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燃燒

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燃燒的木頭

燃燒(Combustion)是一個快速放熱過程,是可燃物氧化劑相互做氧化還原化學反應時,化學能快速釋放熱能輻射能的過程。由於化學能位能,而熱能輻射能動能,宏觀而言燃燒是位能轉換為動能的過程。

傳熱的速度會造成燃燒定義的灰色地帶——鐵因為有氧化作用可視作氧化不可視為燃燒;而僅傳熱而完全不氧化的電燈泡(電燈泡內無氧)則不是燃燒。[1]

發光發熱的氧化還原反應都可以屬於廣義上的燃燒。

燃燒需要三種要素並存才能發生,分別是可燃物如燃料、助燃物如氧氣、以及溫度要達到燃點。燃燒三要素並稱為火三角。助燃物是燃燒反應中的氧化劑,氧氣是燃燒反應中最常見的助燃物,但其他化合物也可能是助燃物,例如鎂帶可以在二氧化碳中燃燒,此時二氧化碳即為助燃物。

在一個完整的燃燒反應中,一物質和氧化劑(如氧氣、氟氣)反應,其生成物為燃料的各元素氧化反應後的產物。例如:

能量
能量

然而在真實情況下不可能達到完整的燃燒反應。當燃燒反應達到化學平衡時,會產生多種主要和次要產物;例如燃燒時會產生一氧化碳和煤煙。此外,在大氣中發生燃燒反應時,因為大氣中含有78%的氮氣的緣故,會產生各式各樣的氮氧化物氮化物

分類——按能量傳遞方式

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燃燒過程所轉化的能量有兩大傳遞方式:

緩燃

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緩燃(Deflagration)以傳熱方式、低於音速地燃燒,日常絕大部份火災皆屬緩燃,可以有但不必全有光(即火焰)、熱、煙。低於音速的爆炸亦屬緩燃。與另一大能量傳遞方式都有俗稱爆燃而彼此混淆。而悶燒(Smouldering)特指冒但沒光(即沒火焰)的火。

爆轟

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爆轟(Detonation)以衝擊波方式、超音速燃燒。超音速的爆炸亦屬爆轟。與另一大能量傳遞方式都有俗稱爆燃而彼此混淆。

緩燃向爆轟轉捩

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緩燃向爆轟轉捩英語deflagration to detonation transition(DDT,Deflagration to detonation transition)

分類——按化學反應是否完整

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完全燃燒

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甲烷的燃燒

完全燃燒是指燃料和充量的助燃物完全進行燃燒反應。當碳氫化合物在氧氣中燃燒時,一般會產生二氧化碳。化學元素在燃燒時多半會生成氧化物﹐例如碳會變成二氧化碳﹐硫會變成二氧化硫﹐鐵會變成氧化鐵。若助燃物是氧氣時,氮一般是視為不會燃燒,但若助燃物是空氣時,會形成少量的氮氧化物NO
x
)。

燃燒後的產物不一定是氧化數最高的氧化數,而且形成的氧化數和溫度有關。例如將硫在空氣中燃燒,不容易形成三氧化硫。在溫度超過2,800 °F(1,540 °C)時,會開始產生NO
x
,更高溫時的NO
x
更多。NO
x
的量也會隨氧過量的比例而變[2]

不完全燃燒

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如氧氣不足(即不完全燃燒),則產生一氧化碳,足以在一至兩個小時導致一般住宅空間內人員昏迷[3]

本質

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連鎖反應理論

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近代的連鎖反應理論將燃燒解釋為游離基連鎖反應,在反應過程中發光、放熱。這個理論將燃燒的連鎖反應分為三個階段:「鏈引發」、「鏈傳遞」、「鏈終止」。

鏈引發階段即產生游離基並形成反應鏈的階段。產生游離基的方法有很多,包括但不限於點燃光照輻射催化加熱。少數物質間會自發化合引發燃燒,如氟氣氫氣在冷暗處就能劇烈燃燒引發爆炸。

鏈傳遞階段,游離基反應的同時又產生更多的游離基,使燃燒持續甚至擴大。

鏈終止階段,游離基失去能量或者所有物質反應盡,沒有新游離基產生而使反應鏈斷裂,反應結束。

參見

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參考

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  1. ^ 吳玉祥. 消防工程. 五南圖書出版股份有限公司. 2005: 17 [2014-03-27]. ISBN 978-957-11-3936-4. (原始內容存檔於2014-09-25). 
  2. ^ The formation of NOx頁面存檔備份,存於互聯網檔案館). Alentecinc.com. Retrieved on 2010-09-28.
  3. ^ 103年警察特考三等消防警察. 104年一般警察四等行政警察人員歷年試題合輯. 千華數位文化. 2015: 191.