Под теплотворной способностью понимают теплоту полного сгорания единицы массы вещества. В ней учитываются потери тепла, связанные с диссоциацией продуктов сгорания и незавершенностью химических реакций горения. Теплотворная способность – это максимально возможная теплота сгорания единицы массы вещества.

Определяют теплотворную способность элементов, их соединений и топливных смесей. Для элементов она численно равна теплоте образования продукта сгорания. Теплотворная способность смесей является аддитивной величиной и может быть найдена, если известна теплотворная способность компонентов смеси.

Горение происходит не только за счет образования оксидов, поэтому в широком смысле можно говорить о теплотворной способности элементов и их соединений не только в кислороде, а и при взаимодействии с фтором, хлором, азотом, бором, углеродом, кремнием, серой и фосфором.

Теплотворная способность является важной характеристикой. Она позволяет оценить и сравнить с другими максимально возможное тепловыделение той или иной окислительно-восстановительной реакции и определить по отношению к нему полноту протекания реальных процессов горения. Знание теплотворной способности необходимо при выборе компонентов топлив и смесей различного назначения и при оценке их полноты сгорания.

Различают высшую H в и низшую H н теплотворные способности. Высшая теплотворная способность в отличие от низшей включает теплоту фазовых превращений (конденсации, затвердевания) продуктов сгорания при охлаждении до комнатной температуры. Таким образом, высшая теплотворная способность – это теплота полного сгорания вещества, когда физическое состояние продуктов сгорания рассматривается при комнатной температуре, а низшая – при температуре горения. Высшую теплотворную способность определяют сжиганием вещества в калориметрической бомбе или расчетным способом. Она включает в себя, в частности, теплоту, выделяющуюся при конденсации паров воды, которая при 298 К равна 44 кДж/моль. Низшую теплотворную способность рассчитывают без учета теплоты конденсации паров воды, например по формуле

где % Н – процентное содержание водорода в топливе.

Если при значениях теплотворной способности указывается физическое состояние продуктов сгорания (твердое, жидкое или газообразное), в этом случае индексы "высшая" и "низшая" обычно опускаются.

Рассмотрим теплотворную способность углеводородов и элементов в кислороде, отнесенную к единице массы исходного горючего. Низшая теплотворная способность отличается от высшей у парафинов в среднем на 3220-3350 кДж/кг, у олефинов и нафтенов – на 3140-3220кДж/кг, у бензола – на 1590 кДж/кг. При экспериментальном определении теплотворной способности следует иметь в виду, что в калориметрической бомбе вещество сгорает при постоянном объеме, а в реальных условиях – часто при постоянном давлении. Поправка на разность условий горения составляет для твердого топлива от 2,1 до 12,6, для мазута – около 33,5, бензина – 46,1 кДж/кг, а для газа достигает 210 кДж/м3. Практически эту поправку вводят только при определении теплотворной способности газа.

У парафинов теплотворная способность уменьшается с увеличением температуры кипения и увеличением отношения С/H. У моноциклических алициклнческих углеводородов это изменение значительно меньше. В ряду бензола теплотворная способность возрастает при переходе к высшим гомологам за счет боковой цепи. Двуядерные ароматические углеводороды имеют более низкую теплотворную способность, чем ряд бензола.

Всего лишь несколько элементов и их соединений имеют теплотворную способность, превышающую теплотворную способность углеводородных горючих. К числу этих элементов относятся водород, бор, бериллий, литий, их соединения и несколько элементорганических соединений бора и бериллия. Теплотворная способность таких элементов, как сера, натрий, ниобий, цирконий, кальций, ванадий, титан, фосфор, магний, кремний и алюминий, лежит в пределах 9210-32 240 кДж/кг. У остальных элементов периодической системы теплотворная способность не превышает 8374 кДж/кг. Данные по высшей теплотворной способности различного класса горючих приведены в табл. 1.18.

