Процесс горения

ТОПЛИВО ДЛЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Как любой двигатель ракетный для работы нуждается в каком-либо источнике энергии. В настоящее время широко используется химическая энергия. Эта энергия может выделяться в реакциях горения (соединения) или разложения различных топлив.

Реакция горения наиболее распространённая, используется в процессах подавляющего большинства тепловых двигателей (ракетные двигатели тоже тепловые). Но для р.д. необходим ещё и запас массы, которая отбрасывалась бы в процессе работы. Эту массу называют рабочим телом.

В ракетном двигателе (р.д.) источником химической энергии служит топливо, а рабочим телом – продукты реакции горения или разложения (например, перекиси водорода).

Возможно применение ядерной энергии. Ядерное топливо будет (носителем) источником энергии, а рабочее тело должно содержаться на борту Л.А. дополнительно.

Под процессом горения понимается химический процесс между двумя веществами – «горючим» и «окислителем», сопровождающийся выделением большого количества тепла.

В реакции горения энергетический уровень атомов определяется строением внешней электронной оболочки атома. На внешней оболочке может находиться определённое число электронов. Для элементов, используемых в топливах ракетных двигателей, предельное число заполнения равно восьми (исключение составляет водород: на внешней оболочке 2 электрона). Заполнение внешней оболочки электронами сопровождается падением энергетического уровня атомов. В случае предельного заполнения внешней оболочки электронами атом обладает минимальным энергетическим уровнем.

В процессе химической реакции горения не происходит изменения строения атомов и общее число электронов в атомах «Г» и «О» элементов остаётся постоянным. Однако при образовании продуктов сгорания происходит взаимное переплетение и такое преобразование электронных оболочек реагирующих атомов, что некоторые электроны оказываются входящими одновременно в оболочки атомов «Г» и «О» элементов.

Это можно показать на примере образования водяного пара в результате горения Н₂ и О₂:

При образовании водяного пара в результате горения происходит такое преобразование электронных оболочек, в результате которого две группы по два электрона входят одновременно в оболочки атомов кислорода и водорода. При этом атом кислорода имеет на внешней оболочке восемь электронов, а атомы водорода – по два электрона, т.е. оболочки у всех атомов оказываются предельно заполненными электронами.

Также в молекулах (см. рис. ниже) фтористого водорода (HF), углекислого газа (СО₂) и молекулярного водорода (Н₂) совместное обладание электронами приводит к тому, что внешние электронные оболочки всех атомов, входящих в продукт реакции, оказываются предельно заполненными электронами. По этой причине энергетический уровень молекулы продукта реакции оказывается ниже, чем энергетический уровень атомов до вступления их в соединение. Разность энергетических уровней определяет величину химической энергии выделяющейся при данной реакции.

Так как элементы «Г» и «О» находятся в составе молекул простых или сложных веществ, то процесс горения с точки зрения выхода энергии представляется происходящим таким образом: вещество, находящееся в молекулярном виде, разлагается до атомов соответствующих элементов с затратой или выделением химической энергии. Затем атомы соединяются в продукты горения всегда с выделением химической энергии.

Общий выход химической энергии определяется алгебраической суммой химических энергий, соответствующих каждому из составляющих процессов.

Химическая энергия, выделяющаяся при реакции горения, может быть определена двумя способами:

1. на основании данных спектрального анализа частиц (атомов и молекул) вычисляются энергетические уровни частиц до и после реакции и по разности находится величина химической энергии;

2. калориметрическим способом определяется теплота образования (она не равна химической энергии, но находится в определённом соответствии с ней).

В калориметре осуществляют необходимую реакцию, в результате которой химическая энергия преобразуется в тепло, тепло расходуется на нагревание продуктов реакции, По окончании реакции продукты горения охлаждаются до температуры, которую имели вещества до реакции. Измеряется количество тепла, отводимое от продуктов реакции, так называемая теплота образования ∆Н.

Разница между ∆Н и химической энергией возникает вследствие того, что запас энергии вещества при горении меняется при одной и той же температуре.

Дата добавления: 2014-11-06