r SDRUŽENí POŽÁRNíHO A BEZPEČNOSTNíHO INžENÝRSTVí. JAROSLAV K,\LOUSEK,.,.,. ZAKLADY FYZIKALNI CHEMIE HORENí, VÝBUCHU A HAŠENí EDICESPBI SPEKTRUM
OBSAH. strana 1. FyzikálnÍ chemie v požární ochranč a bezpečnosti prumyslu 1 1.1. Termodynamika l 1.2. Kinetika 2 1.3. Fyzikální, koloidní a povrchová chemie 3 2. Plyny 4 2.1. Ideální plyn 4 2.2. Reálné plyny 5 3. Tepelné kapacity 8 4. Energetika procesu horení a výbuchu 12 4.1. Formulace a rozbor l. vety termodynamické 13 4.2. Práce ideálního a reálného plynu 14 4.3. Teplo za stálého tlaku a stálého objemu. Entalpie. 17 4.3.1. TemlOdynamické definice molových tepe!. Rozdíl Cp - cv 17 4.4. Ohrev a ochlazováni ochlazování látek 18 4.5. Reakční tepla 20 4.5.1. ReakčnÍ tepla za stálého tlaku a objemu 20 4.5.2. Tennochemické zákony. Výpočet reakčních tepe!. 22 4.5.3. Závislost reakčního tepla na teplote. Kirchhoffovy rovnice 24 4.5.3.1. Výpočet závislosti reakčního tepla na teplotč 26 4.5.4. Teoretická reakční teplota 27 4.5.5. Príklad tabelace tem10dynamických dat 29 5. Rovnovážné stavy 30 5.1. Charakteristika rovnovážných stavu 30 5.2. 2. veta termodynamická. Camotuv kruhový cyklus 31 5.3. Entropie. Zmeny entropie 33 5.4. Termodynamické potenciály. Gibbsova a Helmholtzova energie 36 5.5. Gibbs-Helmholtzovy rovnice 37 5.6. Rovnovážné stavy 40 5.6.1. Rovnovážné konstanty 40 5.6.2. Rovnice reakčni izotenny 41 5.6.3. Závislost rovnovážné konstanty na teplote. Rovnice reakční izobary a izochory 42 5.6.4. Vliv tlaku, inertních složek a koncentrace reagujících složek na rovnováhu 43
5.6.5. Disociační stupeň. Výpočet rovnovážného složeni pro reakci s účastí plynné fáze 44 5.7. Fyzikální rovnováhy 47 5.7.1. Vyparování čistých kapalin. Rovnice Clausius- -Clapeyronova 47 5.7.2. Empirická pravidla pro výpočet tlaku nasycených par a teplot varu kapalin 50 5.7.3. Roztoky. Složení roztoku 51 5.7.4. Vyparováni kapalin z roztoku. RaouItuv zákon 52 5.7.5. Destilace 55 6. Kinetika homogenních reakci horeni a výbuchu 58 6.1. Kinetika homogenních chemických reakcí 58 6.1.1. Základní kínetické pojmy 58 6.1.2. Závislost koncentrace reagujících látek na čase 59 6.2. Reakce prvého rádu 59 6.3. Prehled kinetických rovnic reakci ruzných rádu 63 6.4. Kínetika simultánních reakcí 64 6.5. Závislost reakčni rychlosti na teplote 66 6.6. Teorie reakční rychlosti 67 6.6.1. Srážková teorie reakčni rychlosti 67 6.6.2. Teorie aktivovaného komplexu 68 7. Kinetika heterogennich dčju pri horeni a vý'buchu 71 7. I. Charakteristika heterogenní kinetiky 71 7.2. Difuze 71 7.2.1. 1. Fickuv zákon 72 7.2.2. 2. Fickuv zákon 72 7.2.3. Rychlosti difuze 73 7.2.4. Difuzivity látek 74 7.3. Adsorpce 75 7.3.1. Charakteristika adsorpce 75 7.3.2. Adsorpce plynu v tuhé fázi 76 7.4. Modely heterogenních deju 78 7.4.1. Difuze, následovaná chemickou reakcí na mezifázovém rozhraní 79 7.4.2. Chemická reakce adsorbované látky na tuhém povrchu 81 7.4.3. Kínetika vyparování kapalin difuzí 81 8. Termodynamické charakteristiky výbušnin a horiavin 84 8.1. Memý objem plynu 84 8.2. Síla výbušiny. MaximáIní výbuchový tlak 84 8.3. Produkty výbuchových reakcí 86 8.3.1. Složení výbllchových produktu 86 8.3.1.1. Kyslíková bilance a kyslíkový koeficient 86