Таблица 1.18

Высшая теплотворная способность различных горючих в кислороде (отнесенная к единице массы горючего)

Вещество
Оксид углерода
изо-Бутан
н-Додекан
н-Гексадекан
Ацетилен
Циклопентан
Циклогексан
Этилбензол
Бериллии
Алюминий
Цирконий
Гидрид бериллия
Пснтаборан
Метаадиборан
Этилдиборан

Для жидких углеводородов, метанола и этанола теплотворная способность приведена для жидкого исходного состояния.

Теплотворная способность некоторых горючих была рассчитана на ЭВМ. Она составляет для магния 24,75 и алюминия 31,08 кДж/кг (состояние оксидов – твердое) и практически совпадает с данными табл. 1.18. Высшая теплотворная способность парафина C26H54, нафталина С10H8, антрацена С14Н10 и уротропина C6H12N4 составляет соответственно 47,00, 40,20, 39,80 и 29,80, а низшая – 43,70, 39,00, 38,40 и 28,00 кДж/кг.

В качестве примера, применительно к ракетным топливам, приведем теплоты сгорания различных элементов в кислороде и фторе, отнесенные к единице массы продуктов сгорания. Теплоты сгорания рассчитаны для состояния продуктов сгорания при температуре 2700 К и приведены на рис. 1.25 и в табл. 1.19.

Puc. 1.25. Теплота сгорания элементов в кислороде (1) и фторе (2), рассчитанная на килограмм продуктов сгорания

Как следует из приведенных данных, для получения максимальных теплот сгорания наиболее предпочтительны вещества, содержащие водород, литий и бериллий, а во вторую очередь – бор, магний, алюминий и кремний. Преимущество водорода вследствие малого молекулярного веса продуктов сгорания очевидно. Следует отметить преимущество бериллия вследствие большой теплоты сгорания.

Есть возможность образования смешанных продуктов сгорания, в частности газообразных оксифторидов элементов. Поскольку стабильными обычно являются оксифториды трехвалентных элементов, большинство оксифторидов не эффективны как продукты сгорания ракетных топлив из-за большого молекулярного веса. Теплота сгорания с образованием COF2 (г.) имеет промежуточное значение между теплотами сгорания СO2 (г.) и CF4 (г.). Теплота сгорания с образованием SO2F2 (г.) больше, чем в случае образования SO2 (г.) или SF6; (г.). Однако в большинстве ракетных топлив содержатся элементы с большой восстанавливающей способностью, которые предотвращают образование подобных веществ.

При образовании оксифторида алюминия AlOF (г.) выделяется меньше тепла, чем при образовании оксида или фторида, поэтому он не представляет интереса. Оксифторид бора BOF (г.) и его тример (BOF)3 (г.) являются довольно важными компонентами продуктов сгорания ракетных топлив. Теплота сгорания с образованием BOF (г.) имеет промежуточное значение между теплотами сгорания с образованием оксида и фторида, по оксифторид термически более стабилен, чем каждое из этих соединений.

Таблица 1.19

Теплоты сгорания элементов (в МДж/кг), отнесенные к единице массы продуктов сгорания (Т = 2700 К)

			оксифторид
Бериллий
Кислород
Алюминий
Цирконий

При образовании нитридов бериллия и бора выделяется достаточно большое количество тепла, что позволяет отнести их к важным компонентам продуктов сгорания ракетных топлив.

В табл. 1.20 приведена высшая теплотворная способность элементов при взаимодействии их с различными реагентами, отнесенная к единице массы продуктов сгорания. Теплотворная способность элементов при взаимодействии с хлором, азотом (кроме образования Ве3N2 и BN), бором, углеродом, кремнием, серой и фосфором значительно меньше теплотворной способности элементов при взаимодействии с кислородом и фтором. Большое разнообразие требований, предъявляемых к процессам горения и реагентам (по температуре, составу, состоянию продуктов сгорания и др.), делает целесообразным использование данных табл. 1.20 при практической разработке топливных смесей того или иного назначения.

