燃燒理論之燃燒與熱化學(xué)

1、1,問題1,如果你將1kg的甲烷與20kg的空氣混合燃燒，最終的產(chǎn)物是怎樣的？如果將空氣量減少到10kg,產(chǎn)物將如何？,2,問題2,如果你將1kg的甲烷與20kg的空氣混合燃燒，最終的溫度如何？如果將空氣量減少到10kg,最終的溫度如何？,3,2 燃燒與熱化學(xué),,4,主要內(nèi)容,總介狀態(tài)參數(shù)復(fù)習(xí)熱力學(xué)第一定律反應(yīng)物與產(chǎn)物的組成絕對（標(biāo)準(zhǔn)）焓與形成焓燃燒焓與熱值絕熱燃燒溫度化學(xué)平衡燃燒的平衡產(chǎn)物一些應(yīng)用的例

2、子煤燃燒的例子,5,,熱化學(xué)的重要性,(MIT Chemical Eng) Professor Jack B. Howard,Reaction mechanism in Chemkin format Thermodynamic properties in Chemkin format Transport data in Chemkin format,Kinetic Modeling of Premixed Flames,Deta

3、iled Modeling of Soot Formation,ME：Thermo-fluid partChE: Transport Phenomena,Atmospheric pressure soot model    Low pressure soot model    Thermodynamic data    Transport data,清華：徐旭常院士浙

4、大：岑可法院士哈工：秦裕昆院士清華：范維澄院士,煤粉低污染穩(wěn)燃技術(shù)循環(huán)流化床燃燒技術(shù)水煤漿燃燒技術(shù) 煙氣脫硫技術(shù),6,總介,燃燒后的混合物與燃燒前的混合物的關(guān)系 燃燒前后的能量方式發(fā)生的什么樣的變化，最終的狀態(tài)如何？燃燒是一種化學(xué)變化，它能進(jìn)行到什么樣的程度？,7,總介(二),熱力學(xué)概念Thermodynamic concepts:狀態(tài)關(guān)系Property relations第一定律First law元素守恒Elem

5、ent conservation焓-化學(xué)健Enthalpy—chemical bonds反應(yīng)熱，熱值與絕熱燃燒溫度Heat of reaction, heating value and adiabatic flame temperature化學(xué)平衡-第二定律Chemical equilibrium—second law例Examples,,8,狀態(tài)關(guān)系式復(fù)習(xí)Review of Property Relations,廣延量Exte

6、nsive PropertiesV(m3), U(J), H(J)(=U+PV)強(qiáng)度量Intensive Propertiesv(m3/kg), u(J/kg),h=(J/kg)(=u+Pv)P,TV=mv;U=mu;H=mh,9,狀態(tài)函數(shù),只與系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)有關(guān)，與如何達(dá)到這個(gè)狀態(tài)無關(guān)Depends only on the present state of the system - not how it arri

7、ved there.與路徑無關(guān)It is independent of pathway.,10,狀態(tài)方程,理想氣體狀態(tài)方程 : PV=NRuT PV=mRT Pv=RT P=?RT其中, R=Ru/MWRu=8315J/kmol-K; MW is 氣體分子量,11,狀態(tài)的熱量方程Calorific Equations of State,u=u(T,v)h=h(T,P)

8、 du= dh=,12,定容比熱Constant-volume specific heats定壓比熱Constant-pressure specific heats,13,理想氣體,14,溫度與熱,溫度 表示顆粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，與系統(tǒng)的動(dòng)能有關(guān)熱 包括兩個(gè)有溫度差的物體之間的能量傳遞,15,,,,Translation,(a)Monatomic species,,,,,,,,,,,,Trans

9、lation,Rotation,Vibration,(b)Diatomic Species,16,,17,理想氣體混合物,構(gòu)成摩爾分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù) 組分 i的摩爾分?jǐn)?shù),xi,18,,組分 i的質(zhì)量分?jǐn)?shù), Yi,19,根據(jù)定義有,20,xi 和 Yi的關(guān)系,21,混合物分子量 MWmix,22,第 i組分的分壓Pi,對于理想氣體:,23,質(zhì)量-(或摩爾) 比混合物特性,混合物熵的計(jì)算:,24,組分的熵,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(Pref ?P0=1 at