8.3.1.2. Rovnovážný stav výbuchových produktu 88 8.4. Výbuchové teplo 95 8.4.1. Vý'buchová teplota a metody výpočtu. 96 8.5. Ten110chemické charakteristiky hoflavin a paliv 99 8.5.1. Složeni horiavin a produkty horení. Kour 99 8.5.2. Mčmé spal né teplo požáru 100 8.5.3. Mčmé teplo požáru 102 8.5.4. Množství kyslíku a vzduchu pro horení. Množství spalin. Prebytek vzduchu 102 9. Horení a výbuch v plynn)'ch smčsích 108 9.1. Závislost reakční rychlosti na tlaku 108 9.2. Závislost reakční rychlosti na složení reakční smčsi pri stálém tlaku 109 9.3. Charakteristika mechanismu a kinetika reakcí 110 9.4. Teorie i'etčzového samovznícení a výbuchu 111 9.4.1. Mechanismus i'etčzových reakci 111 9.4.2. Teorie i'etčzových reakci 114 9.4.2.1. Indukční perioda retčzové reakce 117 9.5. Meze vznícení 118 9.5.1. Teorie dolní a homí tlakové me ze 119 9.6. Teoríe tepelného samovznícení (tepelného výbuchu) 120 9.6.1. vývoj tepla pri chemických reakcích 120 9.6.2. lzotermní adiabatický prubčh chemických reakci 121 9.6.3. Tepelné samovznícení pi'i odvodu tepla z reagující sou stavy 123 9.6.4. Teplota samovznícení a ov]ivňujíci faktory 125 9.6.5. Indukční perioda tepelného samovznícení 128 9.6.6. Samovznícení a samozapálení. Samozápalné látky. Vynucený zážeh 129 9.6.7. Vznícení hoflavin. Iniciace výbušin 130 9.6.8. Principy metod výpočtu nestacionámích stavu 133 10. Plamen a horení 134 10.1. Fyzíká]ní a chemická charakteristika plamene 134 10.2. Difuzní a kinetické plameny 135 10.3. Laminámí a turbulentní plamen 137 10.4. Teoretická teplota plamene 139 10.5. Rozložení tep lot v plameni 140 10.6. Rychlost šírení plamene v plynných smčsích 140 11. Výbušnost a jcjí potlačení 143 II.]. Empirická pravidla pro výpočet koncentračních mezí výbušnosti plynných a prašných smčsí 143 11.2. Potlačení výbušnosti inertní prímčsi ]47
12. Horení v prašných smesích, kapalinách a tuh}'ch látkách 150 12.1. Horení a výbuch prašných smesí 150 12.2. Horení kapalin 151 12.3. Horení tuhých látek 152 13. Výbuch a detonace 155 13.1. Mechanisl11usvýbušných premen 155 13.2. Druhy výbušných premen 155 13.3. Explozívní horení 157 13.4. Prechod explozívního horení ve výbuch 159 13.5. Rázová vlna 160 13.5.1. Vznik a šírení rázové vlny 160 13.5.2. Rychlost rázové vlny 161 13.5.3. Stavová rovnice rázové vlny (Rankin - Hugoniotova adiabata) 163 13.5.4. Stavová rovnice detonační vlny. Hydrodynamika teorie detonace 164 13.5.4.1. Výpočet tlaku a teplot rázové a detonační vlny 168 14. Základy fyzikální chemie mih, dýmu, pen, prašných smesí a adsorbčních jevu na fázovém rozhraní 171 14.1. Obecná charakteristika a pojmy 171 14.2. Stupeň disperzity. Distribuční krivky 172 14.3. Sedimentace dispergovaných částic. Sedimentační rovnováha 174 14.4. Elektrický náboj dispergovaných částic. Vliv náboje na 14.5. koagulaci Adsorpce z roztoku. Gibbsova adsorbční izoterma 175 176 14.6. Povrchové napetí a smáčivost 178 14.7. Peny 180 15. Fyzikálnč-chemické princípy hašení požáru 181 15.1. Tepelný režim a teplota horení pn požáru. Hlavní faktory požáru 181 15.2. Mechanisl11USprerušení horení. Hasební prostredky 182 15.3. Metody prerušení horení. Hašení požáru 183 15.3.1. Hašení ochlazováním pásma horení 184 15.3.2. Hašení zfeďováním reagujících látek 184 15.3.3. Hašení zpol11alovánímreakce horení. Hašení halogeny 185 15.3.4. Hašení izolací reagujících látek. Hašení penami a prášky 186 15.3.5. HašenÍ prášky 187 15.3.5.1. Topochemické reakce 188 15.3.5.2. Kinetika topochemických reakcí 190 A. Matematický dodatek 192 B. Nčkteré jednotky a veličiny 199 Literatura 201