Горение (реакция)

ГОРЕНИЕ (а. соmbustion, burning; н. Brennen, Verbrennung; ф. соmbustion; и. соmbustion) — быстро протекающая реакция окисления, сопровождаемая выделением значительного количества тепла; обычно сопровождается ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев в качестве окислителя при горении выступает кислород, но возможны процессы горения и при реакциях других типов (горение металлов в азоте, в галогенах). В физической химии к горению относят все экзотермические химические процессы, в которых существенную роль играет самоускорение реакции, вызванное повышением температуры (тепловой механизм) или накоплением активных частиц (диффузионный механизм).

Характерная особенность горения — наличие пространственно ограниченной области высокой температуры (пламени), в которой происходит основная часть химического превращения исходных веществ в продукты сгорания и выделением большей частью тепла. Появление пламени вызывается поджиганием, на которое требуется затрата определённой энергии, но распространение пламени по системе, способной к горению, происходит самопроизвольно, со скоростью, зависящей от химических свойств системы, физических и газодинамических процессов. Технически важные характеристики горения: теплотворная способность горючей смеси и теоретически (адиабатическая) температура, которая была бы достигнута при полном сгорании горючего без теплопотерь.

Из всего многообразия процессов горения обычно по агрегатному состоянию горючего и окислителя выделяют гомогенное горение предварительно смешанных газов и парообразных горючих в газообразных окислителях, гетерогенное горение (твёрдых и жидких горючих в газообразых окислителях) и горение взрывчатых веществ и порохов (идущее без массообмена с окружающей средой).

Наиболее простым является гомогенное горение смешанных газов. Скорость распространения ламинарного пламени по такой системе является физико-химической константой смеси, зависящей от состава смеси, давления, температуры и молекулярной теплопроводности.

Гетерогенное горение — наиболее распространённый в природе и технике процесс. Его скорость определяется физическими свойствами системы и конкретными условиями сжигания. Для горения жидких горючих большое значение имеет скорость их испарения, а для твёрдых — скорость газификации. Так, при горении углей можно различить две стадии. На первой (при условии медленного нагрева) происходит выделение летучих компонентов угля, а на второй — догорание коксового остатка.

Распространение пламени по газу приводит к появлению движения газа на значительном расстоянии от фронта пламени. Если ширина зоны реакции мала, то пламя можно представить как газодинамический разрыв, движущийся по газу с дозвуковой скоростью. Это возможно не только в случае гомогенной смеси, но и для достаточно мелкодисперсных жидких и твёрдых горючих, взвешенных в окислителе. Так как компонента скорости пламени, нормальная к его фронту, не зависит от скорости самого газа, то при стационарном горении в потоке движущегося газа устанавливается вполне определённая форма пламени. Устойчивость горения в таких условиях обеспечивается соответствующей конструкцией топочных устройств.

Движение газа, вызываемое появлением пламени, может быть как ламинарным, так и турбулентным. Турбулизация потока, как правило, приводит к резкому ускорению сгорания и появлению акустических возмущений в потоке, приводящих в конечном итоге к появлению ударной волны, инициирующей детонацию газовой смеси. Возможность перехода горения в детонацию определяется помимо свойств самого газа размерами и геометрией системы.

Процессы горения топлива используются в технике, основная задача сжигания топлива сводится к достижению максимального тепловыделения (полноты сгорания) за заданный период времени. В горном деле на использовании процесса горения основаны методы разработки полезных ископаемых (см. внутрипластовое горение). В определённых горно-геологических условиях самопроизвольно возникающее горение (см. самовозгорание угля, самовозгорание торфа) может привести к возникновению Пожаров эндогенных.