آموزش ترمودینامیک ۲ بخش هفتم

۲آموزش ترمودینامیک

faradars.org/fvphy106

:مدرسعلیرضا اسفندیارتبدیل انرژی-کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک

(ع)دانشگاه امام حسین

۲ترمودینامیک سوخت و احتراق

1

فرادرس

FaraDars.org



:سوخت و احتراق

دهر ماده ای که در حین سوختن انرژی آزاد کند، سوخت نامیده میشو.

اکثر سوخت های شناخته شده شامل هیدروژن وکربن هستند کهگ، به عنوان مثال زغال سن. ) سوخت های هیدروکربنی نامیده میشوند

(بنزین، گاز طبیعی

اکثر سوخت های هیدروکربنی مایع مخلوطی از تعداد هیدروکربن.میایندهستند که از نفت خام به وسیله تقطیر در برج تقطیر بدست

فرادرس

FaraDars.org



:سوخت واحتراق

د یک واکنش شیمیایی که طی آن سوخت اکسید میشود و مقادیر زیادی انرژِ آزا: احتراق•.میشود، احتراق نام دارد

رد به دلیل فراوانی های هوای آزاد، در اغلب فرآیندهای احتراق هوا به عنوان اکسیدکننده مو•.استفاده قرار میگیرد

.در موارد خاص باید از اکسیژن خالص به عنوان اکسیدکننده استفاده نمود•

فرادرس

FaraDars.org



:ترکیبات هوا

آرگون و % 0.9نیتروژن، % 78.1اکسیژن، % 20.9هوای خشک از •یل مقادیر کمی دی اکسید کربن، هلیم، نئون و هیدروژن تشک

.شده است

درصد 79درصد مولی اکسیژن و 21در تحلیل هوای خشک، •.مولی نیتروژن در نظر گرفته میشود

3.76بنابراین همراه هر مول اکسیژن هوا در فرآیندهای احتراق، •.مول نیتروژن وجود خواهد داشت

فرادرس

FaraDars.org



:فرآیند احتراق

بعد در طی یک فرآیند احتراق، اجزایی که قبل از واکنش وجود دارند واکنش گرها واجزایی به•.از واکنش بوجود میایند محصوالت نامیده میشود

فرادرس

FaraDars.org



:نسبت هوا به سوخت

رم نسبت هوا به سوخت معموال بر اساس جرم بیان میشود و به صورت نسبت جرم هوا به ج•.سوخت در طی فرآیند احتراق تعریف میشود

عداد نسبت هوا به سوخت همچنین بر مبنای مولی به صورت نسبت تعداد مول های هوا به ت•.مول های سوخت تعریف میشود

A𝐹 =𝑚𝑎𝑖𝑟

𝑚𝑓𝑢𝑒𝑙

فرادرس

FaraDars.org



:احتراق نظری و واقعی

د هرگاه تمام اجزا قابل احتراق سوخت در یک فرآیند احتراق به طور کامل بسوزند، فرآین•.احتراق کامل است

متقابال هرگاه محصوالت احتراق شامل هر مقدار سوخت سوخته و با اجزایی مثل •𝐶,𝐻2,𝐶𝑂,𝑂𝐻باشند، فرآِند احتراق ناقص است.

ستگی از کافی نبودن اکسیژن، کافی نبودن عمل مخلوط شدن در محفظه احتراق و پدیده گس•.دالیل بروز احتراق ناقص میباشد

فرادرس

FaraDars.org




𝐶𝐻4 + 2 𝑂2 + 3.76𝑁2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2𝑂 + 7.52𝑁2

ریک کمترین میزان هوای مورد نیاز برای احتراق کامل یک سوخت، هوای نظری یا استوکیومت•.نامیده میشود

احتراق نظری یا . فرآیند احتراق که در آن سوخت به طور کامل با هوای نظری میسوزد•.استوکیومتریک آن سوخت نامیده میشود

احتراق استوکیومتریک متان•

فرادرس

FaraDars.org




از هوای نظری باشد، میزان هوای مازاد به صورت درصد در صورتی که هوای موجود پیش•.هوای اضافی یا در هوای نظری بیان میشود

