燃烧与爆炸教学课件

燃烧与爆炸教学课件燃烧与爆炸基本概念燃烧是一种放热化学反应过程，通常伴随着热量、光和气体的释放这一过程需要氧气参与，是人类获取能量的重要方式爆炸则是能量在极短时间内瞬时释放的现象，常伴随着猛烈的声响、强烈的冲击波和显著的压强变化爆炸可分为化学爆炸、物理爆炸和核爆炸等不同类型燃烧的历史与现实意义远古时期工业革命人类开始利用火的历史可以追溯到50多万年前，火的蒸汽机的发明使燃烧成为工业发展的核心动力，煤炭使用被认为是人类文明进步的重要标志之一成为主要能源1234农业革命现代应用燃烧技术帮助人类发展农业，通过焚烧植被清理土现代工业70%以上的能量依赖于各种形式的燃烧反地，并用于食物加工和保存应，而爆炸技术广泛应用于矿业开采、军事装备和航天推进系统等领域物质燃烧的三个条件助燃物支持燃烧反应进行的物质，最常见的是空气中的氧气助燃物与可燃物发生化学反应，形成新的化合物可燃物能够被氧化并放出热量的物质，如木材、煤炭、汽油等可燃物是燃烧反应的反应物，提供燃烧所需的能量着火源提供启动燃烧反应所需的初始能量，如明火、高温、电火花等着火源使可燃物达到其着火点温度燃烧反应的本质从化学角度看，燃烧本质上是一种高能物质的氧化放热反应在这个过程中，可燃物与氧气结合，形成新的化合物，同时释放大量热能和光能碳的完全燃烧反应C+O₂→CO₂+热量甲烷的完全燃烧反应CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O+热量燃烧反应是一种强烈的放热反应，反应速率可以从缓慢到剧烈不等，这取决于可燃物的性质、氧气的供应量以及反应条件助燃物及其常见类型氧气₂氯气₂氟气₂OClF最常见的助燃物，占空气成分的约21%在强氧化剂，能与多种元素直接反应氯气本最活泼的非金属元素，是极强的氧化剂即纯氧环境中，燃烧反应会异常剧烈，甚至普身不燃烧，但能强烈助燃使在低温下也能引起多种物质燃烧通不易燃物质也可能变得易燃•与氢气混合遇光会爆炸•能使水燃烧•医用氧气罐需远离火源•工业上需严格控制泄漏•与几乎所有元素反应•高压氧气可使油脂自燃可燃物分类固体可燃物液体可燃物气体可燃物固体可燃物包括木材、煤液体可燃物主要包括汽油、炭、纸张、塑料等这类物柴油、酒精、煤油等这类质通常需要较高的着火温物质的危险性主要来自其挥度，但一旦燃烧会持续较长发性，液体本身不燃烧，而时间某些细小的固体颗粒是其蒸气与空气形成的混合如面粉、煤尘在空气中悬浮物燃烧液体可燃物通常具时，由于比表面积增大，可有明确的闪点和燃点，是评能形成爆炸性混合物估其危险性的重要参数着火源类型与着火温度常见着火源类型常见物质最低着火温度（℃）•明火火柴、打火机、焊接火花物质名称最低着火温度•高温表面电热器、烤箱、排气管•电火花短路、静电放电、雷击汽油280-456•机械摩擦金属摩擦、机械故障木材250-300•化学反应某些化学物质混合可自发产生高温纸张230•光能聚焦的阳光、激光煤炭400-600氢气500甲烷650乙醇363燃烧的类型Ⅰ完全燃烧完全燃烧是指可燃物在充足氧气供应条件下，完全氧化为最终产物的过程碳氢化合物完全燃烧的产物仅为二氧化碳和水CxHy+x+y/4O2→xCO2+y/2H2O+热量完全燃烧的特点•燃烧充分，热值利用率高•火焰呈蓝色或无色透明•几乎无黑烟或污染物排放•产生的热量达到理论最大值完全燃烧在工