2025年燃燒與爆炸理論期末考試試題(含答案)一、名詞解釋（每題4分，共24分）1.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：在燃燒或爆炸過(guò)程中，通過(guò)自由基（如H·、OH·等活性中間體）的產(chǎn)生、傳遞和銷毀實(shí)現(xiàn)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行的過(guò)程。反應(yīng)分為鏈引發(fā)（自由基生成）、鏈傳遞（自由基與分子反應(yīng)生成新自由基）和鏈終止（自由基復(fù)合或被器壁捕獲）三個(gè)階段，是多數(shù)可燃?xì)怏w燃燒的核心反應(yīng)機(jī)制。2.爆炸極限：可燃?xì)怏w（或蒸氣、粉塵）與空氣（或氧氣）的混合物在一定條件下能夠發(fā)生爆炸的濃度范圍，包括下限（LEL）和上限（UEL）。低于下限，可燃物不足；高于上限，氧氣不足，均無(wú)法維持爆炸反應(yīng)。3.熱自燃：可燃物質(zhì)在無(wú)外界火源作用下，因自身氧化放熱或環(huán)境加熱導(dǎo)致溫度逐漸升高，當(dāng)放熱速率超過(guò)散熱速率時(shí)，溫度急劇上升引發(fā)的自發(fā)燃燒現(xiàn)象。其臨界條件由熱平衡方程（如Sememov方程）決定。4.火焰?zhèn)鞑ニ俣龋侯A(yù)混可燃?xì)怏w中，火焰面相對(duì)于未燃?xì)怏w的移動(dòng)速度（法向速度），單位為m/s。分為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋o(wú)擾動(dòng)時(shí)的固有速度）和湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋ㄊ芡牧髟鰪?qiáng)后的實(shí)際速度），是衡量燃燒強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)。5.粉塵云最小點(diǎn)火能：在特定實(shí)驗(yàn)條件下（如粉塵濃度、粒度、分散狀態(tài)），能夠引燃粉塵云的最小能量（單位：mJ）。通常通過(guò)電容放電點(diǎn)火裝置測(cè)試，是評(píng)估粉塵爆炸危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)。6.爆轟波：伴有化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)沖擊波，傳播速度高于聲速（通常2000-3000m/s）。其特征是波前為沖擊波壓縮未燃?xì)怏w，波后為高溫高壓燃燒產(chǎn)物，通過(guò)沖擊波與化學(xué)反應(yīng)的耦合維持自持傳播，是爆炸的最高強(qiáng)度形式。二、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述熱爆炸理論的基本假設(shè)及臨界條件。答案：熱爆炸理論（以Sememov模型為例）的基本假設(shè)：（1）系統(tǒng)內(nèi)溫度均勻（忽略溫度梯度）；（2）反應(yīng)放熱速率僅與溫度有關(guān)（阿倫尼烏斯定律）；（3）散熱速率與系統(tǒng)和環(huán)境的溫差成正比（牛頓冷卻定律）；（4）反應(yīng)過(guò)程中系統(tǒng)體積不變（密閉容器）。臨界條件為放熱速率曲線與散熱速率曲線相切，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定與非穩(wěn)定的邊界狀態(tài)。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\[\frac{E}{RT_c^2}QVkc_0e^{-E/(RT_c)}=hA\]\[QVkc_0e^{-E/(RT_c)}=hA(T_c-T_0)\]其中，\(T_c\)為臨界溫度，\(E\)為活化能，\(Q\)為反應(yīng)熱，\(V\)為體積，\(k\)為速率常數(shù)，\(c_0\)為初始濃度，\(h\)為傳熱系數(shù)，\(A\)為表面積，\(T_0\)為環(huán)境溫度。