[科普中国]-热自燃

简介

热自燃有时也称为热爆炸，它是关于放热化学反应和放热系统的热“自动”点火理论。19世纪末和20世纪初，人们逐步认识到气体（或其他物质）的燃烧和火焰的成因是由于热的不平衡而产生的，比较引人注目的观点是Van’tHoff在1884年发表的观点，即热自燃只有在反应放出的热和向周围散发的热不能维持平衡时才能发生。但遗憾的是他只认识到热平衡的破坏，并没有进一步地提到临界条件，即从热平衡到热不平衡的界限问题。后来C.Taffand、J.Lefloch和F.Clilgenroth在文献中提出了“热图”，热图把热生成速度及热损失速度的关系通过这两者随温度变化的曲线来表示，他们用曲线的相切点表示热自燃的临界点。

对热自燃理论有着重要贡献的是前苏联著名科学家Semenov。他通过对热图的分析，联系切点的数学表达式，推导了热爆炸界限的定量判据，首次从理论上提出了定量的热自燃判别准则，这就使得热自燃理论一开始就被应用于许多反应系统的研究中，虽然Semenov热自燃理论初始是用来说明容器中气体燃料与空气组成的可燃混合气体的热着火过程的，但Semenov的热自燃理论不仅适用于可燃性气体，而且也适用于某些凝聚相物质。这些凝聚相物质包括爆炸性的（炸药、火药）和非爆炸性的液体和固体系统。

Semenov系统Semenov所建立的系统是热自燃理论所研究的最简单的系统。Semenov系统认为，反应物系统是个温度均匀分布的放热系统，简称均温系统。所谓均温系统，就是系统中的温度不随空问位置的变化而变化。其模型中表示反应物内部没有温度梯度，各处温度均为T，且系统温度T大于环境温度。系统温度和环境温度在边界处有个温度突跃，被称为Semenov系统的边界条件。

但必须指出的是所建立的Semenov系统是个理想化的系统，系统中所指的温度，仅仅是一个平均意义上的概念。在实际反应过程中，要达到Semenov系统所提出的各点温度均匀是很难实现的，要接近Semenov的假设，则必须要有尽可能小的直径，强烈的对流，很高的导热系数，且系统与环境的传热系数必须低。但是由于Semenov处理的问题比较简单，较易被接受，众多科学家都对Semenov提出的模型进行了研究，并且证实不少实际系统可用这种均温系统近似地代替。如充分搅拌的液态反应，被气体环境包围的固体炸药颗粒等。2

物理模型操作方法设有一个容器，体积为V，表面积为F，内部充满可燃预混气体。为分析方便，作如下简化假设：

（1） 环境温度为T0，反应过程中混气的瞬间温度为T，开始时混气温度与环境温度相同；

（2） 容器的壁温在开始时与环境温度T0相同，反应过程中，壁温升高，与混气温度相同；

（3） 反应过程中，容器内既无自然对流，也无强迫对流，容器内各点的温度、浓度相同；

（4） 着火前反应物浓度变化很小，近似认为不变；

（5） 环境与容器之间有对流换热，对流换热系数，它不随温度变化。3