وا مقدار هوای کمتر از هوای نظری، کمبود هوا نامیده میشود واغلب به صورت درصد کمبود ه•.بیان میشود

رکیبات در صورتی که فرآیند احتراق کامل فرض شود، با استفاده از اصل بقای جرم میتوان ت•.محصوالت را بدست آورد

فرادرس

FaraDars.org



:انرژی مولکول های ماده

:اشکال مختلف انرژی موجود در مولکول های یک سیستم عبارتند ازانرژی محسوسانرژی نهانانرژی شیمیاییانرژی هسته ای

فرادرس

FaraDars.org



:آنتالپی واکنش و آنتالپی احتراق

میشود و به میزان انتقال گرما در یک واکنش شیمیایی بدون انجام کار، آنتالپی واکنش نامیده•.صورت اختالف بین آنتالپی محصوالت و آنتالپی واکنشگرها میباشد

.برای فرآیندذهای احتراق معموال آنتالپی واکنش، آنتالپی احتراق نامیده میشود•

ℎ𝑅 = ℎ𝐶 = 𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑 −𝐻𝑟𝑒𝑎𝑐

فرادرس

FaraDars.org



:آنتالپی واکنش و آنتالپی احتراق

فرادرس

FaraDars.org



:آنتالپی تشکیل

آن ماده آنتالپی واکنش تشکیل یک ماده از عناصر تشکیل دهنده اش را آنتالپی تشکیل•.مینامند

فرادرس.برای تمام عناصر پایدار آنتالپی تشکیل صفر است•

FaraDars.org



:ارزش حرارتی

ℎ𝑐 = 𝐻𝑒𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑣𝑎𝑙𝑢𝑒

𝐻𝐻𝑉 = 𝐿𝐻𝑉 + (𝑚ℎ𝑓𝑔)

مقدار انرژی آزاد شده وقتی که یک سوخت به طور کامل در طی یک فرآیند جریان ثابت•.یشودمیسوزد و محصوالت به حالت مواد واکنشگر باز میگردند، ارزش حرارتی سوخت نامیده م

ه آب در صورتی که در محصوالت آب به صورت مایع باشد ارزش حرارتی باالتر و در صورتی ک•:به صورت بخار باشد ارزش حرارتی پایین تر نامیده میشود و داریم

فرادرس

FaraDars.org



:تحلیل قانون اول برای سیستم های واکنشی

𝐸𝑛𝑡ℎ𝑎𝑙𝑝𝑦 = ഥℎ°𝑓 + (തℎ − ഥℎ°)

ماده مرکب آنتالپی یک. برای نوشتن موازنه انرژی نیاز به دانستن آنتالپی اجزای ماده میباشد•:به صورت زیر نمایش داده میشود

آنتالپی محسوس نسبت به حالت استاندارد

فرادرس

FaraDars.org



:تحلیل قانون اول برای سیستم های واکنشی جریان پایدار

بقای انرژی برای یک سیستم واکنش شیمیایی جریان پایدار•

:برای واکنشی که آنتالپی احتراق در دسترس میباشد•

𝑄 −𝑊 =𝑁𝑃 ഥℎ°𝑓 + തℎ − ഥℎ°𝑃=𝑁𝑟 ഥℎ°𝑓 + തℎ − ഥℎ°

𝑟

𝑄 −𝑊 = ഥℎ°𝑐 +𝑁𝑃(തℎ − ഥℎ°) 𝑃 −𝑁𝑃(തℎ − ഥℎ°) 𝑟

فرادرس

FaraDars.org



سیستم بسته–تحلیل قانون اول برای سیستم های واکنشی

𝑄𝑖𝑛 − 𝑄𝑜𝑢𝑡 + 𝑊𝑖𝑛 −𝑊𝑜𝑢𝑡 = 𝑈𝑝𝑟𝑜𝑑 − 𝑈𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡

𝑈 = 𝐻 − 𝑃𝑉

𝑄 −𝑊 =𝑁𝑃 ഥℎ°𝑓 + തℎ − ഥℎ° − 𝑃 ത𝑉𝑃=𝑁𝑟 ഥℎ°𝑓 + തℎ − ഥℎ° − 𝑃ത𝑉

𝑟

:بقای انرژی برای سیستم بسته شیمیایی•

فرادرس

FaraDars.org



:دمای شعله آدیاباتیک

𝑄 = 0 𝑎𝑛𝑑 𝑊 = 0 𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑 = 𝐻𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡

𝑁𝑝 ഥℎ°𝑓 + തℎ − ഥℎ°𝑝=𝑁𝑟( ഥℎ°𝑓 + തℎ − ഥℎ°)𝑟

ه یک در حالتی که هیچ اتالف گرمایی به محیط اطراف وجود مداشته باشد، دمای محصوالت ب•نامیده مقدار ماکزیمم خواهد رسید که دمای شعله آدیاباتیک با دمای احتراق آدیاباتیک واکنش

فرادرس.میشود

FaraDars.org



فرادرس

FaraDars.org



:تغییر آنتروپی سیستم های واکنشی

𝑄𝐾𝑇𝐾

+ 𝑆𝑔𝑒𝑛 = 𝑆𝑝𝑟𝑜𝑑 − 𝑆𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡

𝑆𝑔𝑒𝑛,𝑎𝑑𝑖𝑎𝑏𝑎𝑡𝑖𝑐 = 𝑆𝑝𝑟𝑜𝑑 − 𝑆𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡

:تعادل آنتروپی برای یک سیستم واکنشی بسته یا جریان پایدار•

:اصل افزایش آنتروپی•

فرادرس

FaraDars.org



:سواالت کلیدی مهم

کدامیک از جواب های زیر تحول احتراق را کامل تر تعریف میکند؟.1

احتراق یک واکنش شیمیایی گرمازاست1.

منحصرا هر واکنشی را که در آن اکسیژن نقش اکسیدکنندگی داشته باشد، احتراق گویند2.

احتراق یک واکنش شیمیایی است که در آن هوا به عنوان اکسید کننده وجود دارد3.

𝐶𝑂2احتراق واکنشی است که اجزا حتمی 4. ,𝐻2𝑜محصوالت آن واکنش باشند

فرادرس

FaraDars.org



:1جواب سوال

.صحیح است( 1)گزینه

فرادرس

FaraDars.org



:۲سوال

نسبت سوخت. دارای ترکیب زیر بر مبنای خشک است𝐶𝑎𝐻𝑏مواد حاصل از سوخت هیدروکربن :به هوا برابر است با

𝐶𝑂2 = 8%

.141.7 ൗ𝑔𝑟

𝑘𝑔

.224.1 ൗ𝑔𝑟

𝑘𝑔

.314.9 ൗ𝑔𝑟

𝑘𝑔

.467.1 ൗ𝑔𝑟

𝑘𝑔

𝐶𝑂 = 0.9% 𝑂2 = 8.8% 𝑁2 = فرادرس82.3%

FaraDars.org



:۲جواب سوال

𝐶: 𝑎 = 8 + 0.9 = 8.9𝑁: 3.76𝑥 = 82.3

𝐶𝑎𝐻𝑏 + 𝑥 𝑂2 + 3.76𝑁2 → 8𝐶𝑂2 + 0.9𝐶𝑂 + 8.8𝑂2 + 82.3𝑁2 + 𝑦 𝐻2𝑂

𝑥 = 21.89𝑂: 2𝑥 = 2 × 8 + 0.9 + 2 × 8.8 + 𝑦 𝑦 = 9.276

𝐻: 𝑏 = 2𝑦 𝑏 = 18.55

𝐹

𝐴=𝑚𝑓𝑢𝑒𝑙

𝑚𝑎𝑖𝑟=

8.9 × 12 + 18.55 × 1

21.89(32 + 3.76 × 28)× 1000 = 41.7 ൗ

𝑔𝑘𝑔

فرادرس

FaraDars.org



:3سوال

و 𝐶𝑂2درصد مولی . اکسیژن خالص تئوری میسوزد% 80با 𝐶8𝐻18در یک فرآیند آزمایشگاهی، 𝐶𝑂در محصوالت احتراق به ترتیب از راست به چپ چقدر است؟

33.3و10.

37.2و266.6.

18.3و333.3.

29.4و417.6.