Таблица 1.20

Высшая теплотворная способность элементов (в МДж/кг) при взаимодействии с кислородом, фтором, хлором, азотом, отнесенная к единице массы продуктов сгорания

• См. также: Joulin С., Clavin Р. Op. cit.

Прежде всего, определимся с терминами, поскольку вопрос поставлен не вполне корректно.

, и списка «тип кабеля – величина в МДж/м 2 » вы не найдете, его нет и быть не может. Удельная пожарная нагрузка рассчитывается для помещения , в котором проложены разные типы и количества кабеля, причем учитывается, какую площадь они занимают. Именно поэтому размерность удельной пожарной нагрузки – Джоули (Мегаджоули) на квадратный метр.

В расчете удельной пожарной нагрузки фигурируют количества разных материалов, создающих эту пожарную нагрузку – фактически, все то, что может гореть. Вы пишете про вес одного погонного метра кабеля, но на самом деле учитывать нужно массу горючих составляющих в кабеле, а не весь кабель. Именно горючая масса формирует пожарную нагрузку – в основном это изоляция кабелей.

К формулировке третьего пункта поправок нет, она корректна.

Все эти термины, показатели и величины используются в «Методе определения категорий помещений В1 – В4», как его описывают документы МЧС «Об утверждении свода правил "Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности», обязательное Приложение Б. Тот же подход используется и в других нормативных документах, в том числе в ведомственных инструкциях. Далее приводим выдержки из документа, относящиеся к вашему вопросу, и наши комментарии.

По взрывопожарной и пожарной опасности помещения подразделяются на категории А, Б, В1 – В4, Г и Д, а здания – на категории А, Б, В, Г и Д.

[Комментарий раздела консультаций]: в вашем вопросе речь о помещении, даем классификацию для них.

Категория помещения	Характеристика веществ и материалов, находящихся (обращающихся) в помещении
А повышенная взрывопожароопасность	Горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки не более 28°C в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные парогазовоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа, и (или) вещества и материалы, способные взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом, в таком количестве, что расчетное избыточное давление взрыва в помещении превышает 5 кПа.
Б взрывопожароопасность	Горючие пыли или волокна, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки более 28°C, горючие жидкости в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные пылевоздушные или паровоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа.
В1 – В4 пожароопасность	Горючие и трудногорючие жидкости, твердые горючие и трудногорючие вещества и материалы (в том числе пыли и волокна), вещества и материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть, при условии, что помещения, в которых они находятся (обращаются), не относятся к категории А или Б.
Г умеренная пожароопасность	Негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени, и (или) горючие газы, жидкости и твердые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива.
Д пониженная пожароопасность	Негорючие вещества и материалы в холодном состоянии.

Отнесение помещения к категории В1, В2, В3 или В4 осуществляется в зависимости от количества и способа размещения пожарной нагрузки в указанном помещении и его объемно-планировочных характеристик, а также от пожароопасных свойств веществ и материалов, составляющих пожарную нагрузку.

[Комментарий раздела консультаций]: к вашему случаю относятся категории В1 – В4, пожароопасность. Причем велика вероятность, что ваше помещение будет отнесено к категории В4, но это должно быть подкреплено расчетами.

Методы определения категорий помещений В1 – В4

Определение категорий помещений В1 – В4 осуществляют путем сравнения максимального значения удельной временной пожарной нагрузки (далее – пожарная нагрузка) на любом из участков с величиной удельной пожарной нагрузки, приведенной в таблице:

Удельная пожарная нагрузка и способы размещения для категорий В1 – В4

При пожарной нагрузке, включающей в себя различные сочетания (смесь) легковоспламеняющихся, горючих, трудногорючих жидкостей, твердых горючих и трудногорючих веществ и материалов в пределах пожароопасного участка пожарная нагрузка Q (в МДж) определяется по формуле:

– количество i -го материала пожарной нагрузки, кг;

– низшая теплота сгорания i -го материала пожарной нагрузки, МДж/кг.