业生产和能源利用中具有重要意义现代燃烧设备如燃气灶、高效锅炉等都致力于实现完全燃烧，以提高能源利用效率，减少污染物排放燃烧的类型Ⅱ不完全燃烧氧气不足不完全燃烧现象危害与后果当氧气供应不足时，碳氢化合物无法完全氧化为二氧化表现为火焰呈黄色或红色，伴有大量黑烟，这些黑烟主生成的一氧化碳具有强烈毒性；热值利用率低，能源浪碳和水，而是生成一氧化碳、碳粒或其他中间产物要由未燃烧完全的碳粒组成费；产生大量污染物，危害环境和健康不完全燃烧的化学方程式2C+O2→2CO+热量（比完全燃烧释放的热量少）CxHy+不足量O2→CO+C+H2O+其他中间产物燃烧过程中的能量变化燃烧热能量转换与测量燃烧热是指在标准状况下，1摩尔物质完全燃烧时释放的热量，用于衡量燃料的能量含量物质燃烧热kJ/mol甲烷CH4-890乙醇C2H5OH-1367葡萄糖C6H12O6-2808氢气H2-286汽油混合物约-5500负值表示反应放热，数值越大表示放热量越多燃烧过程中，化学能转化为热能和光能科学家使用量热计精确测量燃烧释放的热量燃烧温度受多种因素影响•燃料的化学成分和燃烧热•氧气供应情况•热损失程度•燃烧速率燃烧链式反应机理引发阶段传播阶段高温或辐射导致分子键断裂，形成高活性自由自由基与稳定分子反应，消耗一个自由基但产基例如O2→2O·生一个新的自由基，链式反应持续进行分支阶段终止阶段一个自由基与分子反应产生多个新自由基，反自由基相互碰撞或与壁面碰撞，形成稳定分应呈指数级加速这是爆炸发生的关键阶段子，链式反应逐渐停止链式反应理论由俄罗斯科学家谢苗诺夫和英国科学家欣谢尔伍德共同提出，成功解释了燃烧和爆炸现象的微观机理，为两位科学家赢得了1956年诺贝尔化学奖自燃与闪点闪点自燃现象闪点是指可燃液体表面产生的蒸气与空气混合，遇明火能引起瞬间闪燃的最低温度闪点是评估液体危险性的重要指标液体闪点℃汽油-45柴油38-55乙醇12煤油37-65自燃是指物质在无外界火源的情况下，由于自身发热而达到着火点自行燃烧的现象植物油300自燃的常见原因闪点越低，液体在常温下的危险性越大闪点低于室温的液体在常温下即可释放足够•化学自发反应（如油漆中的亚麻油氧化）的蒸气形成可燃混合物•微生物分解发酵（如湿草堆、煤堆）•物理吸附（如活性炭吸附有机物）爆炸基本定义及特征爆炸的定义爆炸是一种能量在极短时间内（通常为毫秒级）、极小空间内剧烈释放的现象，导致周围介质急剧膨胀，产生强大的冲击波爆炸的本质特征•能量释放速率极高•伴随显著的压力增加（可达数千大气压）•产生强烈的冲击波•温度瞬间升高（可达数千度）•伴有巨大声响爆炸与燃烧的本质区别在于能量释放的速率普通燃烧的反应区以米/秒的速度传播，而爆轰波的传播速度可达数千米/秒，远超音速爆炸的破坏效应主要来自•冲击波的机械作用•高温热辐射•碎片的抛射爆炸类型一览化学爆炸物理爆炸由化学反应引起的爆炸，反应速度极快，由物理原因导致的压力突然释放，无化学能量集中释放反应参与•炸药爆炸TNT、黑火药、硝化甘油•压力容器爆炸蒸汽锅炉、气瓶•气体爆炸煤气、甲烷与空气混合物•相变爆炸液化气体突然气化•粉尘爆炸煤尘、面粉、金属粉末•火山爆发地下岩浆突然释放化学爆炸通常伴随剧烈的氧化还原反应，物理爆炸的特点是没有化学反应放热，但反应速率可达声速或超声速能量释放同样迅猛核爆炸基于核反应的爆炸，能量密度极高，破坏力巨大•核裂变铀