فرادرس

FaraDars.org



:3جواب سوال

راین هیدروژن بناب. از آنجا که اکسیژن به ترکیب با هیدروژن نسبت به کربن تمایل بیشتری دارد.درون سوخت به طور کامل میسوزد


𝐶8𝐻18 + 12.5𝑂2 → 8𝐶𝑂2 + 9𝐻2𝑂

𝑂2 = 12.5 × 0.8 = 10 𝐶8𝐻18 + 10𝑂2 → 𝑥𝐶𝑂2 + 𝑦𝐶𝑂 + 9𝐻2𝑂

𝑂: 2 × 10 = 2𝑥 + 𝑦 + 9

𝐶: 8 = 𝑥 + 𝑦

𝑥 = 3

𝑦 = 5

𝑦𝐶𝑂2 =3

3 + 5 + 9= 17.6 & 𝑦𝐶𝑂=

5

3 + 5 + 9= 29.4

فرادرس

FaraDars.org



:4سوال

به ترتیب، تغییرات ( 𝐶8𝐻18)با افزایش مقدار هوای اضافی در فرآیند احتراق سوخت ایزوکتان ایجاد شده در موارد زیر کدام است؟

در 𝐶𝑂2فشار جزئی . 3نقطه شبنم بخارآب در محصوالت احتراق . 2دمای آدیاباتیک شعله . 1محصوالت احتراق

کم میشود-کم میشود-کم میشود1.

کم میشود-زیاد میشود-کم میشود2.

زیاد میشود-زیاد میشود-زیاد میشود3.

زیاد میشود-کم میشود-زیاد میشود4.

فرادرس

FaraDars.org



:4جواب سوال

شار جزئی با افزایش مقدار هوای اضافی دمای آدیاباتیک شعله کاهش یافته و با توجه به اینکه ف.ابدبخار آب در محصوالت کاهش میابد، دمای نقطه شبنم بخار آب در محصوالت نیز کاهش می

.صحیح است( 1)گزینه فرادرس

FaraDars.org



:5سوال

درصد aاگر . کیلوپاسکال احتراق کامل انجام میدهد100گاز متان با اکسیژن خالص در فشار های هوای نظری باشد، فشار جزئی بخارآب حاصل از احتراق کدام است؟ و دمای نقطه شبنم گاز

چگونه تغییر میکند؟( استوکیومتری ) حاصل از احتراق نسبت به احتراق نظری

.1𝑃𝐻2𝑂 =200

1+𝑎دمای نقطه شبنم کمتر میشود,

.2𝑃𝐻2𝑂 =200

1+2𝑎دمای نقطه شبنم زیاد میشود,

.3𝑃𝐻2𝑂 =200

2+𝑎دمای نقطه شبنم زیاد میشود,

.4𝑃𝐻2𝑂 =200

1+2𝑎دمای نقطه شبنم کمتر میشود,

فرادرس

FaraDars.org



: 5جواب سوال

.با افزایش هوای نظری دمای نقطه شبنم محصوالت کاهش میابد


𝐶𝐻4 + 𝑎𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2𝑂 + (𝑎 − 2)𝑂2

𝑃𝐻2𝑂 =𝑛𝐻2𝑂

𝑛𝑃 =

2

1 + 2 + 𝑎 − 2× 100 =

200

𝑎 + 1

فرادرس

FaraDars.org



:6سوال

ارزش حرارتی . است4500RPMکیلووات در دور 200یک موتور احتراقی دارای قدرت محوری 40000سوخت ൗ𝐾𝑗

𝐾𝑔 مصرف سوخت . است% 27است، بازده حرارتی موتور در این شرایطΤ𝐾𝑔برحسب

𝑠𝑒𝑐چقدر است؟

.11

27

.21

54

.31

100

.41

200

فرادرس

FaraDars.org



:6جواب سوال


𝐻𝑉 =ሶ𝑄

ሶ𝑚 ሶ𝑚 =

ሶ𝑊η

𝐻𝑉=

2000.2740000

=1

فرادرس54

FaraDars.org



:7سوال

چقدر ℃260مگاپاسکال و درجه حرارت 0.1نقطه شبنم محصوالت واکنش شیمیایی زیر در فشار .(جدول دما و فشار اشباع در زیر داده شده است)؟ (بر حسب درجه سانتی گراد)است