10、m):,25,汽化潛熱,汽化潛熱Clausius-Clapeyron 方程,26,系統(tǒng): That on which we focus attention環(huán)境: Everything else in the universe宇宙 Universe = 系統(tǒng) +環(huán)境,熱力學(xué)第一定律,27,伴有化學(xué)反應(yīng)的熱交換。放熱反應(yīng)Exothermic: Heat flows out of the system (to the s

11、urroundings).吸熱反應(yīng)Endothermic: Heat flows into the system (from the surroundings).,熱力學(xué)第一定律,28,宇宙的能量是守恒的,熱力學(xué)第一定律,29,?E = Q + W?E = 系統(tǒng)內(nèi)能的變化Q = 熱W = 功,熱力學(xué)第一定律,30,31,熱力學(xué)第一定律,First Law-Fixed Mass,Heat added to system i

12、n going from state1 to state 2,Work done by system on surroundings in going from state 1 to state 2,Change in total system energy in going from state 1 to state 2,32,,?E1-2(?E2-E1),Mass-specific system internal energy,Ma

13、ss-specific kinetic energy,Mass-specific system potential energy,33,Instantaneous rate of heat transferred into system,Instantaneous rate of work done by system, or power,Instantaneous time rate of change of system energ

14、y,e ? E/m,34,第一定律；控制體-SSSF,Rate of heat transferred across the control surface from the surroundings, to the control volume,Rate of all work done by the control volume,including shaft work, but excluding flow work,Rate o

15、f energy flowing out of the control volume,Rate of energy flowing into the control volume,Net rate of work associated with pressure forces where fluid crosses the control surface, flow work,35,主要假設(shè),控制體是固定的流體在任何一點(diǎn)的特性都不隨時(shí)

16、間變化。在流動(dòng)面上流體的特性是均勻的。只有一個(gè)入口和一個(gè)出口,36,單位質(zhì)量的總能量,單位質(zhì)量的內(nèi)能,單位質(zhì)量的動(dòng)能,單位質(zhì)量的勢能,37,控制體能量守恒方程的最終形式,,38,反應(yīng)物和產(chǎn)物混合物,化學(xué)當(dāng)量時(shí)3.76=79/21( 體積)化學(xué)當(dāng)量空燃比,39,甲烷，氫和固體碳在298K下反應(yīng)的部分燃燒特性,,½*32/2=8,40,當(dāng)量比 ?,?>1, 富燃料混合物燃燒?<1, 貧燃料混合物燃燒?

17、=1, stoichiometric mixture,41,,過量空氣量,42,例 2.1,一個(gè)小型的低污染排放的固定燃?xì)廨啓C(jī)，在滿負(fù)荷下運(yùn)行(3950kW)，此時(shí)的當(dāng)量比為0.286（貧燃），空氣流量為 15.9kg/s。 當(dāng)量的燃料（天然氣）成分是C1.16H4.32. 請求出燃料的流率及這臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行空燃比。,43,44,45,46,解,已知: ?=0.286, MWair=28.85, ma

18、ir=15.9 kg/s, MWfuel=1.16(12.01)+4.32(1.008)=18.286求: mfuel and (A/F)先求 (A/F) 然后求 mfuel .按定義：,47,其中 a=x+y/4=1.16+4.32/4=2.24. 有,則從上述方程有,48,,由于 (A/F) 是空氣流率與燃料流率之比，Comment請注意在全功率的情況下，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中供給了很過量的空氣,49,例2.2,

19、一臺(tái)燃天然氣的工業(yè)鍋爐，運(yùn)行時(shí)煙氣中的氧的摩爾分?jǐn)?shù)為3％。求解運(yùn)行時(shí)的空燃比和當(dāng)量比。天然氣按甲烷來處理,50,51,解,已知: xO2=0.03, MWfuel=16.04 MWair=28.85.求 : (A/F)和 ?.先假定完全燃燒條件下，建立完全燃燒方程來獲得空燃比，所謂的完全燃燒是指所有的碳全部形成二氧化碳，氫形成水：,52,CH4+a(O2+3.76N2)?CO2

20、+2H2O+bO2+3.76aN2 其中 a 和 b 可用氧原了的守恒來建立方程. 2a=2+2+2b 從摩爾分?jǐn)?shù)的定義有：,53,,將已知值 xO2(=0.03) 代入并求解有：或 a=2.368質(zhì)量表示的通用空燃比為：,54,55,欲求 ?, 先要求得(A/F)stoic. 即 a=2,有,按 ?的定義,,過量空氣系數(shù)：α=1/Φ=1/0.84=1.1905,α