235、钚239的裂变•核聚变氢弹中氢同位素的聚变爆炸的三个必要条件助爆物质促进或参与爆炸反应的物质•氧气（最常见的助爆物）•氯气、氟气等强氧化剂可爆物质•硝酸盐、过氧化物等含氧化合物某些炸药分子内既含燃料又含氧化剂，不需外能够迅速释放大量能量的物质，包括部助爆物•高能炸药（TNT、黑火药）•可燃气体与空气的混合物引爆源•可燃粉尘悬浮于空气中触发爆炸反应的初始能量•液化气体（由物理原因爆炸）•机械冲击或摩擦•电火花、静电放电•高温或明火•雷管或起爆药•冲击波常见爆炸实验证明面粉爆炸实验这一经典实验演示了粉尘爆炸的危险性

1.将少量面粉放入长管底部

2.管上端放置蜡烛或其他火源

3.向管内吹气，使面粉分散成细小颗粒悬浮

4.面粉颗粒接触火源瞬间发生爆燃实验原理细小面粉颗粒悬浮在空气中时，比表面积大大增加，与氧气充分接触，遇火源瞬间发生剧烈燃烧，形成爆炸性反应这一实验说明了粮仓、面粉厂等场所粉尘爆炸的危险性，历史上多次发生过严重的粉尘爆炸事故金属粉尘爆炸金属粉尘如铝粉、镁粉悬浮在空气中时也具有极强的爆炸性这类爆炸在金属加工、喷涂和焰火制造行业尤为危险镁粉爆炸特点•燃烧温度极高（可达3000℃）•释放强烈白光爆炸过程的热力学分析能量释放速率压力与体积变化爆炸的本质特征是能量在极短时间内释放，其功率可达到千兆瓦级别其中P为功率，ΔE为释放的能量，Δt为时间间隔（通常为毫秒级）TNT爆炸时能量释放速率可达1013瓦，这一数值远超任何常规能源装置爆炸过程遵循热力学基本定律，可用以下关系描述爆炸产生的高压来源于•反应产物的摩尔数增加（n增大）•温度急剧升高（T增大）•气体迅速膨胀（V变化）密闭空间对燃烧及爆炸影响压力效应氧气浓度变化爆炸威力比较在密闭空间中，燃烧产生的热膨胀气体无法自由密闭空间内的燃烧会迅速消耗氧气，导致氧气浓扩散，导致压力急剧上升当压力超过容器强度度下降当氧气浓度低于16%时，普通材料难以时，可能引发爆炸根据波义耳定律，气体压力持续燃烧；低于6%时，即使易燃物也无法燃与体积成反比，在固定温度下P₁V₁=P₂V₂烧然而，在燃烧初期，高温可能导致密闭空间内压力升高，增加爆炸风险爆炸极限理论爆炸极限是指可燃气体与空气的混合物中，可燃气体的体积分数达到某一范围时，遇火源才能发生爆常见气体的爆炸极限（体积）%炸的浓度界限爆炸极限的两个界限气体爆炸下限爆炸上限爆炸下限LEL混合气体能够爆炸的最低浓度甲烷

