Наи Ой Химическая знергая деды 1'отрицательноя ) Вода Нав г Прои вдоль ный 1 . нуль олгсчета химическик знереий Фиг. 75.

Энергетические уровни стандартных элементов, соединений из них и химическая энергия веществ. О ~ — ХНМИЧЕСКаа ЭНЕРГИЯ МЕХаНИЧЕСКОй СМЕСИ М, Н Оэ ВРИ ЯРОИЭВОЛЬИО ВЫбРаННОМ нуле отсчета химических энергий; Ог — хнммческая энергия окиси авета ИЧО) орн про. иавольно выбранном нуле отсчета химаческих энерг й. 179 и Оы по уравнению Из+Ой — — 2гчО необходимо затратить некоторую энергию. Таким образом, окись азота обладает некоторым запасом энер гии по сравнению с энергией простой механической смеси стандартных элементов й)й в Ой. Эта энергия и есть хвмическая энергия. Схема энергетических уровней, веществ, участвующих в этой реакции, изображена на фит. 75.

Если принять условно, как мы и будем принимать в дальнейшем, что стандартные элементы, и, естественно, их механические смеси не обладают запасом химической энергив, то энергия, затраченная на образование окиси азота, т. е. хи~мическая энергия ее, будет положительной. При этом нетрудно видеть, что величина запаса химической энергии не зависит от выбора нуля отсчета хи~мических энергий. Так, например, если принять зв нуль отсчета химических энергий произвольный энергетический уровень (см, фиг. 75), то химическая энергия исходных в конечных веществ (механической смеси Хз и О, и окиси азота г)О) будет равна соответственно Я, и Яй.

Химическая же энергия 1чО, равная разности Яй — Яь как ясно видно из чертежа, не будет зависеть от того, каки~м взят энергетический уровень, принятый за нуль отсчета химическвх энергий. Химическая энергия вещества может бьгть и отрицательной. Так, например, при образовании воды по уравнению 1 Н, + — О, Нзо 2 происходит выделение энергии. В данном случае (если учесть принятые намв значения химической энергии стандартных элементов) вода обладает меньшим запасом энергии, чем механическая смесь Нз и~ Оь т.

е. отрицательной химической энергией. Эта~ энергия выделилась,при образовании воды. В указанных вы~ше примерах поглощение или выделение энергии происходит~потому, что при перестройке молекул и атомов исходных стандартных элементов для получения молекулы данного вещества (ХО или НрО) увеличввается или уменьшается запас энергии в ни~к. Это изменение запаса энергии зависит только от строения электронных оболочек атомов, исходных и конечных молекул, поэтому оно не зависит ни от давления, ~ни от температуры, при которых совершается необходимое для получения новой молекулы преобразование.

Химическая энергия, выделяющаяся или затрачиваемая,при осуществлении реакций образования вешества, может быть определена двумя способами. П е р в ы й с и особ состоит в том, что на основании изучения спектров частиц (атомов и молекул) вычисляются энергетические уровни атомов элементов, которыми они обладали до и после реакции. По их разности находится величина химической энергии, соответствующая данному превращению вещества. В торой сп особ основан на экспериментальном определении тепловых эффектов реакций, т.,е. количеств тепла, потраченных или выделенных при протекании той или иной реакции. Величина этого теплового эффекта, отнесенная к образовавшемуся веществу, называется теплотой образования.

Чаще всего данный метод используется при определечий теплового эффекта реакций горения. В этом случае в специальном сосуде, изолированном от окружающей среды (в калориметре), осушествляют необходимую реакцию, в процессе которой химическая энергия преобразуется в тепловую. Эта энергия расходуется на нагревание продуктов горения. По оконча~нии реакции ее продукты охлаждаются до той температуры, которую имели исходные вещества до начала реакции, причем измеряется количество тепла, которое отводятся от продуктов реакции.

Определенное таким образом количество тепла и называется теплотой образования вещества, в отличие от химической энергии, находимой первым способом. Тепловой эффект реакции горения иногда называют также теплотой горения. Теплота образования находится в определенном соответствии с химической энергией, хотя и не равна ей.

Разница между величинами теплоты образования и химической энергией состоит в том, что 180 при изменении вещества в процессе реакции происходит изменение запаса физического тепла в ~нем. Это изменение физического тепла ПЯ составляет т т ц1,1= ) с„, йт — ') с„,„оТ, где с„, — теплоемкость продуктов реакции (образовавшихся веществ); с — теплоемкость исходных веществ.

Если считать, что теплоемкости от температуры не зависят, то дЯ=(~„~,— ~„,„) Т. Отличие теплоемкости продуктов реакции от теплоемкостн исходных веществ объясняется тем, что образующиеся вещества имеют строе- ние и свойства, отличные от строения и свойств исходных веществ. Кроме того, теплоемкость газообразных веществ зависит от того, при каких условиях (при постоянном давлении или постоянном объеме) осуществляется реакция. Таким образом, ьЯ ~зависит от вида реакции, условий ее проте- кани~я и температуры Т; последнее оказывает на величину ЬЯ наи- большее влияние.

Теплота образования компонентов топливов и и|х продуктов сгора- ния, используемая при расчетах ЖРД, относится обычно к следую- щим условиям: .постоянному давлению, равному 1 ага, и к комнат- ным температурам (15 — 25' С). В этом случае теплота образовани|я равна изменению полного теплосодержания веществ, участвующих в реакции, и обозначается ЬНг. Нижний индекс «Тр обозначает тем- пературу, при которой получена теплота образования.

Если теплота образования вещества относится к тому случаю, когда исходные и конечные вещества находятся в стандартном состоянии при темпе- ратуре Т, то к обозначению добавляется верхний индекс — нудь, а сама теплота образования ЬН'„называется стандартной. Найдем связь между теплотой образования и химической энер- гией. Предположим, что в калориметре на образование вещества при температуре Т израсходовано, т. е. подведено к системе веществ, или выделилось, т. е.

потеряно самой системой веществ, количество тепла, равное ЛНг. Оно затрачено на изменение хигиической энер- гии („„„вещества и на изменение запаса тепла зЯ, которое для при- нятых условий будет равно (ач — снв*) Следовательно, д11г=урим+ (спроа сиех) Т или (У. 19) При Т=О, независимо от величины разности (с„р„— с„,„), дую=О, а следовательно, Т„„„= ЬН~. Другими словами, химическая энергия вещества равна его теплоте образования при абсолют- ном нуле. 181 Знак теплоты образования и химической энергии мы будем определять исходя из следующего правила, Если спстема, вступившая в реакцию, потеряла тепло и, следовательно, на соответствующую величину уменьшился запас энергии в ней, то теплота образования, а также химическая энергия отрицательнИ.

Характеристики

Список файлов домашнего задания