(в МДж/м 2) определяется как отношение рассчитанной пожарной нагрузки к занимаемой площади:

где S – площадь размещения пожарной нагрузки, м 2 , не менее 10 м 2 .

Часть 2. Практика применения

Для выполнения расчетов необходимо определить массу в кг для каждого горючего материала, который будет находиться в помещении. Строго говоря, для этого необходимо знать, сколько изоляции и других горючих компонентов находится в каждом метре кабеля соответствующего типа, а метраж взять из вашего проекта. Но обычные спецификации на продукцию в лучшем случае содержат погонный вес в г/м или кг/км для кабеля как единого целого, его формируют все элементы, включая негорючие. Из нетто-величины исключена только упаковка – катушка или коробка.

В оптических кабелях, не имеющих брони или встроенных несущих металлических тросов, с этим можно согласиться и использовать погонный вес в расчетах как есть, сознательно пренебрегая массой кварцевого волокна, поскольку она невелика. Вот, например, погонные веса для универсальных кабелей XGLO™ и LightSystem с плотным буфером, предназначенных для внутреннего/внешнего применения (артикул начинается с символов 9GD (X)H ......, такие кабели есть в вашем списке):

Кол-во волокон	Погонный вес, кг/км
4	23
6	25
8	30
12	35
16	49
24	61
48	255
72	384

А это таблица для кабелей XGLO™ и LightSystem со свободным буфером, тоже предназначенных для внутреннего/внешнего применения (артикул начинается с символов 9GG (X)H ......):

Кол-во волокон	Погонный вес, кг/км
2	67
4	67
6	67
8	67
12	67
16	103
24	103
36	103
48	115
72	115
96	139
144	139

Так, если в помещении проложен участок длиной 25 м из десяти кабелей по 24 волокна каждый, их суммарный вес составит 15,25 кг для кабеля с плотным буфером и 25,75 кг для кабеля со свободным буфером. Как видите, цифры могут отличаться, и для больших количеств кабеля разница может оказаться весьма существенной.

В бронированных же оптических кабелях и в медных кабелях витая пара значительная доля погонного веса формируется массой металла, и тогда разброс цифр и отличие погонного веса от содержания горючих веществ может быть еще больше. К примеру, вес нетто 1 км кабеля витая пара может варьироваться от 21 кг до 76 кг в зависимости от категории, производителя и наличия/отсутствия экрана и других конструктивных элементов. При этом простой расчет показывает, что для категории 5е с диаметром жилы 0,511 мм минимальный вес меди в 1 км (8 проводников, плотность меди 8920 кг/м 3) составит 14,6 кг, а для категории 7А с диаметром жилы 0,643 мм – не менее 23,2 кг. И это без учета повива, который приводит к тому, что по факту длина медных проводников будет заведомо больше 1 км.

На том же участке в 25 м из, допустим, 120 кабелей витая пара суммарная масса кабелей может составлять от 63 кг до 228 кг в зависимости от их типа, при этом меди в них может быть от 43,8 кг и выше для категории 5е и от 69,6 кг и выше для категории 7А.

Разница велика даже для тех количеств, что мы взяли, имея в виду не самое большое телекоммуникационное помещение, в которое кабель заведен через подвесной лоток или трассу под фальшполом. Для бронированных и других специфических кабелей с металлическими элементами конструкции разница будет гораздо больше, но при этом их можно встретить в основном на улице, а не в помещениях.

