لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه: 127
معرفی
از زمان ظهور انرژی اتمی ، تمامی پروسه های موتورهای ترمودینامیکی ، منبع انرژی شان را به طور مستقیم یا غیر مستقیم از احتراق سوخت می گرفتند. اکنون ، احتراق به معنای اشتعال می باشد و سوخت ماده ای است که ( می تواند جامد ، مایع یا گاز باشد) نسبتاً آسان در کمیت زیاد به دست می آید و به سادگی قابل استفاده می باشد و هنگامی که مشتعل شد مقدار زیادی انرژی برای حجم داده شده آزاد می کند. اشتعال سوخت همچنین به راحتی قابل کنترل می باشد.
قسمت اصلی سوختها ، از کربن و هیدروژن و ترکیبی از ان ها به نام هیدروکربن ها تشکیل شده است.این سوخت ها در حالات مختلف گاز ، مایع یا جامد وجود دارند.
سوختهای طبیعی ، زغال سنگ ، نفت و گازهای طبیعی ، میلیون ها سال قبل در خلال انقلاب زمین اندوخته شدند. و به همین دلیل ، این سوختها اغلب سوختهای فسیلی اشاره می شوند.
در موارد گسترده ای ، احتراق سوخت آغاز فرآیندهای موتور ترمودینامیکی می باشد، پس داشتن علم کافی درباه ی واکنشهایی که در خلال احتراق سوخت صورت
می گیرد ضروری است. برای تحقق این موضوع ، آشنایی با شیمی احتراق مورد نیاز است .
واکنش های انرژی ده و انرژی گیر
درطی بسیاری از واکنش های شیمایی ، انرژی آزاد می شود در حالی که در سایر موارد انرژی جذب می گردد . یک واکنش شیمیایی که در ان انرژی آزاد می شود واکنش گرما ده نامیده می شود . بنابراین احتراق همه سوختها واکنش های گرما ده هستند.
یک واکنش شیمیایی که درآن انرژی جذب می شود واکنش گرماگیر نامیده می شود و برای این مثال در کارخانه شهر یک واکنش بین کربن و دی اکسید کربن ، مونواکسید کربن تولید میکند . برای انجام این واکنش ، انرژی نیاز می باشد و از این رو این یک فرآیند گرماگیر است .
عنصر ، ترکیب و مخلوط
عناصر ماده اولیه جسم هستند .عناصر نمی توانند به سایر مواد تجزیه گردند. اکسیژن و هیدروژن که نمی توانند به مواد دیگری تجزیه گردند عنصر می باشند ترکیبات موادی هستند که از عناصر تشکیل شده اند.
عناصر در ترکیبات ، خواص اصلی خودشان را از دست می دهند ودر ترکیب شیمیایی با سایرین می باشند. خواص یک ماده مرکب ممکن است کاملا با خواص اصلی عناصر تشکیل دهنده آن متفاوت باشد. بنابراین آب یک ماده مرکب است که درحالت طبیعی به صورت مایع است. آب خواص متفاوتی باعناصر هیدروژن و اکسیژن که آن را تشکیل می دهند دارد. هر دوی این عناصر در حالت طبیعی به صورت گاز می باشند.
یک مخلوط موردی است که در ان عناصر یا ترکیبات یا هردو مخلوط شده و هیچ ماده جدیدی ایجاد نمی گردد.
بنابراین هوا ترکیبی از گازهاست عمدتاً نیتروژن و اکسیژن
اتم و جر م اتمی نسبی ( وزن اتمی )
مواد از ذرات بی نهایت ریزی تشکیل شده اند .این ذرات آجرهایی هستند که از حجم بزرگتر ماده ساخته شده اند . ذرات کوچک عناصر اتم نامیده می شوند. اتمهای هر عنصر خواص متفاوتی دارند که آن ها ماده را درست می کنند. جدای از تفاوت آشکار مواد ، مشخصه دیگر که جرم آن هاست متفاوت است.برای تشخیص این تفاوت ، یک مقیاس نسبی جرمها ایجاد می شود. مرجع یک عنصر به این مقیاس نسبی عموماً به وزن اتمی آن نامیده می شود.