.158.8

.263.1

.3260

.468.3

P(kpa) 10 15 20 25 30

T(℃) 45.8 53.97 60.06 64.97 69.1

𝐻2 + 𝑂2 + 3.76𝑁2 → 𝐻2𝑂 +1

2𝑂2 + 3.76𝑁2

فرادرس

FaraDars.org



:7جواب سوال

رت با محاسبه فشار جزئی بخارآب در محصوالت احتراق، دمای نقطه شبنم از جدول ارائه شده در صو.مسئله قابل محاسبه است

𝑃𝐻2𝑂 =𝑛𝐻2𝑂

𝑛𝑃 =

1

1 + 0.5 + 3.76× 100 𝑘𝑝𝑎 = 19.01 𝑘𝑝𝑎


𝐻2 + 𝑂2 + 3.76𝑁2 → 𝐻2𝑂 +1

2𝑂2 + 3.76𝑁2

𝑇𝑤𝑏 = 58.8℃

فرادرس

FaraDars.org



:8سوال

نش واک. احتراق متان در فشار اتمسفر را باراول با اکسیژن خالص و بار دوم با هوا در بگیرید:نقطه شبنم محصوالت احتراق. احتراق کامل و مخلوط استوکیومتریک است

در واکنش اول بیشتر است1.

در واکنش دوم بیشتر است2.

در واکنش های اول و دوم یکسان است3.

بستگی به دمای محصوالت احتراق دارد4.

فرادرس

FaraDars.org



:8جواب سوال

الطبع در واکنش دوم تعداد محصوالت واکنش افزایش یافته، بنابراین فشار جزئی آب کاهش و ب.شتر استلذا دمای نقطه شبنم محصوالت در اولین احتراق بی. دمای نقطه شبنم نیز کاهش میابد


فرادرس

FaraDars.org



:9سوال

اگر فشار کل گازهای حاصل . هوای اضافی مدنظر است% 20با 𝐶𝐻4واکنش احتراق کامل گازبه کدام Kpaباشد، فشار جزیی بخار آب در گازهای حاصل احتراق بر حسب 100Kpaاحتراق

مقدار نزدیکتر است؟

.110

.216

.320

.425

فرادرس

FaraDars.org



:9جواب سوال

2 × 1.2 = 2.4

𝑃𝐻2𝑂 =2

1 + 2 + 0.4 + 9.024× 100 = 16.097 𝐾𝑝𝑎


𝐶𝐻4 + 2 𝑂2 + 3.76𝑁2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2𝑂+𝑁2

𝐶𝐻4 + 2.4 𝑂2 + 3.76𝑁2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2𝑂+9.024𝑁2 + 0.4𝑂2

فرادرس

FaraDars.org



:10سوال

( یمول)، نسبت هوا به سوخت (هوای تئوری)هوای استوکیوتومتریک % 80با 𝐶𝐻4در احتراق متان:برابر است با

.17.6

.21.6

.315.3

.422.2

فرادرس

FaraDars.org



:10سوال

بنابراین جهت احتراق کامل یک . مول هوا الزم است4.76جهت تامین هر یک مول اکسیژن، 2مول متان، × هوای استوکیومتریک، مقدار هوا الزم عبارت % 80لذا . مول هوا الزم است4.76

:است از4.76 × 2 × 0.8 = 7.6

:بنابراین نسبت هوا به سوخت مولی عبارت است از𝑛𝑎𝑖𝑟𝑛𝑓𝑢𝑒𝑙

=7.6

1= 7.6


𝐶𝐻4 + 2 𝑂2 + 3.76𝑁2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2𝑂+7.02𝑁2

فرادرس

FaraDars.org



فرادرسبیان نکات و خالصه فصل

FaraDars.org



این اسالید ها بر مبنای نکات مطرح شده در فرادرس« ۲آموزش ترمودینامیک »

.تهیه شده است

برای کسب اطالعات بیشتر در مورد این آموزش به لینک زیر مراجعه نمایید




فرادرس

FaraDars.org

Education

آموزش ترمودینامیک ۲ بخش هفتم