断熱炎温度

燃焼の研究において、断熱炎温度とは理想的な条件下で炎が到達する温度のことです。これは実際のプロセスで到達する温度の上限です。

断熱炎温度には、プロセスがどのように完了するかによって、定積と定圧の 2 種類があります。定積断熱炎温度は、仕事、熱伝達、または運動エネルギーや位置エネルギーの変化なしに発生する完全燃焼プロセスから生じる温度です。システムの体積を変更する (つまり、仕事を生成する) ためにエネルギーが利用されないため、 その温度は定圧プロセスの場合よりも高くなります。

日常生活で遭遇する炎のほとんどは、木材、ワックス、脂肪、プラスチック、プロパン、ガソリンなどの物質中の炭化水素の急速な酸化によって生じる炎です。空気中のこのような物質の定圧断熱炎温度は、約 1,950 °C (2,220 K; 3,540 °F) の比較的狭い範囲にあります。^{[引用が必要]}これは主に、これらの化合物の燃焼熱が消費される酸素の量にほぼ比例し、それに比例して加熱する必要がある空気の量が増えるため、より大きな燃焼熱が炎の温度に与える影響が相殺されるためです。高温での不完全な反応は、より大きな燃焼熱の影響をさらに抑制します。^{[引用が必要]}

自然に起こる燃焼プロセスのほとんどは屋外で起こるため、エンジンのシリンダーのようにガスを特定の容積に閉じ込めるものはありません。その結果、これらの物質は一定の圧力で燃焼し、燃焼中にガスが膨張します。

初期大気条件（1  barおよび20 °C）を前提として、次の表^{[1]に一定圧力条件下でのさまざまな燃料の炎温度を示します。ここで言及されている温度は、}化学量論的燃料酸化剤混合物（すなわち当量比 φ = 1）の場合の温度です 。

これらは、熱を失わない炎によって生成される理論的な炎温度であり、実際の炎温度ではないことに注意してください。最も近いのは、燃焼反応が最も効率的に行われる炎の最も熱い部分です。また、これは完全燃焼（たとえば、完全にバランスが取れていて、煙が出ず、通常は青みがかった炎）を前提としています。表のいくつかの値は、文献^[1]やオンライン計算機による予測とは大きく異なります。

閉鎖反応系における 熱力学第一法則から、

${\displaystyle {}_{R}Q_{P}-{}_{R}W_{P}=U_{P}-U_{R}}$

ここで、およびは、それぞれプロセス中にシステムから周囲に伝達される熱と仕事であり、およびは、それぞれ反応物と生成物の内部エネルギーです。定容断熱炎温度の場合、システムの体積は一定に保たれるため、仕事は発生しません。 ${\displaystyle {}_{R}Q_{P}}$${\displaystyle {}_{R}W_{P}}$${\displaystyle U_{R}}$${\displaystyle U_{P}}$

${\displaystyle {}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=0}$

このプロセスは断熱と定義されているため、熱伝達もありません。その結果、生成物の内部エネルギーは反応物の内部エネルギーに等しくなります。これは閉鎖系であるため、生成物と反応物の質量は一定であり、第一法則は質量に基づいて記述できます。 ${\displaystyle {}_{R}Q_{P}=0}$${\displaystyle U_{P}=U_{R}}$

${\displaystyle U_{P}=U_{R}\Rightarrow m_{P}u_{P}=m_{R}u_{R}\Rightarrow u_{P}=u_{R}}$。

定圧断熱炎温度の場合、システムの圧力は一定に保たれ、仕事については次の式が得られます。

${\displaystyle {}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=p\left({V_{P}-V_{R}}\right)}$

このプロセスは断熱的であると定義されているため、ここでも熱伝達は発生しません。第一法則から、次のことがわかります。 ${\displaystyle {}_{R}Q_{P}=0}$

${\displaystyle -p\left({V_{P}-V_{R}}\right)=U_{P}-U_{R}\Rightarrow U_{P}+pV_{P}=U_{R}+pV_{R}}$