Если относиться к расчету строго, то для каждого типа кабеля нужно иметь полную раскладку по входящим в его состав горючим и негорючим компонентам и по их весовому содержанию в единице длины. Кроме того, для каждого горючего компонента необходимо знать низшую теплоту сгорания в МДж/кг. Для полимеров, широко используемых в телекоммуникациях, различные источники приводят следующие значения низшей теплоты сгорания:

• Полиэтилен – от 46 до 48 МДж/кг
• Поливинилхлорид (ПВХ) – от 14 до 21 МДж/кг
• Политетрафторэтилен (фторопласт) – от 4 до 8 МДж/кг

В зависимости от того, какие исходные данные вы используете, на выходе можно получить разные результаты. Приведем 2 примера расчета для уже упоминавшегося помещения со 120-ю кабелями витая пара:

Пример 1.

• 120 кабелей витая пара категории 5е
• Погонный вес кабеля 23 кг/км

Полный вес кабеля (без исключения негорючих компонентов)

G i = 120 · 25 м · 23·10 -3 кг/м = 69 кг

Q = 69 кг · 18 МДж/кг = 1242 МДж

S лотка = 25 м · 0,3 м = 7,5 м 2

g = 1242 / 10 = 124,2 МДж/м 2

Удельная пожарная нагрузка относится к диапазону от 1 до 180 МДж/м 2 , при том, что мы не вычитали весовое содержание меди в кабеле. Если бы вычли, то помещение тем более было бы отнесено к категории В4.

Пример 2.

• 120 кабелей витая пара категории 6/6A
• Калибр жилы 23 AWG
• Оболочка ПВХ, низшая теплота сгорания 18 МДж/кг
• Погонный вес кабеля 45 кг/км
• Длина лотка 25 м, ширина 300 мм

Полный вес кабеля без исключения негорючих компонентов

G i = 120 · 25 м · 45·10 -3 кг/м = 135 кг

Q = 135 кг · 18 МДж/кг = 2430 МДж

S лотка = 25 м · 0,3 м = 7,5 м 2

В соответствии с методикой расчета необходимо использовать в вычислениях площадь не менее 10 м 2 .

g = 2430 / 10 = 243 МДж/м 2

Удельная пожарная нагрузка превысила 180 МДж/м 2 и попала в диапазон, соответствующий более высокой категории помещения В3. Но если бы мы вычли вес меди, расчет был бы иным.

Калибр жилы 23 AWG соответствует диаметру 0,574 мм. В кабеле 8 медных проводников, следовательно, в каждом километре кабеля содержится как минимум 18,46 кг меди.

G i = 120 · 25 м · (45 – 18,46) · 10 -3 кг/м = 79,62 кг горючих компонентов

Q = 79,62 кг ·18 МДж/кг = 1433,16 МДж

g = 1433,16 / 10 = 143,3 МДж/м 2

В этом случае мы получаем категорию помещения В4. Как видите, компонентная составляющая может влиять на расчеты весьма существенно.

Точные данные о весовом содержании и низшей теплоте сгорания можно получить только у производителя конкретного наименования продукции. Иначе вам придется лично «распотрошить» каждый конкретный тип кабеля, на высокоточных весах замерить массу каждого элемента, установить все химические составы (что само по себе может быть весьма нетривиальной задачей, даже если вы располагаете хорошо оборудованной химической лабораторией). И уже после всего этого провести точный расчет. Для кабеля категории 6/6А в нашем расчете, например, не был учтен вес и материал перегородки-разделителя. Если он изготовлен из полиэтилена, нужно учесть, что его низшая теплота сгорания выше, чем у ПВХ.

Химические и физические справочники приводят величины низшей теплоты сгорания для чистых веществ и ориентировочные значения для наиболее популярных строительных материалов. Но производители могут использовать смеси веществ, присадки, варьировать весовое содержание компонентов. Для точных расчетов нужны данные от конкретного производителя по каждому типу продукции. В открытом доступе они обычно не лежат, но по запросу их должны предоставлять, это не секретная информация.