21、=21/(21-O2)=1.167,,56,,,理論空氣量與過?？諝庀禂?shù)?按化學(xué)反應(yīng)的需氧量而供給的空氣量。?液體燃料完全燃燒時(shí)所需的理論空氣量 C+O2─→CO 燃燒1kg碳需用氧=2.67 kg H2+O2─→H2O 燃燒1kg氫需用氧=8 kg S+O2─→SO2 燃燒1kg硫需用氧=1 kg燃燒1kg燃料由空氣供給的理論用氧量為：燃燒1kg液體燃料需要

22、的理論空氣量為：?氣體燃料所需的理論空氣用量：,理 論 空 氣 量,57,3.6~6.0 褐煤一般煤的理論空氣量 7.5~8.5 無煙煤  9~10 煙煤液體燃料（燃料油）的 煤爐：4.5~5.5 煤氣

23、 液化氣：2.97 高爐： ~0.7 干: 8.84~9.01 天然氣 濕：11.4~12.1,,,,,,58,燃料燃燒的理論空氣量,例題：,,59,燃料燃燒的理論空氣量,空氣過剩系數(shù)實(shí)際空氣量與理論空氣量之比。以?表示，?通常>1部分爐型的

24、空氣過剩系數(shù),,60,燃料燃燒的理論空氣量,空燃比單位質(zhì)量燃料燃燒所需要的空氣質(zhì)量 例如：汽油（～C8H18）的完全燃燒：汽油的質(zhì)量：12?8+1.008?18 = 114.14 空氣的質(zhì)量：32?12.5+28?3.78?12.5 = 1723空燃比 AF=15.11,61,,過?？諝庀禂?shù)實(shí)際入爐空氣量與理論空氣量之比表達(dá)式 過?？諝庀禂?shù)太大，入爐空氣量多，相對降

25、低了爐膛溫度和煙氣的黑度，影響傳熱效果。在加熱爐的排煙溫度一定時(shí)，過?？諝庀禂?shù)大則排煙量大，使煙氣從煙囪帶走的熱量多，增加了熱損失，全爐熱效率降低。過多的空氣還會(huì)使煙氣中含氧量高，加劇爐管表面的氧化腐蝕，縮短管子的壽命。 減小過?？諝庀禂?shù)雖然有許多好處，但一個(gè)重要的前提是：必須保證燃料完全燃燒。,大小的影響過?？諝庀禂?shù),,62,,,,影響過?？諝庀禂?shù)的因素燃料性質(zhì) 燃燒器的性能 爐體密封性能加熱爐的測控

26、水平 煙囪擋板 過?？諝庀禂?shù)的確定自然通風(fēng)式燃燒器 燒油 =1.30 燒氣 =1.25預(yù)混式氣體燃燒器 =1.20強(qiáng)制通風(fēng)式燃燒器 燒油 =1.15～1.20 燒氣 =1.10～1.15由煙道氣組成分析結(jié)果計(jì)算燃料完全燃燒時(shí)： 燃

27、料不完全燃燒時(shí):,63,什么是能量?,64,65,能量的歷史,18th 和 19th 世紀(jì)的化學(xué)與物理學(xué)家對能量的概念非常困惑,Georg Ernst Stahl (1659-1734) 發(fā)展了燃素學(xué)說，現(xiàn)在證明是錯(cuò)誤的,Louis Bernard Guyton de Morveau (1737-1816) 認(rèn)為加熱的金屬重量的增加是由于燃素被更重的空氣所替代的結(jié)果,66,燃素,可燃物質(zhì)由二部分組成：燃素與灰當(dāng)燃燒時(shí)，燃素釋放到大氣中

28、，灰留下來‘燃素化的’ 空氣不能再支持燃燒,,67,其他現(xiàn)象的‘解釋’,電是兩種稱為“玻璃體” （vitreous）和“樹脂體” （resinous）的流動(dòng)磁是兩種稱為“ 南的”（austral）和 “北的”（boreal）的流動(dòng)熱是一種稱為“熱量”（caloric）的流動(dòng),68,熱量,熱的物體含有比冷物體更多的熱量加熱一個(gè)物體涉及從外界向這個(gè)物體的熱量的流動(dòng),69,焦耳的實(shí)驗(yàn),James Prescott Joule (