اکنون سبکترین عناصر هیدورژن است و اصالتاً برای مقیاس نسبی جرم اتمی ، جرم آن به عنوان واحد گرفته می شود. سایر عناصر سپس در مقابل جرم اتمی نسبی هیدروژن = 1 مقایسه می شوند. اتم اکسیژن 16 برابر جرم اتم هیدروژن شناخته
می شوند و از این رو جرم اتمی نسبی اکسیژن =16 است.یک اتم کربن 12 برابر جرم اتم هیدروژن است .از این رو جرم اتمی نسبی کربن = 12 است.
دقت بالا تر در جرم اتمی نسبی ، فرض جرم اتمی نسبی اکسیژن = 16 تصحیح کوچکی را در مقیا س جرم اتمی نسبی ضروری می نماید. برای مثال ، باجرم اتمی نسبی اکسیژن = 16 جرم اتمی نسبی هیدروژن = 008/1 است.
اخیراً پیشنهاد شده است که مقیاس جرم اتمی نسبی بر روی یک واحد جرم اتمی (amu) بنا شود که برابر جرم اتم کربن طبیعی میباشد . اگر چه برای انالیز احتراق سوختها تا در موتور ترمودینامیکی این درجه از دقت احتیاج نمی باشد .
مولکول وجرم مولکولی نسبی ( وزن مولکولی )
تعدادی از عناصر به طور معمولی به صورت ساختمان اتم ساده و جودندارند اما خودشان را به ساختمان های ذرات ریز که شامل دو اتم است شکل می دهند. مثال این اکسیژن ، هیدروژن ونیتروژن می باشد.
به طریق مشابه هنگامی که ترکیبات شکل می گیرند، آن ها دوباره ذرات ریزی را می سازند و هرکدام از این ذرات از دو یا تعداد بیشتری اتم ایجاد شده اند .برای مثال : یک ذره از دی ا کسید کربن از یک اتم کربن در ترکیب شیمیایی با دو اتم اکسیژن تشکیل شده است.
ذرات ریزی به این صورت، که بیشتر از یک اتم را شامل می شوند به عنوان مولکول نامیده می شوند.
از آن جاییکه مولکول از اتم تشکیل شده است جرم نسبی آن به مقیاس جرم اتمی نسبی می تواند ایجاد شود. جرم یک مولکول که اندازه گیری می شوند عموماً وزن مولکولی آن نامیده می شود. اکنون توصیه میشود که آن ، جرم مولکولی نسبی نامیده شود.
برای مورد دی اکسید کربن
12 = جرم نسبی یک اتم کربن
32 = 16 × 2 = جرم نسبی دو اتم اکسیژن
44 = 32 + 12 = جرم مولکولی نسبی دی اکسید کربن
باید توجه شود که مولکول های شامل دو اتم از قبیل اکسیژن ، هیدروژن و مونو اکسید کربن ، دو اتمی نامیده می شوند.مولکولهای شامل سه اتم از قبیل دی اکسید کربن و آب ، سه اتمی نامیده می شود. مولکولهای شامل بیش از سه اتم ، چند اتمی نامیده می شوند.
نمادهای شیمیایی
برای جلوگیری از نوشتن آن ها به صورت کامل ، مواد شیمیایی به صورت اختصاری نوشته می شوند . برای مثال :
C نوشته می شود کربن
S نوشته می شود سولفور ( گوگرد)
برای نشان دادن نوع ساختمانی که مواد دارند ، یک عدد زیر نویس به نماد آن داده میشود برای ساختمان های تک اتمی ، از قبیل کربن و سولفور داده شده در بالا هیچ عدد زیر نویسی نیاز نیست . فهمیده می شود که عدد 1 باید آنجا باشد ولی هرگز نوشته نمی شود
نماد برای اکسیژن ، هیدروژن ونیتروژن به ترتیب N , H , o هستند.این گازها ، همان طور که نشان داده شده اند خودشان را به صورت ساختمان مولکول دو اتمی شکل می دهند بنابراین :
نوشته می شود اکسیژن
نوشته می شود هیدروژن
نوشته می شود نیتروژن
به روش مشابه، ترکیبات دارای زیر نویس هایی هستند که به اجزا تشکیل دهنده شان داده می شوند ونشان دهنده تعداد اتم های هر جزء در یک مولکول می باشد.بنابراین:
نوشته می شود دی اکسید کربن
که نشان دهنده این است که یک اتم کربن با دو اتم اکسیژن ترکیب شده است تا یک مولکول دی اکسید کربن تولید کند. به طور مشابه ،
نوشته می شود آب
