"Зажигательная" термодинамика

Аннотация. Статья посвящена исследованиям термодинамических характеристик химических реакций, протекающих при горении в зажигательных смесях времен Великой Отечественной войны. Авторы описывают личный практический опыт моделирования и испытания в лабораторных условиях микрокомпозиции горючей смеси на основе углеводородов наиболее оптимальной с позиции термодинамики.
Ключевые слова: зажигательная смесь, энтальпия, энтропия, энергия Гиббса. 

Несмотря на большой опыт практического использования, реакции горения остаются одними из наиболее сложных для научного изучения. Наука о горении является в высшей степени междисциплинарной, лежащей на стыке многих научных дисциплин. Химическая термодинамика дает возможность понять некоторые основные закономерности процессов, происходящих при горении горючих смесей и грамотно моделировать иллюстрирующие их химические эксперименты для воспроизведения в школьной химической лаборатории.

Цельданной работы: исследование термодинамических характеристик химических реакций, протекающих при горении в зажигательных смесях времен Великой Отечественной войны. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: 1) осуществить анализ научной информации об основных понятиях и закономерностях термодинамики химической реакции; 2) изучить химический состав и технологию изготовления зажигательных смесей, применявшихся в войне 1941-1945 гг.; 3) проанализировать правила безопасного обращения с горючими смесями; 4) моделировать наиболее известные горючие смеси времен войны; 5) провести испытания микрокомпозиции полученных горючих смесей в лабораторных условиях.

Объект исследования:общиетермодинамические характеристики химической реакции. Предмет исследования:термодинамические характеристики реакций, протекающих при горении в зажигательных смесях.

Термин “термодинамика” предложил в 1851 году английский ученый Уильям Томсон. Немецкий ученый Рудольф Клаузиус  называл новую науку “механической теорией тепла”. Конкретный  объект термодинамического исследования  называют  термодинамической системой, выделенной из окружающего мира реально существующими или воображаемыми поверхностями. Системой может быть газ в сосуде, раствор реагентов в колбе, кристалл вещества или даже мысленно выделенная часть этих объектов [1].

Чтобы систему можно было описать термодинамически, она должна состоять из  большого числа частиц – соответствовать законам статистики. Если в системе есть реальные поверхности раздела, отделяющие друг от друга части системы, различающиеся по свойствам, то система называется гетерогенной , если таких поверхностей нет, система называется  гомогенной. Гетерогенные системы содержат не менее двух фаз. Фаза – совокупность всех гомогенных частей системы, одинаковых по составу и по всем физическим и химическим свойствам (не зависящим от количества вещества) и отграниченных от других частей системы поверхностью раздела. Внутри одной фазы свойства могут изменяться непрерывно, но на поверхности раздела между фазами свойства меняются скачком. Совокупность свойств системы (давление, температура, концентрация и др.) определяет ее состояние. Реакции горения зажигательных смесей представляют собой гетерогенные многокомпонентные термодинамические системы [5].

Наиболее важны для расчетов три функции состояния. Энтальпия – это термодинамическая функция состояния системы, характеризующая стремление системы к повышению устойчивости за счет снижения энергии. Энтальпия химической характеризует «тепловой запас» системы участвующих в ней веществ и продуктов их взаимодействия. Энтропия – это термодинамическая функция состояния системы, характеризующая стремление системы к повышению устойчивости за счет увеличения свободы движения частиц. Энтропия химической характеризует «меру беспорядка» системы участвующих в ней веществ и продуктов их взаимодействия.

Таблица 2

Признаки реакций горения зажигательных смесей разного углеводородного состава

Вывод: Коптящее пламя образуется при горении зажигательной смеси, в которой массовая доля углерода повышена (по данным информационных источников более 70% [5], с чем согласуются и наши результаты). Эта же закономерность проявляется и относительно признака яркости пламени.

            Наиболее эффективны не монокомпонентные составы горючих жидкостей, а зажигательные смеси, составленные из композиции углеводородов с разной длиной углеродной цепи (и разной массовой долей углерода), такие смеси являются самокатализирующимися в реакции горения, благодаря постепенно нарастающему энтропийному и снижающемуся энтальпийному факторам. Такие смеси, самовозгораясь за счет теплоты предыдущей реакции горения углеводорода с меньшей длиной углеродной цепи и меньшим  массовым содержанием углерода, самоускоряют процесс горения, вводят в действие по цепному механизму «тяжелую артиллерию» –   углеводороды с бóльшей длиной углеродной цепи и бóльшим массовым содержанием углерода.  

            Таким образом, многокомпонентный состав зажигательных смесей времен Великой Отечественной войны оказывается оптимальным с точки зрения термодинамики. Перспективой исследования, очевидно, станет изучение кинетики химической реакции горения.

На заключительном этапе работы над проектом были смоделированы и проведены испытания микрокомпозиции полученных горючих смесей в лабораторных условиях. Данные эксперименты пригодны для воспроизведения в школьной химической лаборатории с целью исследования эффективности и безопасности использования процессов, происходящих при горении горючих смесей.           

Ссылки на источники

1. Алексинский В. Занимательные опыты по химии. М.: Просвещение, 1995.
2. Аликберова Л., Рукк Н. Полезная химия: задачи и истории. М.: Дрофа, 2005.
3. Артеменко А. И. и др. Справочное руководство по химии. М.: Высшая школа, 1990.
4. Шелинский  Г. И. Химия / учебник для 9 класса средней общеобразовательной школы. СПб.: Изд-во «Специальная литература», 1999.
5. Элементы химической термодинамики и кинетики (2015 г.). – URL: http://www.chem.msu.su/rus/teaching/Zagorskii/6/welcome.html
6. Инструкция по охране труда при работе в химической лаборатории (2015 г.). – URL: http://www.spec-kniga.ru/ohrana-truda/instrukcija-po-ohrane-truda-pri-rabote-v-himicheskoi-laboratorii.html
7. Пожары класса D – горение металлов (2015 г.). – URL: http://gidro.tech-group.pro/pozhar_klassa_d