29、1818-1889),表明熱與機(jī)械能的相等,下落的重物使短漿旋轉(zhuǎn), 引起水的溫度的升高,70,能量守恒原理,能量的不同形式： - 化學(xué), - 電, - 磁, - 機(jī)械, - 熱, 等, 可以互相進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但其能量的總量不變,Julius Robert von Mayer (1814-1878) was the first to realise a rela

30、tion between mechanical work and heat energy,71,質(zhì)量守恒 (物質(zhì)),原子不能產(chǎn)生與不能被消滅,John Dalton (1766-1844) 完成了檢驗(yàn)質(zhì)量守恒假說的試驗(yàn),72,愛因斯坦方程 E = mc2將能量與質(zhì)量守恒原理結(jié)合在一起,73,能量的微觀形式,一個(gè)物質(zhì)的能量的微觀形式包括顯能、潛能，化學(xué)能和核能,74,燃燒反應(yīng),燃燒過程中，一些化學(xué)鍵斷開，形成了新的鍵。

31、由于組分變化，對所有的物質(zhì)要定義一下標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)（standard reference state）,75,甲烷燃燒為例,Exothermic,76,氮與氧反應(yīng)形成一氧化氮的能量圖,Endothermic,,77,一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的定義,溫度 Tref=25?C(298.15K)壓力 Pref=P0=1 atm(101,325Pa),Chemkin& NASA一致,78,能量平衡,生成

32、焓反應(yīng)物生成焓產(chǎn)物潛能hfg顯能 U & Pv,,,,,79,絕對(或標(biāo)準(zhǔn)) 焓和生成焓,溫度T下的絕對焓,標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)(Tref,P0)下的生成焓,從Tref 到 T顯焓的變化,式中,,80,生成焓,某一物質(zhì)由于其化學(xué)組成在一個(gè)特定狀態(tài)下的焓稱為生成焓 hf. 在標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)下所有穩(wěn)定的元素的生成焓設(shè)定為零.,,81,在標(biāo)準(zhǔn)參考壓力和溫度下,自然狀態(tài)下的元素條件下的生成焓為零.例, 在 2

33、5ºC 和 1 atm下氧元素的以一個(gè)雙原子的狀態(tài)存在; 即,,82,如果要形成一個(gè)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氧原子則要斷開一個(gè)相當(dāng)強(qiáng)的化學(xué)鍵。 對 O2 在 298K下的化學(xué)鍵能的能量為 498,390 kJ/kmol O2,83,84,生成焓,,,,,1 kmol C25°C, 1 atm,1 kmol O225°C, 1 atm,1 kmol CO225°C, 1 atm,,Combustion

34、Chamber,生成焓是指組分相對一個(gè)參考狀態(tài)的化學(xué)能的一個(gè)基本參數(shù),85,生成焓 = 斷開標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下元素的化學(xué)鍵及生成所述的化合物中新的化學(xué)鍵的焓的凈變化。,86,,反應(yīng)物 ? 產(chǎn)物不管反應(yīng)是一步進(jìn)行的或是多步進(jìn)行的，其焓的變化是一樣的。,赫斯（蓋斯）定律,對于反應(yīng)前后產(chǎn)物給定時(shí)，燃燒焓只取決于反應(yīng)前后的狀態(tài)，而與中間過程無關(guān)！,87,赫斯（蓋斯）定律,,,,,?H1,?H1 = ?H2 + ?H3 + ?H4

35、 狀態(tài)含數(shù),,Hess’s law 是熱力學(xué)第一定律的簡單應(yīng)用,88,Hess’s Law的原理,89,1. 如果反應(yīng)可逆, ?H 也可逆.N2(g) + O2(g) ? 2NO(g) ?H = 180 kJ 2NO(g) ? N2(g) + O2(g) ?H = ?180 kJ如果反應(yīng)的系數(shù)以整數(shù)倍放大， ?H 以同樣的整數(shù)倍放大。 6NO(g) ? 3N2(g) + 3O2(g