エンタルピーの定義を思い出すと、次の式が得られます。これは閉鎖系なので、生成物と反応物の質量は同じであり、第一法則は質量に基づいて記述できます。 ${\displaystyle H_{P}=H_{R}}$

${\displaystyle H_{P}=H_{R}\Rightarrow m_{P}h_{P}=m_{R}h_{R}\Rightarrow h_{P}=h_{R}}$。

定圧プロセスの断熱炎温度は、定容プロセスよりも低いことがわかります。これは、燃焼中に放出されるエネルギーの一部が仕事として制御システムの容積を変更するために使用されるためです。

燃焼が完了する（つまりCOのみを生成する）と仮定すると、
₂とH
₂O ) では、化学量論的条件または化学量論より薄い条件（過剰空気）で断熱炎温度を手動で計算できます。これは、左辺と右辺のバランスをとるのに十分な変数とモル方程式があるためです。

${\displaystyle {\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\to \nu _{1}{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{4}{\rm {O}}_{\rm {2}}}$

化学量論より過剰では、少なくともCOとHで燃焼が完了できないため、変数が不十分である。
₂モルバランスに必要な（これらは不完全燃焼の最も一般的な生成物である）

${\displaystyle {\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\to \nu _{1}{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{5}{\rm {CO}}+\nu _{6}{\rm {H}}_{\rm {2}}}$

しかし、水性ガス転化反応を含めると、

${\displaystyle {\rm {CO}}_{\rm {2}}+H_{2}\Leftrightarrow {\rm {CO}}+{\rm {H}}_{\rm {2}}{\ rm {O}}}$

この反応の平衡定数を使用すると、計算を完了するのに十分な変数が得られます。

エネルギーレベルとモル成分が異なる燃料は、断熱炎温度も異なります。

ニトロメタン(CH ₃ NO ₂ ) が車のパワーブーストによく使用される理由は、次の図からわかります。ニトロメタンの各分子には、窒素と酸素の間に比較的高エネルギーの結合を持つ酸化剤が含まれているため、炭化水素や酸素を含むメタノールよりもはるかに高温で燃焼します。これは、断熱炎の温度も上昇させる純酸素を追加するのと同じです。これにより、定容プロセス中に圧力をさらに高めることができます。圧力が高いほど、ピストンにかかる力が大きくなり、エンジンでより多くの作業とパワーを生み出します。ニトロメタンには独自の酸化剤が含まれているため、化学量論よりも比較的高温のままです。ただし、ニトロメタンでエンジンを継続的に作動させると、この高温により、最終的にピストンやシリンダーが溶けてしまいます。

実際のアプリケーションでは、完全燃焼は通常は起こりません。化学では、解離と反応速度によって生成物の組成が変化することが規定されています。平衡定数による解離を考慮して断熱炎温度を計算できるプログラムは多数あります (Stanjan、NASA CEA、AFTP)。次の図は、解離の影響によって断熱炎温度が低下する傾向があることを示しています。この結果は、ルシャトリエの原理によって説明できます。

• 炎の速度

• Babrauskas, Vytenis (2006-02-25). 「炎と火災の温度」Fire Science and Technology Inc. 2008年1月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年1月27日閲覧。
• 断熱炎温度の計算
• 断熱炎温度

• 「断熱炎温度」。エンジニアリング ツールボックス。2008 年 1 月 28 日時点のオリジナルからアーカイブ。2008年 1 月 27 日閲覧。酸素または空気を酸化剤として用いた水素、メタン、プロパン、オクタンの断熱炎温度
• 「一般的なガスの炎温度」。エンジニアリング ツールボックス。2008 年 1 月 7 日時点のオリジナルからアーカイブ。2008年 1 月 27 日閲覧。
• 青い炎の温度と一般的な材料

• Canteraを使用したオンライン断熱炎温度計算機
• 断熱炎温度プログラム
• Gaseq、化学平衡計算を実行するプログラム。
• 炎温度計算機 - 定圧二液推進剤断熱燃焼
• 断熱炎温度計算機