當(dāng)系統(tǒng)溫度超過(guò)\(T_c\)時(shí)，放熱速率大于散熱速率，發(fā)生熱自燃。2.預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ膬煞N主要機(jī)制是什么？分別說(shuō)明其特點(diǎn)。答案：預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ膬煞N機(jī)制為熱傳導(dǎo)機(jī)制和擴(kuò)散機(jī)制（鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)制）。（1）熱傳導(dǎo)機(jī)制：火焰通過(guò)熱傳導(dǎo)將高溫燃燒產(chǎn)物的熱量傳遞給未燃?xì)怏w，使其溫度升高至著火溫度，引發(fā)燃燒。該機(jī)制主導(dǎo)低活性燃料（如甲烷）的層流火焰?zhèn)鞑?，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低（約0.3-0.5m/s），火焰面較厚（數(shù)毫米）。（2）擴(kuò)散機(jī)制：火焰通過(guò)活性自由基（如H·、OH·）的擴(kuò)散，進(jìn)入未燃?xì)怏w并引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，加速燃燒。該機(jī)制主導(dǎo)高活性燃料（如氫氣）的火焰?zhèn)鞑ィ鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣容^高（氫氣可達(dá)2.6m/s），火焰面更?。▉喓撩准?jí)）。實(shí)際火焰?zhèn)鞑ネǔＪ莾煞N機(jī)制的共同作用，但擴(kuò)散機(jī)制對(duì)高反應(yīng)性燃料的貢獻(xiàn)更顯著。3.簡(jiǎn)述影響可燃?xì)怏w爆炸極限的主要因素，并說(shuō)明其作用規(guī)律。答案：影響爆炸極限的主要因素及規(guī)律：（1）溫度：溫度升高，爆炸下限降低，上限升高（如甲烷在20℃時(shí)LEL=5.3%，100℃時(shí)LEL=4.4%）。原因是溫度升高促進(jìn)燃料蒸發(fā)和自由基生成，擴(kuò)大可燃范圍。（2）壓力：壓力升高，上限顯著升高（如甲烷在1atm時(shí)UEL=15%，10atm時(shí)UEL=29%），下限變化較小。高壓下分子碰撞頻率增加，反應(yīng)更易維持；壓力降低至臨界值（如甲烷在0.5atm以下）時(shí)，上限急劇下降，甚至無(wú)爆炸危險(xiǎn)。（3）惰性氣體：加入N?、CO?等惰性氣體，爆炸下限升高，上限降低，甚至消除爆炸危險(xiǎn)（如甲烷中加入15%CO?，LEL升至6.5%，UEL降至10%）。惰性氣體通過(guò)稀釋氧氣、吸收熱量和終止自由基反應(yīng)抑制燃燒。（4）點(diǎn)火能量：點(diǎn)火能量增大，爆炸下限降低（如甲烷用10J點(diǎn)火時(shí)LEL=4.5%，用0.1J點(diǎn)火時(shí)LEL=5.0%）。足夠能量可突破反應(yīng)初始的活化能壁壘，點(diǎn)燃更稀的混合物。（5）容器尺寸：容器直徑減小，爆炸極限范圍縮小（如甲烷在直徑5cm管道中LEL=5.0%，直徑2cm時(shí)LEL=5.5%）。小尺寸容器中自由基易被器壁捕獲（鏈終止增強(qiáng)），抑制反應(yīng)傳播。4.粉塵爆炸的“五階段理論”包括哪些步驟？各階段的關(guān)鍵特征是什么？答案：粉塵爆炸的五階段理論描述了從粉塵云形成到爆炸發(fā)展的全過(guò)程：（1）粉塵云形成：固體粉塵因機(jī)械運(yùn)動(dòng)（如攪拌、氣流）分散在空氣中，形成可燃?xì)夤虄上嗷旌衔?。關(guān)鍵特征是粉塵濃度達(dá)到爆炸下限（通常20-60g/m3，如面粉為30g/m3）。（2）初始點(diǎn)火：外界能量（如靜電火花、摩擦熱）點(diǎn)燃局部粉塵云，產(chǎn)生初始火焰。關(guān)鍵特征是點(diǎn)火能量需超過(guò)粉塵云最小點(diǎn)火能（如鋁粉為10mJ，面粉為500mJ）。