Тем не менее, если такую информацию ждать предстоит долго, а расчет делать нужно сейчас, можно выполнить прикидочные вычисления, закладывая максимальные величины – т.е. брать худший сценарий. Проектировщик выбирает максимально возможное значение низшей теплоты сгорания, максимально большое весовое содержание горючих веществ, намеренно ошибаясь в большую сторону, не в свою пользу. В каких-то случаях из-за этого помещение попадет в более опасную категорию, как сначала получилось у нас в Примере 2. «Ошибаться» в другую сторону, намеренно делая расчеты более оптимистичными, категорически нельзя. В случае любых сомнений трактовка всегда должна быть в сторону дополнительных мер безопасности.

5. Категории зданий по взрывопожарной и пожарной опасности

5.1. Здание относится к категории А, если в нем суммарная площадь помещений категории А превышает 5% площади всех помещений или 200 м 2 .

Допускается не относить здание к категории А, если суммарная площадь помещений категории А в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 1000 м 2), и эти помещения оборудуются установками автоматического пожаротушения.

5.2. Здание относится к категории Б, если одновременно выполнены два условия:

а) здание не относится к категории А;

б) суммарная площадь помещений категорий А и Б превышает 5% суммарной площади всех помещений или 200 м 2 .

Допускается не относить здание к категории Б, если суммарная площадь помещений категорий А и Б в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 1000 м 2), и эти помещения оборудуются установками автоматического пожаротушения.

б) суммарная площадь помещений категорий А, Б и В1-В3 превышает 5% (10%, если в здании отсутствуют помещения категорий А и Б) суммарной площади всех помещений.

Допускается не относить здание к категориям В1-В3, если суммарная площадь помещений категории А, Б и В1-В3 в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 3500 м 2), и эти помещения оборудуются установками автоматического пожаротушения.

5.4. Здание относится к категории Г, если одновременно выполнены два условия:

б) суммарная площадь помещений категории А, Б, В1-В3 и Г превышает 5% суммарной площади всех помещений.

Допускается не относить здание к категории Г, если суммарная площадь помещений категорий А, Б, В1-В3 и Г в здании не превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 5000 м 2), и помещения категорий А, Б и В1-В3 оборудуются установками автоматического пожаротушения.

5.5. Здание относится к категории В4, если оно не относится к категориям А, Б, В1-В3 или Г.

5.6. Здание относится к категории Д, если оно не относится к категориям А, Б, В1-В4, Г.

Приложение 1

Исходные данные для расчета удельной временной пожарной нагрузки в помещениях

Таблица 1

Низшая теплота сгорания и плотность ТГМ, ЛВЖ и ГЖ,

обращающихся в помещениях объектов железнодорожного транспорта

Наименование веществ и материалов	Низшая теплота сгорания, МДж·кг -1	Плотность,
Жидкие горючие вещества и материалы
4. Бутиловый спирт
5. Дизельное топливо
6. Керосин
8. Лак изоляционный пропиточный (БТ-99, ФЛ-98) (содержание летучих - 48%)
10. Масло индустриальное
11. Масло трансформаторное
12. Масло турбинное
13. Метиловый спирт
15. Соляровое масло
16. Толуол
17. Уайт-спирит
18. Эмаль ПФ-115 (содержание летучих - 34%)
19. Этиловый спирт
20. Клей (резиновый)
Твердые горючие вещества и материалы
21. Бумага разрыхленная
22. Бумага (книги, журналы)
23. Винилискожа
24. Волокно штапельное
25. Войлок строительный
26. Древесина сосновая (W p = 20%)
27. Древесно-волокнистная плита (ДВП)
28. Древесно-стружечная плита (ДСП)
30. Карболитовые изделия
31. Каучук натуральный
32. Каучук синтетический
33. Кабель (силовой, освещения, управления, автоматики)
34. Картон серый
35. Кинопленка триацетатная
36. Линолеум ПХВ
37. Лен разрыхленный
38. Мипора (резина пористая)
39. Органическое стекло
40. Обтирочный материал
41. Плита столярная
42. Пенополиуретан
43. Плиты пенополистирольные
44. Резина
45. Стеклопластик
46. Ткань хлопчатобумажная (в навал)
47. Ткань шерстяная (в навал)
48. Фанера
49. Резиновая и полихлорвиниловая изоляция проводов

Химические реакции сопровождаются поглощением или выделением энергии, в частности тепла. реакции, сопровождающиеся поглощением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются эндотермическими . При эндотермических реакциях нагрев реагирующих веществ необходим не только для возникновения реакции, но и в течение всего времени их протекания. Без нагревания извне эндотермическая реакция прекращается.