که نشان دهنده این است که دو اتم هیدروژن با یک اتم اکسیژن ترکیب شده است تا یک مولکول آب تولید شود. توجه کنید که در مورد آب ، یک اتم اکسیژن در تعادل با دو اتم هیدروژن می تواند وجود داشته باشد، جایی که ، اکسیژن مولکول دو اتمی تشکیل می دهد برای نشان دادن تعداد مولکولهای بحث یک عدد پیش وند استفاده می شود .بنابراین :
دو مولکول آب معنی می دهد
چهار مولکول دی اکسیدکربن معنی می دهد
هوا
در طی احتراق ، یک سوخت معمولاً واکنش می دهد با اکسیژن و انرژی آزاد می کند. منبع ضروری اکسیژن معمولاً از هوا تشکیل شده است. دانش اجزاء هوا بنابراین مورد نیاز می باشد تا مقدار اکسیژن در یک حجم داده شده فهمیده شود. اکنون هوا از گازهای زیادی تشکیل شده است از قبیل اکسیژن . گازهایی مثل نیتروژن ، آرگون ، هلیوم ، نئون ، کریپتون ، زنون و دی اکسید کربن همراه با هم و بخار آب حضور دارند.از همه ی این اجزاء ، اکسیژن و نیتروژن حجم اصلی را ایجاد می کنند.درحقیقت برای اغلب اهداف احتراق بسیار مفید است تا فرض شود که هوا به طور کلی از این دو گاز تشکیل شده است. همچنین توصیه شده است تا اکسیژن در طی احتراق سوخت عامل واکنش دهنده می باشد.اکسیژن نمی تواند بدون همراهی با نیتروژن به دست آید.
اکنون نیتروژن یک گاز بی اثر است به معنای این که در واکنش های احتراق شرکت نمی کند. از طرف دیگر ، واقعیتی که وجود دارد این است که آن ها تاثیرات کند کردن واکنش احتراق را ایجاد خواهند کرد. از ان جاییکه از تماس ضروری اکسیژن با سوخت ممانعت می کنند.
همچنین ، نیتروژن مقداری از انرژی آزاد شده را به عنوان یک محصول احتراق جذب خواهد کرد و بنابراین دلیل پایین بودن دمای احتراق می باشد. تاثیر نیتروژن نبایستی کلاًبه عنوان زیان آور بررسی گردد.
احتراق با اکسیژن خالص خیلی سریع خواهد بود . ودمای بالایی را تولید می کند. احتراق خیلی سریع ممکن است کنترل را سخت کند درحالی که دمای احتراق بالا، خسارت زیادی به مواد خواهد زد.
اکنون، یک گاز حجم وجرم دارد بنابراین اجزاء هوا به عنوان درصد ترکیب جرم و حجم داده می شوند. صرف نظر از تمام گازهای دیگر بجز اکسیژن و نیتروژن ، ترکیب به صورت زیر داده می شود:
حجم
جرم
%21
%2/23
اکسیژن
% 79
%8/76
نیتروژن
بسیار رایج است در مسائل آنالیز جرمی داده شده به صورت زیر داده شود:
% 77 نیتروژن ، % 23 اکسیژن
معادلات احتراق – استوکیومتری
عمل شیمیایی احتراق درمعادلاتی نوشته می شود .مورد احتراق کربن C با اکسیژن را درنظر می گیریم که اگر احتراق کامل باشد محصول دی اکسید کربن نتیجه می شود.
معادله احتراق در این مورد با صورت زیر شروع می شود:
این بدان معنی است که اکسیژن با کربن واکنش می دهد. محصول احتراق به این صورت تعریف می شود:
این بدان معنی است که اکسیژن با کربن واکنش می دهد تا دی اکسید کربن تولید شود. اکنون یک آزمایش باید انجام شود تا مشاهده گردد که آیا تعداد اتمهای کربن و اکسیژن در طرف چپ با تعداد اتم های کربن و اکسیژن در طرف راست برابر است ، از آن جایی که مقدار ماده ای که موجود است همواره یکسان است.در معادله
یک اتم کربن در هر طرف و دو اتم اکسیژن در هر طرف وجود دارد .این معادله موازنه است و ازاین رو این یک واکنش کامل برای احتراق کربن و اکسیژن است تا دی اکسید کربن تولید گردد. این معادله شیمیایی موازنه شده ، معادله استوکیومتری نامیده می شود که ارائه می کند. موازنه ای صحیحی بین مقدار سوخت تهیه شده ومقدار اکسیژن تهیه شده .نیتروژن همچنین در معادله استوکیومتری ظاهر خواهد شد هنگامی که احتراق سوخت در هوا صورت گرفته باشد.