（3）火焰?zhèn)鞑ィ撼跏蓟鹧嫱ㄟ^(guò)熱傳導(dǎo)和自由基擴(kuò)散，加熱周圍未燃粉塵，使其表面分解（蒸發(fā)或熱解）產(chǎn)生可燃?xì)怏w（如碳?xì)浞蹓m熱解為CO、H?等），引發(fā)氣相燃燒。關(guān)鍵特征是火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u加快（從0.1m/s增至10m/s）。（4）爆炸壓力上升：燃燒產(chǎn)物快速膨脹，形成沖擊波，壓縮未燃粉塵云，進(jìn)一步提高反應(yīng)速率。關(guān)鍵特征是壓力上升速率（dp/dt）增大（可達(dá)100bar/s），可能引發(fā)二次爆炸（如沉積粉塵被沖擊波揚(yáng)起后再次爆炸）。（5）爆炸終止：粉塵耗盡或氧氣不足，反應(yīng)無(wú)法維持，壓力下降。若在密閉空間，最終壓力由燃燒熱和初始濃度決定（如淀粉粉塵爆炸最大壓力可達(dá)7bar）。5.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)燃燒的三個(gè)階段是什么？各階段對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響如何？答案：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)燃燒分為鏈引發(fā)、鏈傳遞和鏈終止三個(gè)階段：（1）鏈引發(fā)：通過(guò)熱分解、光分解或高能碰撞生成初始自由基（如H?+O?體系中，O?熱解為2O·）。鏈引發(fā)速率決定燃燒啟動(dòng)的難易程度，速率過(guò)低（如低溫）則無(wú)法點(diǎn)火。（2）鏈傳遞：自由基與反應(yīng)物分子反應(yīng)生成新自由基（如H·+O?→OH·+O·；OH·+H?→H?O+H·）。鏈傳遞是反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行的核心，傳遞過(guò)程中自由基數(shù)量可能保持（穩(wěn)定鏈）或增加（支鏈）。支鏈反應(yīng)（如H?燃燒）會(huì)導(dǎo)致自由基指數(shù)增長(zhǎng)，使反應(yīng)速率急劇上升，易引發(fā)爆炸。（3）鏈終止：自由基通過(guò)氣相復(fù)合（如H·+H·+M→H?+M）或器壁捕獲（如H·→器壁表面復(fù)合為H?）銷毀。鏈終止速率影響燃燒的穩(wěn)定性：若終止速率大于傳遞速率（如小尺寸容器），自由基濃度下降，燃燒熄滅；若傳遞速率占優(yōu)，則燃燒持續(xù)或爆炸。三、計(jì)算題（每題10分，共30分）1.某密閉容器中，甲烷-空氣混合物初始溫度\(T_0=298K\)，壓力\(p_0=1atm\)，反應(yīng)熱\(Q=50kJ/g\)（按甲烷質(zhì)量計(jì)），活化能\(E=80kJ/mol\)，體積\(V=1m3\)，表面積\(A=6m2\)，傳熱系數(shù)\(h=5W/(m2·K)\)，甲烷濃度\(c_0=0.05mol/L\)。假設(shè)符合Sememov熱爆炸模型，氣體常數(shù)\(R=8.314J/(mol·K)\)，阿伏伽德羅常數(shù)\(N_A=6.02×10^{23}mol^{-1}\)，計(jì)算該混合物的熱自燃臨界溫度\(T_c\)（保留兩位小數(shù)）。答案：Sememov模型的臨界條件為放熱速率等于散熱速率，且兩者的溫度導(dǎo)數(shù)相等。放熱速率\(w_{放}=QVkc_0\)（\(k=Ae^{-E/(RT)}\)，此處簡(jiǎn)化為\(k=k_0e^{-E/(RT)}\)，通常取\(k_0\)為指前因子，但題目未給出，需通過(guò)臨界條件聯(lián)立方程）。實(shí)際計(jì)算中，Sememov臨界條件的無(wú)量綱形式為：\[\delta_c=\frac{EQVc_0}{hART_c^2}e^{-E/(RT_c)}=1\]\[\theta_c=\frac{E}{RT_c}(T_c-T_0)=2\]（近似臨界值）由\(\theta_c=2\)，得\(T_c-T_0=\frac{2RT_c}{E}\)，代入\(T_0=298K\)，\(E=80000J/mol\)，\(R=8.314\)：\[T_c-298=\frac{2×8.314×T_c}{80000}\]\[T_c-298=0.00020785T_c\]\[0.999792T_c=298\]\[T_c≈298.06K\]（此為近似解，實(shí)際需考慮\(\delta_c=1\)，但因題目參數(shù)不全，簡(jiǎn)化后臨界溫度接近環(huán)境溫度，說(shuō)明該條件下易發(fā)生熱自燃，實(shí)際應(yīng)補(bǔ)充\(k_0\)值精確計(jì)算）。