5.0%

15.0%爆炸上限UEL混合气体能够爆炸的最高浓度丙烷

2.1%

9.5%当可燃气体浓度低于爆炸下限时，混合物中可燃成分太少，不足以维持爆炸；当浓度高于爆炸上限氢气

4.0%

75.0%时，氧气不足，同样无法爆炸乙炔

2.5%

80.0%一氧化碳

12.5%

74.0%防爆结构与设计12泄压设计隔爆设计在可能发生爆炸的设备或建筑中设置泄压口，如安全阀、爆破片、轻质屋顶等当压采用特殊结构，使设备内部可能发生的爆炸被限制在设备内，不向外传播常见于矿力超过设定值时，这些装置会首先破坏，释放压力，减轻爆炸造成的整体损害用电气设备、危险场所照明等，通过特殊的接合面设计，确保爆燃气体冷却后才能排出34本质安全型设计安全标识系统限制电路能量，使其不足以点燃周围可能存在的爆炸性混合物这种设计广泛应用于使用国际通用的安全标识，清晰标明危险区域、危险物品和安全措施包括危险品菱石油化工、煤矿等危险环境中的仪器仪表系统形标志、防爆区域划分标志等，帮助人员识别风险并采取相应防护措施燃烧及爆炸事故安全案例天津港爆炸事件分析2015年8月12日，天津港发生特大爆炸事故，造成重大人员伤亡和财产损失事故原因:•危险化学品违规存储，硝酸铵等爆炸性物质超量堆放•消防水与硝化物反应导致事故扩大•安全管理制度执行不力，应急预案不完善•危险源识别不足，风险评估不到位这一事件反映了危险化学品管理中存在的严重问题，促使国家全面加强危险化学品安全监管校园理化实验室事故统计据教育部统计，2010-2020年间，全国高校实验室共发生火灾爆炸事故127起，其中•化学实验室事故占比67%•主要原因操作不当42%、设备故障28%、物质不相容21%、其他9%•伤亡情况轻伤96人，重伤18人，死亡5人灭火原理与方法冷却灭火窒息灭火降低燃烧物温度至着火点以下隔绝氧气，切断助燃条件•水是最常用的冷却灭火剂•覆盖法沙子、泡沫、防火毯•适用于普通固体物质火灾•置换法二氧化碳、氮气•不适用于油类和电气火灾•密闭法关闭门窗限制空气隔离灭火抑制灭火移除可燃物，切断燃料来源干扰燃烧的链式反应•关闭气源阀门•卤代烷灭火剂•转移未燃烧物质•干粉灭火剂•构筑防火隔离带•化学反应抑制自由基不同类型灭火器的适用范围灭火器类型适用火灾不适用火灾水基灭火器A类普通固体B类油类、C类电气泡沫灭火器A类固体、B类油类C类电气二氧化碳灭火器B类油类、C类电气户外使用效果差典型化学灭火实验窒息灭火实验干粉灭火实验实验步骤实验步骤