36、) ?H = ?540 kJ,從 Hess’s law進(jìn)行計(jì)算,90,如甲烷燃燒的途徑,91,上述反應(yīng)的能量圖 CH4(g) + 2O2(g) ® CO2(g) + 2H2O(l),92,氨燃燒的一個(gè)途徑,93,例 2.3,一股氣流，壓力為 1 atm，是 CO, CO2, 和 N2 的混合物，其中CO 的摩爾分?jǐn)?shù)為 0.10 及CO2 的摩爾分?jǐn)?shù)為 0.20. 氣流溫度為1200K. 試求混合物的絕對焓，分別以摩爾(k

37、J/kmol)和質(zhì)量比(kJ/kg)表示，并求三種組份各自的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。,94,解,已知 Xco=0.10, T=1200K, Xco2=0.20,P=1atm求:hmix, hmix , Yco, Yco2 , 和 YN2直接用理想氣體混合物的定律，來求解 hmix 及,,,95,Substitute values from Appendix Ahmix=0.1[-110,540+28,440] +0.2[-3

38、93,546+44,488] +0.7[0+28,118] =-58,339.1kJ/kmolmixTo find hmix, we need to determine the molecular weight of the mixture:,,96,MWmix=?xiMWi=0.1(28.01)+0.20(44.01)+0.7(28.013)=31.212Then,,,,97,燃燒焓與熱值,對一個(gè)穩(wěn)態(tài)

39、的反應(yīng)器，完全燃燒表示：All C CO2All H H2O,,,98,燃燒反應(yīng),完全反應(yīng)條件下，在某一特定狀態(tài)下產(chǎn)物的焓與反應(yīng)物的焓的差叫作反應(yīng)焓（ enthalpy of reaction） hR. 對燃燒過程，我們就稱為燃燒焓（enthalpy of combustion） hc, /1 kmol (or 1 kg) ，以在一定溫度與壓力下完全燃燒下單位物質(zhì)的量或質(zhì)量

40、下的燃燒焓,99,100,從圖中,反應(yīng)焓或燃燒焓的定義為: ?hR(對于單位質(zhì)量的混合物)以外延量表示為,,101,反應(yīng)焓（燃燒）,The enthalpy of reaction is negative because the enthalpy of the products is less than the enthalpy of the reactants.,102,燃燒過程中的化學(xué)鍵,當(dāng)破壞已有的化學(xué)鍵形成新的化學(xué)鍵的燃燒

41、過程中，通常有大量的顯能被釋放出來,,103,燃燒焓的定義： 圖示：fig2.8與傳熱是否的相一致，產(chǎn)物的絕對焓小于反應(yīng)物的絕對焓。例: CH4 和空氣化學(xué)當(dāng)量混合物, Hreac=-74,831kJ. 同樣條件下 Hprod=-877,236kJ就有 ?HR=-877,236-(-74,831)=-802,405kJ,104,105,以單位質(zhì)量的燃料表示,以上面的例子為例:,106,以單位質(zhì)量的混合物表示,式中

42、,,107,,CH4 的化學(xué)當(dāng)量下的空燃比是 17.11; 有,注意到：燃燒焓的值與計(jì)算時(shí)的溫度相關(guān)。,108,燃燒熱 → 熱值 ?hc,109,熱值,燃料的熱值（heating value） 定義為燃料在穩(wěn)態(tài)的條件下完全燃燒時(shí)產(chǎn)物的狀態(tài)返回到反應(yīng)物的狀態(tài)所放出的熱量. 燃料的熱值等于燃料燃燒焓的絕對值 Heating value = hc (kJ/kg 燃料),,,110,高位與低位熱值,HHV

43、 = LHV + Latent Heat of Vaporization,111,高位熱值,當(dāng)產(chǎn)物中的水是液相時(shí)的熱值為高位熱值，當(dāng)產(chǎn)物中的水是氣相時(shí)的熱值為低位熱值。它們的關(guān)系為 HHV = LHV + (Nhfg) (kJ / kmol fuel)式中， N 是產(chǎn)物中H2O的摩爾數(shù)是在 25oC下水的蒸發(fā)焓.,H2O,,112,例 2.4,A. 計(jì)算 298 K下氣態(tài)的 n-decane, C10H2

44、2, 的高位與低位熱值，以每千摩爾和每千克燃料計(jì). n-decane的分子量 is 142.284.B. 如果n-decane在298K下的蒸發(fā)潛熱是359 kJ/kgfuel 液態(tài) n-decane的高位熱值與低位熱值是多少?,113,解,A. 對 1 mole 的C10H22, 其燃燒方程可寫為高位或低位熱值有,,114,298K，所有的顯焓為零298K， O2 and N2 的形成焓為零并有,115,有液態(tài)水