2.某氫氣-空氣混合物在密閉容器中爆炸，初始溫度\(T_0=300K\)，初始?jí)毫(p_0=1bar\)，氫氣濃度為18%（體積分?jǐn)?shù)），假設(shè)完全燃燒生成液態(tài)水（燃燒熱\(\DeltaH=-285.8kJ/mol\)），氣體常數(shù)\(R=8.314J/(mol·K)\)，空氣平均摩爾質(zhì)量\(M=29g/mol\)，忽略爆炸過(guò)程中的熱損失，計(jì)算爆炸后的最大壓力（保留兩位小數(shù)）。答案：氫氣燃燒反應(yīng)式：\(2H?+O?→2H?O(l)\)。（1）計(jì)算初始混合氣體的摩爾組成：1mol混合物中含0.18molH?，0.82mol空氣（含0.82×0.21=0.1722molO?，0.82×0.79=0.6478molN?）。（2）確定反應(yīng)完全程度：H?完全燃燒需O?0.18/2=0.09mol，實(shí)際O?為0.1722mol，O?過(guò)量，H?完全反應(yīng)。（3）反應(yīng)后產(chǎn)物：生成0.18molH?O(l)（液態(tài)，體積可忽略），剩余O?=0.1722-0.09=0.0822mol，N?=0.6478mol，總氣體物質(zhì)的量\(n_2=0.0822+0.6478=0.73mol\)（初始\(n_1=1mol\)）。（4）計(jì)算反應(yīng)釋放的熱量：\(Q=0.18mol×285800J/mol=51444J\)。（5）假設(shè)熱量全部用于加熱氣體產(chǎn)物（忽略液態(tài)水吸熱），根據(jù)\(Q=n_2C_p\DeltaT\)，空氣的定壓摩爾熱容\(C_p≈29.1J/(mol·K)\)，則：\[\DeltaT=\frac{Q}{n_2C_p}=\frac{51444}{0.73×29.1}≈2460K\]最終溫度\(T_2=T_0+\DeltaT=300+2460=2760K\)。（6）爆炸壓力由理想氣體狀態(tài)方程\(p_2=p_0×\frac{n_2T_2}{n_1T_0}=1×\frac{0.73×2760}{1×300}≈6.71bar\)。3.已知甲烷（LEL=5%）、乙烷（LEL=3%）、丙烷（LEL=2.1%）的混合氣體中，體積分?jǐn)?shù)分別為40%、30%、30%，試用LeChatelier法則計(jì)算混合氣體的爆炸下限（保留兩位小數(shù)）。答案：LeChatelier法則公式：\[LEL_{mix}=\frac{1}{\sum\frac{y_i}{LEL_i}}\]其中\(zhòng)(y_i\)為各組分體積分?jǐn)?shù)（小數(shù)），\(LEL_i\)為各組分爆炸下限（體積分?jǐn)?shù)）。代入數(shù)據(jù)：\[\sum\frac{y_i}{LEL_i}=\frac{0.4}{0.05}+\frac{0.3}{0.03}+\frac{0.3}{0.021}=8+10+14.2857≈32.2857\]\[LEL_{mix}=\frac{1}{32.2857}≈0.03097≈3.10\%\]四、綜合分析題（6分）某化工廠發(fā)生一起可燃?xì)怏w泄漏事故，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到甲烷濃度為4.5%（體積分?jǐn)?shù)，環(huán)境溫度25℃，壓力1atm），隨后引發(fā)爆炸。結(jié)合燃燒與爆炸理論，分析事故原因，并提出3條預(yù)防措施。答案：事故原因分析：（1）甲烷濃度接近爆炸下限（甲烷L(zhǎng)EL=5%，25℃時(shí)實(shí)際LEL因溫度升高略有降低，約4.4%），4.5%的濃度已處于爆炸范圍內(nèi)。（2）存在點(diǎn)火