燃烧学几个放热量概念的考辨及建议

张勤林 王春红 王英红

(1.西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安 710072 2.西安交通大学理学院，西安 710049)

燃烧学几个放热量概念的考辨及建议

张勤林1王春红2王英红1

(1.西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安 710072 2.西安交通大学理学院，西安 710049)

对工程燃烧学领域的燃烧热概念进行了利弊分析，针对其局限性提出将固体推进剂燃烧学领域已经开始使用的爆热概念进一步明确化和规范化;提出了亚爆热的新概念，为规范和完善火炸药、固体推进剂等含能材料燃烧工程领域的科技术语提供建议。

燃烧，燃烧热，爆热，亚爆热，含能材料

一 引言

一般将强烈放热和发光的快速化学反应过程称为燃烧。其中的化学反应通常是指氧化反应或类氧化反应，如氟化、氮化、氯化反应等。由于大多数燃烧是发生在空气或者氧气环境中，故通常用燃烧热来表征燃料在燃烧过程中释放化学热的能力［1］。

目前，科学研究中参与燃烧反应的氧化剂种类较多，除了普通的纯氧气外，还有氟气、氯气、氮气、二氧化碳等，甚至有多种气体的1mol混合气体，例如空气就是一种混合的氧化性气体。参与燃烧反应的燃料更是种类繁多，纯物质类的有碳、硼、镁、铝、氢气、甲烷、乙醇等等;混合物形式的燃料更是无数;特别是同时含有氧化剂和燃料的复合含能材料在航天、航空、兵器、核能、国防等领域发挥着重要的作用，如:火药、炸药、固体火箭推进剂等。由于氧化剂和燃料种类繁多，因而用“燃烧热”无法更具体的表征所有燃烧类型中燃料的放热性能。

本文结合工程燃烧学目前的名词，全面分析了传统的燃烧热概念、进一步明确了爆热概念的内涵与外延，提出了亚爆热的新概念，为工程燃烧学名词术语的规范化提供理论参考。

二 燃烧热概念的考辨

燃烧热也称燃烧焓，就是可燃物质燃烧过程的热效应。《物理化学》［2］一书中定义的物质标准摩尔燃烧焓为:在指定温度T下，各处于标准态的物质和氧气完全燃烧生成相同温度下的处于标准态的产物的焓变。以符号△cHΘm表示，单位为 kJ/ mol，符号中下标表示燃烧，上标Θ为标准态记号，下标m表示反应进行了1mol或者有1mol物质燃烧。所谓完全燃烧(氧化)是指该化合物中的元素变为最稳定的氧化物或物质。在热化学中规定碳变成CO2(g)，氢变成H2O(l)，硫变成SO2(g)，氮变成N2(g)，氯变成HCl(aq)等。

国防科工委“十一五”规划教材《燃烧学》［1］一书中对燃烧热定义为:当1mol的燃料与化学当量的空气混合物以一定的标准参考状态进入稳定流动的反应器，且生成物也以同样的标准参考状态离开该反应器，那么把此反应释放出来的热量定义为标准反应焓(或称燃烧焓)。

《量热技术和热物性测定》［3］一书表明:燃烧热通常是指燃料在氧气中充分燃烧时所放出的热量。在25℃、1个大气压下，1mol燃料充分燃烧时放出的热量，称为该物质的标准燃烧热。根据标准燃烧热，通过换算可以求出单位质量或者单位体积燃料物质的标准燃烧热值。

《无机化学教程》［4］一书对标准摩尔燃烧焓做了定义:在温度为T时的反应各物质均处在标准态下，1molβ相的化合物B完全燃烧生成指定的稳定产物时的标准摩尔反应焓变，称为该化合物B(β)在温度T时的标准摩尔燃烧焓。

百度百科［5］中也定义了燃烧热的概念:在 101Kpa时，1mol纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物时所放出的热量，叫做该物质的燃烧热，单位为KJ/mol。

其他文献［6—9］也从不同角度涉及到了燃烧热概念。综合以上各种定义，燃烧热概念几个关键的因素分析如下:

1)必须针对可燃物质即燃料而言才有意义。

2)必须明确可比条件:在温度T条件下、单位数量(1mol或者1kg)，分别对应为摩尔燃烧热和质量燃烧热。

3)必须明确同一条件:燃烧前后的最终状态是在标准态下，IUPAC物理化学部热力学委员会制定100.00kPa作为标准压力。

4)燃烧过程应该是完全反应，即燃烧产物必须是最稳定的物质。例如碳变成CO2(g)，氢变成H2O(l)，硫变成 SO2(g)，氮变成 N2(g)，氯变成HCl(aq)等才能算是完全燃烧;如果碳变成 CO (g)，氢变成H2O(g)，硫变成H2S(g)，或氯变成HCl(g)时所放出的热量都不能算作是燃烧热。

该定义的四个要点给衡量一般可燃物质燃烧放热量的大小提供了便利，但是也存在以下不足:

1)从不同的资料显示，在有的燃烧热定义中对可燃物质界定为纯可燃物质，意味着混合可燃物的燃烧放热量无法用燃烧热概念来衡量。在工程实际应用中，像这种混合物质燃料非常多，例如火炸药、混合燃气、固体火箭推进剂等都不是单纯的一种成分，而是复合材料类的物质，然而燃烧热的概念仍然广泛使用，例如贫氧推进剂燃烧热测试装置、原始煤矿粉燃烧热测试等等。而有的定义没有界定，意味着混合的可燃物质也可用此概念来表征其燃烧放热量的大小。

2)众多资料显示，燃烧热概念用来表征的是可燃物质与氧气之间的燃烧反应放出的热量大小。而目前的实际科研中，有很多燃烧反应并不是发生在氧气环境中。例如登陆火星的粉末火箭发动机就是利用镁粉在二氧化碳中燃烧释放热量作为动力推进的。而研究镁粉在二氧化碳气氛中的燃烧热测试时，工程上有的仍然沿用了燃烧热的概念，有的改用放热量来表征，放热量过于笼统，并不能表征这种热量来源的过程特点，不利于学术交流。类似的还有氢气在氯气中的燃烧，按照传统的燃烧热定义，此燃烧过程的热效应是不能用燃烧热来表征的，但是同样需要一个能体现这种热量来源过程的新概念来表征其热效应的大小。

3)对于自带氧化剂、或者自带部分氧化剂的火炸药和固体火箭推进剂等含能材料燃烧过程中的热效应，无法用目前的燃烧热概念来表征其能量大小。例如目前流行的贫氧推进剂，它自身带有部分氧化剂，同时在工作时它还要依赖于空气中的部分氧气。也就是说，它可以在没有氧气或者氧化性气氛的环境中燃烧放热，也能在充足氧化性气氛中燃烧放热，但是两种过程的放热量是不一样的，而且两种过程放热量的大小都具有重要的科研价值。那么对这两种燃烧的放热量表征和分辨需要提出新的概念。

4)燃烧热大多是以1mol可燃物质的放热量来定义的，而在实际的实验测试中，大多是以单位质量或者单位体积可燃物质的放热量来定义的，故为了保持工程测试与基础学科的一致性，在定义燃烧热时至少应该包含有摩尔燃烧热、质量燃烧热、体积燃烧热。

5)工程上实验测试某种可燃物质的燃烧热大多是通过氧弹式量热仪获得的。在实际应用中所充入氧弹的环境气氛主要包含三类:氧化性气氛(主要是氧气)、类氧化性气氛(如氟气、氯气、二氧化碳、氮气等)、惰性气氛(氩气、氖气)。目前的燃烧热定义仅能表征可燃物质在氧化性气氛中的放热量，对于其他两类气氛需要新的概念来表征。

综上所述，目前各种学术资料对燃烧热概念的定义不统一，而且该概念不能表征所有燃烧过程的放热量情况，在工程应用中为了区分不同燃烧过程的放热量需要引入新的概念以弥补燃烧热概念的局限性。

三 爆热概念的分析

爆热概念在燃烧学领域和冶金领域的差异很大，本文主要探讨在燃烧工程学方面的爆热概念。

《火药装药设计原理与技术》［10］一书中定义了火药的爆热:1kg火药在绝热定容下燃烧，燃气冷却至25℃所放出的热量，称为爆热，单位是kJ/kg。

《两种工业炸药》［11］一书对炸药的爆热没有给出明确的定义，但做了说明:炸药的爆热可以从理论计算得出，也可以通过实验测试得到。计算值是指炸药爆炸产物的生成热与炸药本身的生成热之差，从化学反应角度就称为热效应，从炸药角度说就称为爆热。炸药爆热的实验测试一般是通过氧弹式量热仪来进行的。