реакции, сопровождающиеся выделением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются экзотермическими . Все реакции горения относятся к экзотермическим. Вследствие выделения тепла они, возникнув в одной точке, способны распространяться на всю массу реагирующих веществ.

Количество тепла, выделяемое при полном сгорании вещества и отнесенное к одному молю, единице массы (кг, г) или объема (м 3) горючего вещества называется теплотой сгорания. Теплоту сгорания можно вычислить по табличным данным, пользуясь законом Гесса. Русский химик Г.Г. Гесс в 1840 г. открыл закон, который является частным случаем закона сохранения энергии. Закон Гесса состоит в следующем: тепловой эффект химического превращения не зависит от пути, по которому реакция протекает, а зависит лишь от начального и конечного состояний системы при условии, что температура и давление (или объем) в начале и в конце реакции одинаковы.

Рассмотрим это на примере вычисления теплоты сгорания метана. Метан можно получить из 1 моля углерода и 2 молей водорода. При сжигании метана получаются 2 моля воды и 1 моля диоксида углерода.

С + 2Н 2 = СН 4 + 74,8 кДж (Q 1).

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О + Q гор.

Те же продукты образуются при сгорании водорода и углерода. При этих реакциях общее количество выделяющегося тепла равно 963,5 кДж.

2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О + 570,6 кДж

С + О 2 = СО 2 + 392,9 кДж.

Поскольку начальные и конечные продукты в обоих случаях одинаковы, их общие тепловые эффекты должны быть равны согласно закону Гесса, т.е.

Q 1 + Q гор = Q,

Q гор = Q — Q 1 . (1.11)

Следовательно, теплота сгорания метана будет равна

Q гор = 963,5 — 74,8 = 888,7 кДж/моль.

Таким образом, теплота сгорания химического соединения (или их смеси) равна разности между суммой теплот образования продуктов сгорания и теплотой образования сгоревшего химического соединения (или веществ, составляющих горючую смесь). Следовательно, для определения теплоты сгорания химических соединений необходимо знать теплоту их образования и теплоту образования продуктов, получающихся после сгорания.

Ниже приведены значения теплот образования некоторых химических соединений:

Оксид алюминия Al 2 O 3 ………		Метан СН 4 ……………………
Оксид железа Fe 2 O 3 …………		Этан С 2 Н 6 ……………………
Оксид углерода CO ………….		Ацетилен С 2 Н 2 ………………
Диоксид углерода CO 2 ………		Бензол С 6 Н 6 …………………
Вода H 2 O …………………….		Этилен С 2 Н 4 …………………
Водяной пар H 2 O ……………		Толуол С 6 Н 5 СН 3 …………….

Пример 1.5 .Определить температуру сгорания этана, если теплота его образования Q 1 = 88,4 кДж. Напишем уравнение горения этана.

С 2 Н 6 + 3,5 O 2 = 2 CO 2 + 3 H 2 O + Q гор .

Для определения Q гор необходимо знать теплоты образования продуктов сгорания. теплота образования диоксида углерода 396,9 кДж, а воды 286,6 кДж. Следовательно, Q будет равно

Q = 2 × 396,9 + 3 × 286,6 = 1653,6 кДж,

а теплота сгорания этана

Q гор = Q - Q 1 = 1653,6 — 88,4 = 1565,2 кДж.

