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化学燃烧反应与汽车发动机的关系

 澳洲梁博士 2017-06-26


大家都知道,汽车的动力最终来自于汽油分子在汽缸中的燃烧所产生的化学燃烧热:当汽缸内的汽油和空气的混合物受到活塞的机械压缩时,混合物体积缩小而温度则迅速增加(P1V1T2=P2V2T1),迫使正常沸点仅为99.3oC的异辛烷(C8H18 )汽油从液体状态气化成气体状态。


气态的汽油气体分子迅速扩散,与空气中的氧气分子即能充分混合。一旦当汽缸内混合气体压缩达到最大值时(压缩率约10~12:1),此时的温度也达到最高值(200oC以上),汽油气体与氧气当然也混合得最为均匀,此时此刻,气缸内的火花塞在4万伏极高脉冲电压条件下,电极间的混合空气会出现电击穿现象,由此产生的电火花就能即刻引发了汽油气体分子与空气中的氧气分子之间的链锁化学反应,从而产生出大量的燃烧反应热(5.46 MJ/mol)


2 C8H18  25 O= 16 CO2  18 H2O


化学燃烧所产生的大量热量迫使燃烧反应所产生的气体温度迅速升高至700oC以上,气体分子运行速率(v)加快,平均动能(E=3/2kT=0.5mv2)快速增加,对汽缸活塞产生快速而强烈的持续碰撞,由此所产生的几十个大气压的气体压力(P)对活塞产生了巨大的推力(F=PS),强致推动活塞机械向下运动做功,通过曲轴带动飞轮做圆周旋转运动,最后通过变速箱变速驱动汽车前进。


值得一提的是,这个化学燃料反应虽然在热力学上而言是个自发放热反应,但动力学上说,这个反应还是需要一个反应活化能(约70 kJ/mol), 这个由火花塞火花所产生的热能,即是一个帮助这个燃烧化学反应克服这个反应势垒的活化能,一旦这个反应障碍被电火花所产生的能量所克服,由此所产生的最终燃烧反应热就使得这个自发化学反应变成一个自动加速反应,能在极短的时间内完成整个燃烧氧化反应,由此所产生的快速暴发力驱动汽车加速向前!

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