اکنون احتراق هیدروژن با اکسیژن برای تشکیل را در نظر می گیریم.
این معادله احتراق به صورت زیر نوشته می شود:
این بدان معناست که هیدروژن بااکسیژن واکنش می دهد تا آب تشکیل شود. توجه کنیدکه هیدروژن به صورت واکسیژن به صورت نوشته شده است ، از آن جا که قبلاً بیان شد ، این گازها خودشان در ساختمان مولکولی دو اتمی تشکیل می شوند. در حالت آزاد آنها ، غیر ممکن است که یک اتم داشته باشیم.
اکنون یک آزمایش باید انجام شودتا موازنه ی اتمها در دو طرف معادله بررسی شود . درطرف چپ معادله دو اتم هیدروژن وجود دارند. در طرف راست دو اتم هیدروژن وجود دارند. هیدروژن موازنه است.
دو طرف چپ معادله دو اتم اکسیژن موجود است. در طرف راست معادله فقط یک اتم اکسیژن در ترکیب با هیدروژن وجود دارد. اکسیژن موازنه نیست.اکنون مولکول اکسیژن متشکل از دو اتم است.در حالی که مولکول آب فقط یک اتم اکسیژن را شامل می شود. از این رو مولکول اکسیژن دو مولکول آب را شکل خواهد داد.
معادله احتراق ممکن است به صورت زیر گسترش یابد:
اکنون اتمهای اکسیژن موازنه اند.گرچه اتمهای هیدروژن در طرف راست معادله اکنون به 4 افزایش یافته است ، اکنون طرف چپ موازنه نیست.این معادله به صورت زیر تصحیح می شود:
اکنون اتمهای دو طرف کاملاً موازنه اند و از این رو این معادله احتراق استوکیومتری اکسیژن با هیدروژن است تا آب تولید شود.
اکنون یک هیدروکربن از قبیل متان را مورد رسیدگی قرار می هیم ، یک گاز که نماد شیمیایی آن است .این گاز گاهی اوقات به عنوان گاز مارش نامیده می شود .این گاز از کربن و هیدروژن تشکیل شده است.برای احتراق کامل با اکسیژن ،کربن ، دی اکسید کربن را شکل خواهد داد و هیدروژن ، آب را شکل خواهد داد.یک شروع برای معادله احتراق به صورت زیر نوشته می شود :
اکنون موازنه اتمها را بررسی می کنیم .در مولکول یک اتم کربن وجود دارد و از آن جائیکه اتم کربن در مولکول دی اکسید کربن وجود دارد، فقط یک مولکول دی اکسید کربن تولید خواهد کرد. همچنین چهار اتم هیدروژن حضور دارند. در مولکول آب دو اتم هیدروژن وجود دارد، و بنابراین چهار اتم هیدروژن در دو مولکول آب حاضر خواهند شد. بنابراین معادله احتراق به صورت زیر گسترش می یابد.
اکنون اکسیژن راموازنه کنیم . در طرف راست چها راتم اکسیژن وجود دارد با نوشتن دو طرف چپ موازنه می شود . از این رو معادله احتراق استوکیومتری متان بااکسیژن نوشته می شود:
به عنوان مثال فراتر ، احتراق هگزان یک پارافین با اکسیژن را بررسی می کنیم .دوباره بانوشتن زیر شروع می شود.
که نشانگر آنست که کربن ، را شکل می دهد وهیدروژن ، را شکل خواهد داد . اکنون ، 6 اتم کربن را شامل می شود که را شکل خواهد داد و همچنین 14 اتم هیدروژن را شامل می شود که را شکل خواهد داد . از این رو معادله احتراق به صورت زیر گسترش می یابد.
این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
دانلود تحقیق کامل درمورد انرژی اتمی - مولوکول - شیمی