45、的形成焓可以計(jì)算出:,116,用上面的值，加上從表中（附表A和B）伯形成焓，我們可以獲得高高位熱值:,117,,有 及,118,,對低位熱值用來代替,119,,有,或,120,B. 對 C10H22,在液態(tài)時(shí),或,121,,有,122,123,A Coffee-Cup Calorimeter Made of Two Styrofoam Cups,124,A Bomb Calorimeter：各位要做試驗(yàn),,125,絕熱

46、火焰溫度（絕熱燃燒溫度）,有兩種定義.一是定壓燃燒下的一是定容燃燒下的以單位質(zhì)量表示,126,燃燒室的最高溫度,(Fig. 14-25),127,絕熱火焰溫度,無散熱 (Q = 0), 產(chǎn)物的溫度達(dá)到最高，叫作絕熱火焰溫度。一個(gè)穩(wěn)態(tài)的燃燒過程的絕熱燃燒溫度可以用 Hprod = Hreact 來進(jìn)行計(jì)算,128,理論絕熱火焰溫度,一般地，燃燒室的溫度要低于理論絕熱火焰溫度,129,,Tad 可以從熱力學(xué)第一定律來計(jì)算。T

47、ad 定義明確，簡單，計(jì)算要求知道燃燒產(chǎn)物的組成。,130,131,132,Tips:火焰的溫度典型的可以達(dá)到幾千開爾文,133,例 2.5,計(jì)算CH4-空氣混合物在化學(xué)當(dāng)量下的定壓絕熱燃燒溫度. 壓力為 1 atm ，初始溫度為298 K.假設(shè):1.“完全燃燒”(無解離) i.e., 燃燒產(chǎn)物僅為 CO2,H2O,and N2.2.假設(shè)產(chǎn)物的比熱為常數(shù)，用在 1200K(~0.5(Ti+Tad) 下的值來計(jì)算,其中 Tad 先估

48、計(jì)為 2100K),134,解,混合物組成:物性(附錄 A and B),135,根據(jù)第一定律,136,使 Hreact 與Hprod 相等解出Tad 有Tad=2318K,137,定容絕熱火焰溫度,理想的 Otto循環(huán)分析:式中，U 是混合物的絕對內(nèi)能(或標(biāo)準(zhǔn)).,138,對于理想氣體,139,以每千克質(zhì)量表示,140,例 2.6,計(jì)算化學(xué)當(dāng)量下CH4-air 混合物的定容絕熱火焰溫度，條件與例2.5相同。 初

49、始條件為 Ti=298K, P=1 atm(101,325Pa).,141,解,cp,i 值估計(jì)的溫度可能比例2.5的高。但還是用這些值.第一定律：,142,代入數(shù)值有,143,和式中Nreac =Nprod=10.52kmol.重組并求解有 Tad Tad=2889K,,144,,Combustion science for 9/11,767 aircraft can carry up to ≈ 160,000 lb

50、= 72,600 kg of fuelHydrocarbon fuels QR ≈ 4.5x107 J/kg (by comparison, nitrogylcerin QR ≈ 6.2 x106 J/kg)If a 767 enters a building half-full of fuel, and half the fuel burns inside the building, energy release ≈ 1.6x10

51、12 JSteel has Cp ≈ 450 J/kgK and melts at 1809K, thus 1.6x1012 J would melt 2.4x106 kg = 2650 tons of steel (or maybe weaken twice this much steel)Weight of towers ≈ 500,000 tons each 2650 tons ≈ 0.58 floors melted or

52、 ≈ 1 floor severely weakened,145,If all energy were concentrated at 1 floor, damage would be sufficient to destroy 1 floor and start a collapse…but since most of fire was spread over 10 - 20 floors, it seems unlikely th

53、at the energy of the burning fuel itself would have been sufficient to weaken the towers enough to cause the collapse ? Burning of material (paper, wood, plastics,…) inside the towers (which is >>> 40 tons) mus

54、t have been responsible for the collapse ? The towers probably would have stood if the fire extinguishers had not failed due to massive damage from the aircraft impacts,146,,熱力學(xué)第二定律，究竟想說明什么？？,147,有些事件不需要我們作任何努力就會(huì)“自然”發(fā)生的