《固体推进剂性能》［12］一书中对固体推进剂的爆热做了比较详尽的定义:质量为1kg的固体推进剂在298K下，在惰性气体中绝热燃烧变成同温度的燃烧产物时(假定没有发生二次反应和凝结反应)所放出的热量称为爆热。根据燃烧反应的条件，爆热分为定压爆热和定容爆热，其中定压爆热可以用推进剂组分的标准生成焓和燃烧产物组分的标准生成焓进行计算，公式如下:

式中i为推进剂组分，l为推进剂组分的总数目，j为燃烧产物的组分，m是燃烧产物的组分数目。

ni和nj分别为1kg推进剂中i组分的摩尔数和燃烧产物中j组分的摩尔数。分别为i组分和j组分的的标准生成焓。

定容摩尔热熔可以通过以下公式得到:

式中n为1kg推进剂燃烧所产生的燃气的总摩尔数，T等于298K，Ru为通用气体常数。

实际爆热的测定是在量热计中进行的。用这种方法测得的爆热是质量为1kg的固体推进剂在298K下，在惰性气体中绝热定容燃烧后将燃气冷却到同样温度，水蒸气冷凝成室温下的水时所释放出的热量，以Qv(L)表示，公式如下:

式中 nH2O为 1kg燃气中水的摩尔数，41.564kJ/mol为水的定容凝结热。

爆热的大小表征着推进剂在燃烧过程中放出的化学潜能的多少，爆热愈大，放出的能量愈大，所以爆热是推进剂能量性能的重要参数。

《固体推进剂技术及其纳米材料的应用》［13］一书对爆热的测定做了简要介绍:将一定质量的推进剂样品放在一个半自动的、绝热的Julius Peter量热弹中点燃。测量一个绝热桶中一定量水温的升高值来计算释放的热量。

爆热的概念，在多篇文献［14－17］中都有不同程度的涉及，但都有着不同的含义，就是在含能材料燃烧这一领域也是内涵和外延大不相同。综合以上各种表述，本文分析燃烧工程学爆热概念的关键几点如下:

1)明确爆热针对的是火药、炸药、推进剂等含能材料的热效应，这些材料本身同时携带了燃料和氧化剂，在不同的气氛中放热量也不一样，是特殊的复合能源材料。

2)考虑到含能材料在氧气环境中燃烧释放的热量可用燃烧热来表征，所以爆热概念应该明确含能材料燃烧的环境气氛为惰性气氛，目前科研中使用最广泛的是氩气和氦气，对于某些不和氮气发生反应的可燃物质也可选用纯净的氮气作为惰性气氛。

3)和燃烧热一样，因该明确爆热的统一可比条件:可燃物质量的，鉴于目前工程上以单位质量为主，故建议使用“1kg质量”;参考温度应该统一为298K，此温度下燃烧产物中的水为液态。

4)根据测量爆热的氧弹量热法原理和含能材料燃烧工作环境的特点，在定义爆热时应该明确燃烧条件为:绝热定容条件下燃烧释放热量。

爆热的大小表征了含能材料在惰性气氛中释放潜能的大小，更深层次的反应了含能材料复合配方中燃料与氧化剂的配比关系，是进行含能材料配方开发和研究的重要参考依据。

四 亚爆热概念的设想

在目前的科研和工程领域，除了可燃物质在氧气中燃烧、含能材料在惰性气体中燃烧两类放热量的研究外，还有一类就是可燃物质在类氧化性气氛中燃烧的研究也是很广泛的。

例如镁粉在二氧化碳气氛中的燃烧反应:

该反应中燃烧产物碳还可以继续燃烧氧化放热，不是最终的稳定物质，故该反应放热量的表征不能用燃烧热的概念，同时镁粉本身是单质类的燃料物质并不携带氧化剂，也不是在惰性气氛中燃烧的，故放热量也不能用爆热的概念来表征。

再例如硼粉在氮气和氟气中的燃烧反应:

还有氢气在氯气中的燃烧反应:

还有就是目前流行的贫氧推进剂在冲压空气中燃烧的放热量等等，都不能简单的用燃烧热或者爆热概念来表征，故需要新的概念来表征其燃烧放热量的大小。

本文建议提出“亚爆热”的概念来表征这一类燃烧反应过程中放热量的大小。其概念的关键有以下几点:

1)明确亚爆热针对的燃烧反应类型:可燃物质(可为纯物质、也可为复合物质)在类氧化性气氛中燃烧。其中的类氧化气氛指除纯氧气外的在燃烧中表现出氧化性的氧化剂或者是两种以上氧化性气氛的混合氧化物性物质，如:氯气、氟气、二氧化碳、空气(其中有两种以上成分发挥了氧化功能)等。

2)明确同一化条件:在298K下的可燃物质和氧化性气氛发生燃烧反应，产物冷却到相同温度，此温度下水为液态;为了便于实验测试建议使用“1kg质量”作为可燃物质量的衡量条件。

3)借鉴目前工程应用，亚爆热实验测试仍然使用氧弹式量热仪，定义测试条件为绝热定容。

4)在使用亚爆热概念时，应该注明燃烧气氛的名称，例如镁粉在二氧化碳中燃烧的亚爆热、氢气在氯气中燃烧的亚爆热等等。

亚爆热概念在燃烧工程领域，尤其是火炸药、推进剂燃烧领域可以弥补燃烧热和爆热概念的不足，从宏观上反映了可燃物质在类氧化气氛中燃烧反应放出热量的大小。

五 总结

鉴于广义燃烧的概念，对已有的燃烧热概念进一步统一和完善，对已经在科研领域使用但还不够明确和规范的爆热概念进一步明确和界定范围，对于无法用燃烧热和爆热概念表征的类氧化类燃烧反应过程中释放的热量用亚爆热来表征，从而工程燃烧学关于可燃物质燃烧放热量的概念形成了燃烧热、爆热、亚爆热系统的概念体系，可以全面的表征广义燃烧过程的放热量大小。

［1］严传俊，范玮.燃烧学［M］.2版.西北工业大学出版社，2008.1.

［2］范康年.物理化学［M］.2版.高等教育出版社，2005.437－438.

［3］胡芃，陈则韶.量热技术和热物性测定［M］.2版.中国科学技术大学出版社，2009.90－92.

［4］冯辉霞，王毅，等.无机化学教程［M］.甘肃教育出版社，2004.34－35.

［5］［EB/OL］http：//baike.baidu.com/view/35508.htm# s ub35508

［6］封雪松，赵省向，等.铝粉含量对装药破片速度的影响研究［J］.火工品，2009(4)：30－33.

［7］王建灵，李正来，等.绝热式炸药爆热热量计绝热性能的测定方法［J］.火炸药学报，2007(2)：52－54.

［8］吕忠波，叶书贵，等.HBX系列含铝炸药爆热、爆速性能参数的计算分析［J］.四川兵工学报，2007(2)：47－48.

［9］陈潜，何得昌，等.超细氧化铁对TNT炸药爆热的影响［J］.爆炸与冲击，2004(3)：278－280.

［10］王泽山，何卫东，等.火药装药设计原理与技术［M］.北京理工大学出版社，2006.124.

［11］李克升.两种工业炸药［M］.云南科技出版社，2009.212.

［12］李葆萱.固体推进剂性能［M］.西北工业大学出版社，1990.31.

［13］李凤生，郭效德，等.固体推进剂技术及其纳米材料的应用［M］.北京.国防工业出版社，2008.87.

［14］潘匡志，王英红，等.硼粉燃烧热的测量［J］.宇航学报，2008(5)：1589－1592.

［15］白玉琴，李平，等.浅释燃烧热［J］.中国校外教育，2009(10)：78.

［16］杨亮，庄爽，等.氧弹量热仪测定物质燃烧热值的误差分析［J］.消防科学与技术，2009(7)：519－521.

［17］CHUNG K Law.COMBUSTION PHYSICS［M］.cambridge university press，2006：31.

Research and Suggestions on Several Concepts of Combustion Releasing Heat in Combustion Theory

ZHANG Qinlin WANG Chunhong WANG Yinghong

Based on the analyses of combustion heat in the field of engineering combustion.We further clarified and standardized the concept of"explorsive heat"in the field of the solid propellant combustion study.In order to provide some suggestions for the standardization and improvement of the terminology in the domain of the energetic materials combustion engineering such as fire blasting explosive and the solid propellant，we proposed a new concept"Semi-Explorsive Heat".

heat，combustion，explosion，semi-explosion，energetic materials

N04

A

1673－8578(2011)03－0035－05

2011－04－27

张勤林(1981—)，硕士，工程师，主要从事硼粉及含硼固体推进剂燃烧性能测试研究。通信地址:Blackmeet@ 163.com。