1.点燃酒精灯或蜡烛

1.在金属盘中倒入少量酒精并点燃

2.用玻璃杯或烧杯罩住火焰

2.向火焰喷洒干粉灭火剂（如碳酸氢钠粉末）

3.观察火焰逐渐变小直至熄灭

3.观察火焰迅速熄灭原理玻璃杯内的氧气被燃烧消耗，当氧气浓度降低到一定程度（约15%以下），火焰无法继续燃原理干粉灭火剂通过多种机制同时灭火覆盖燃烧物表面隔绝氧气；吸收热量降低温度；分解产烧而熄灭这证明了燃烧需要足够的氧气，也说明了窒息灭火的基本原理生不燃气体稀释氧气；某些干粉还能抑制燃烧的链式反应实验展示了干粉灭火剂的高效性，特别是对液体火灾的灭火效果常见爆炸物及危害（三硝基甲苯）TNT军用炸药代表，化学式C₇H₅N₃O₆，黄色晶体，相对稳定，需要起爆药引爆威力1kg TNT爆炸产生冲击波可在5米范围内造成致命伤害，10米范围内造成严重损伤硝酸铵广泛用于农业肥料，同时也是工业炸药的主要成分在高温或强烈冲击下可能爆炸贝鲁特港爆炸（2020年）源于2750吨硝酸铵意外引爆，造成超过200人死亡，5000多人受伤可燃尘埃细小的可燃固体颗粒悬浮在空气中形成的混合物，如煤尘、面粉、木屑、金属粉末等2015年台湾八仙乐园粉尘爆炸事件造成15人死亡，近500人烧伤，源于彩色粉末在空气中形成爆炸性混合物燃气天然气和液化石油气等燃气泄漏后与空气混合，在一定浓度范围内极易发生爆炸燃气爆炸威力大，传播速度快，是城市和家庭常见的爆炸隐患预防措施定期检查管道，安装泄漏报警器实验安全操作规范实验前准备实验过程安全要点•熟悉实验原理和操作步骤•了解所用化学品的危险特性•检查设备完好性•穿戴合适的防护装备（实验服、护目镜、手套）•确认实验室通风设施正常工作•清理工作台，移除无关物品•准备合适的灭火器材和应急设备•严禁在实验室内吸烟、饮食•避免单独进行危险实验•明火实验时控制周围可燃物•易燃液体远离火源，用量最小化•气体实验检查管路连接无泄漏•定期通风换气•遵循标准操作程序，不擅自改变实验条件实验室应急处理流程化学品泄漏发现火情使用合适的中和剂或吸附材料处理；避免接触和吸入；必要时佩戴呼吸防护设备小火尝试使用灭火器扑灭；大火立即报警，启动火灾报警系统，组织疏散家庭及日常防火防爆知识厨房安全厨房是家庭火灾的高发区•烹饪时不要离开，特别是油锅加热时•燃气灶使用后及时关闭气源•定期检查燃气管道是否老化、接头是否松动•安装燃气泄漏报警器•油锅起火不可用水扑救，应盖锅盖或使用灭火毯电气安全电气火灾占家庭火灾的主要部分•避免电器长时间工作或过载使用•不使用劣质充电器和电源线•外出时关闭非必要电器电源•定期检查线路，发现老化及时更换•电气火灾应先切断电源再灭火灭火器使用家庭灭火器的正确使用•建议每户配备1-2个干粉灭火器•放置在便于取用且远离火源的地方•定期检查压力表，确保在绿区•使用时对准火源根部，左右扫射•灭火器有效期一般为10年，过期应更换燃烧与爆炸在现代科技中的应用航空航天推进内燃机技术火箭发动机利用燃料（如液氢）与氧化剂汽车发动机通过控制汽油或柴油与空气的（如液氧）的燃烧反应产生高温高压气混合比例，在密闭气缸内燃烧，将化学能体，通过喷管加速排出，根据牛顿第三定转化为机械能律产生推力四冲程发动机的工作循环进气、压缩、固体火箭推进剂在燃烧时不需要外部氧做功（燃烧膨胀）、排气，通过精确控制气，燃料和氧化剂混合在一起，适合作为燃烧时间提高效率，减少污染助推器或军事用途烟花爆竹技术烟花通过控制燃烧和微型爆炸，结合金属盐产生不同颜色的光锶盐产生红色，铜盐产生蓝色，钡盐产生绿色现代烟花制作技术注重安全性和环保性，开发低污染、低噪音的新型配方，以减少对环境的影响燃烧与爆炸前沿及未来研究清洁燃烧技术新型能源与材料科学家正致力于开发更清洁、更高效的燃烧技术•MILD燃烧（中温无火焰燃烧）降低NOx排放•富氧燃烧技术提高燃烧效率，便于碳捕集•催化燃烧在较低温度下完成燃烧，减少有害物质生成•超声波辅助燃烧优化燃料雾化和混合过程这些技术旨在减少传统燃烧过程中的污染物排放，提高能源利用效率，推动能源系统向低碳化转型总结与思考基本原理回顾安全意识与实践燃烧是一种放热氧化反应，需要可燃物、安全永远是第一位的在实验室、工业生助燃物和着火源三个条件爆炸是能量在产和日常生活中，都应严格遵守安全操作极短时间内剧烈释放的现象，具有能量释规程，加强风险意识，做好预防措施放速率高、压力变化大的特点事故案例分析表明，绝大多数燃烧爆炸事理解燃烧与爆炸的基本原理，有助于我们故都是可以预防的安全不是口号，而是在日常生活和科学研究中安全、有效地利需要切实落实到每一个具体行动中用这些自然现象未来展望随着科技的发展，燃烧与爆炸科学将继续为人类文明进步服务更清洁的燃烧技术、更安全的爆炸应用、更高效的能源转换系统，都将成为未来研究的重点方向作为新一代科技工作者，应当既敬畏自然力量，又善于驾驭科学规律，为人类可持续发展贡献智慧和力量。