55、有些事情只有當(dāng)我們進(jìn)行努力才會(huì)發(fā)生的(其結(jié)果取決于我們努力的程度和我們?nèi)绾蝸碛?jì)劃我們的努力的)有些事是決不會(huì)發(fā)生的,一個(gè)觀察 (生活中普遍存在的),148,生命中：變老 (人類與宇宙)熱力學(xué)相關(guān)的（能量）水從瀑布流下氣體從高壓膨脹到低壓 熱從高溫向低溫流動(dòng),不用作出任何努力而自然發(fā)生的事,149,在生命中延緩衰老過程 (對于人類而言，而不是對于宇宙)熱力學(xué)的過程 (能量) 相關(guān)用機(jī)械裝置將水從低處向高處運(yùn)送從低

56、壓向高壓通過泵來送氣體 從低溫向高溫“泵” 熱,我們努力可以改變的,150,生命：不可能改變衰老過程的方向(人類與宇宙均是)熱力學(xué)相關(guān)的使宇宙的熵凈減少是不可能的(假設(shè)我們生活的宇宙是一個(gè)封閉系統(tǒng)),有些事件決無發(fā)生可能,151,熱力學(xué),152,熱力學(xué),153,,功可以直接并完全成轉(zhuǎn)化為熱，但反過來無法實(shí)現(xiàn),154,人類的創(chuàng)新是否受到自然的限制 (受上帝的限制 ?)在科學(xué)史上還沒有與熱力學(xué)第二定律相背的事件發(fā)生,第二定律的哲學(xué)

57、思考,155,不是每個(gè)人都喜歡熵:A Spoof from “The Onion”,156,熵自發(fā)過程和時(shí)間之箭,,Up until now, we have learned that energy is conserved in the universe, expressed as either work or heat. But so what?we don’t know HOW energy moves around f

58、rom place to placewe don’t know WHY some processes happen and others don’tand WHAT’s the big deal about wanting lowest energy anywayWe need a guiding principle (law) to predict WHAT things want to do,157,,熵 自發(fā)過程和

59、時(shí)間之箭,,For example, if van der Waals attractions make molecules bond to each other, why aren’t all molecules in the universe all clumped together?Why would self-assembling molecules (such as phospholipids) ever UN-assem

60、ble from micelles and bilayers ?,,158,,熵自發(fā)過程與時(shí)間之箭,,Example 2: how do we know that the ball is moving left to right ? why not backwards ?why does time only run in one direction (and we know the past but not the fu

61、ture) ?Why can we convert work to heat but not heat to work ?,,,159,,熵自發(fā)過程與時(shí)間之箭,,What’s going on at the molecular level ? – we can TRANSFER HEATso what prevents us from TRANSFERING WORK ? (and have the ball jump up

62、)that would still obey Conservation of Energy …,,,,160,,,There’s nothing in science that says this is impossible--it happens all the time to small molecules (evaporation and Brownian motion)It’s just really really unl

63、ikely…It’s similar to why all the molecules in the room don’t suddenly collect in one corner (and suffocate us)It COULD happen, it’s just that the probability is very very small…,,,,,161,,,This same probability argume

64、nt applies to molecular motions and energies too, and thus can predict the most likely flow of heat :we call the process spontaneous if it produces the more probable outcome, and non-spontaneous if it produces the less

65、likely one.CONCEPTUALLY, this is quite straightforward and intuitive. MECHANICALLY, it can get tricky counting up the possible states,,,,,,162,熵 自發(fā)過程與時(shí)間之箭this tricky MECHANICAL counting up of ALL the possible states

66、a system can assume gives us a number. This number is the ENTROPYWe don’t make ANY assumptions about which states are more likely, we just look at the probability of finding the system in a given state(gas distributio

67、n in a room, things lying on a desk, hair on your head…)Example, to get a feel for this: 2 gas molecules in a room have 4 statesor or or,,,,,163,so, over time, we would ‘catch’ an equal pressure

68、half the time.Q: more molecules ? A: Pascal’s triangle :each line is number of molecules: 1 (each # is total possible states)1112 1 2 1313314 1 4 6

69、 4 15151010516 1 6 15 20 15 6 171721353521718 1 8 28 56 70 56 28 8 1with 8 molecules the pressur