Теплоту сгорания экспериментально определяют в калориметрической бомбе и газовом калориметре. Различают высшую и низшую теплоты сгорания. Высшей теплотой сгорания Q в называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м 3 горючего вещества при условии, что содержащийся в нем водород сгорает с образованием жидкой воды. Низшей теплотой сгорания Q н называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м 3 горючего вещества при условии сгорания водорода до образования водяного пара и испарении влаги горючего вещества.

Высшую и низшую теплоты сгорания твердых и жидких горючих веществ можно определить по формулам Д.И. Менделеева:

где Q в, Q н — высшая и низшая теплоты сгорания, кДж/кг; W – содержание в горючем веществе углерода, водорода, кислорода, горючей серы и влаги, %.

Пример 1.6. Определить низшую температуру сгорания сернистого мазута, состоящего из 82,5 % С, 10,65 % Н, 3,1 % S и 0,5 % О; А (зола) = 0,25 %, W = 3 %. Используя уравнение Д.И. Менделеева (1.13), получаем

=38622,7 кДж/кг

Низшую теплоту сгорания 1 м 3 сухих газов можно определить по уравнению

Низшая теплота сгорания некоторых горючих газов и жидкостей, полученная экспериментально, приведена ниже:

Углеводороды: метан ………………………..
этан …………………………
пропан ………………………
метиловый ………………….
этиловый ……………………
пропиловый …………………

Низшая теплота сгорания некоторых горючих материалов, рассчитанная по их элементному составу, имеет следующие значения:

Бензин ……………………		Каучук синтетический
Бумага ……………………		Керосин ………………
Древесина		Органическое стекло..
воздушно-сухая ………..		Резина ………………..
в конструкциях зданий…		Торф (W = 20 %) …….

Существует нижний предел теплоты сгорания, ниже которого вещества становятся не способными к горению в атмосфере воздуха.

Эксперименты показывают, что вещества являются негорючими, если они не относятся к взрывоопасным и если их низшая теплота сгорания в воздухе не превышает 2100 кДж/кг. Следовательно, теплота сгорания может служить для ориентировочной оценки горючести веществ. Однако следует отметить, что горючесть твердых веществ и материалов в значительной степени зависит и от их состояния. Так, лист бумаги, легко воспламеняющийся от пламени спички, будучи нанесенным на гладкую поверхность металлической плиты или бетонной стены, становится трудногорючим. Следовательно, горючесть веществ зависит также от скорости отвода тепла из зоны горения.

Практически в процессе горения, особенно на пожарах, указанная в таблицах теплота сгорания полностью не выделяется, так как горение сопровождается недожогом. Известно, что нефтепродукты, а также бензол, толуол, ацетилен, т.е. вещества, богатые

углеродом, горят на пожарах с образованием значительного количества сажи. Сажа (углерод) способна гореть и выделять тепло. Если при горении она образуется, то, следовательно, горючее вещество выделяет тепла меньше того количества, которое указано в таблицах. Для веществ, богатых углеродом, коэффициент недожога h составляет 0,8 — 0,9. Следовательно, на пожарах при горении 1 кг резины может выделиться не 33520 кДж, а только 33520´0,8 = 26816 кДж.

Размер пожара обычно характеризуется площадью пожара. Количество тепла, выделяющееся с единицы площади пожара в единицу времени, называют теплотой пожара Q п

Q п = Q н υ м h ,

где υ м – массовая скорость выгорания, кг/(м 2 ×с).

Удельная теплота пожара при внутренних пожарах характеризует тепловую нагрузку на конструкции зданий и сооружений и используется для расчета температуры пожара.

1.6. Температура горения

Выделяющееся в зоне горения тепло воспринимается продуктами сгорания, поэтому они нагреваются до высокой температуры. Та температура, до которой в процессе горения нагреваются продукты сгорания, называется температурой горения . Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры горения. Действительная температура горения для условий пожара называется температурой пожара.

Под калориметрической температурой горения понимают ту температуру, до которой нагреваются продукты полного сгорания при следующих условиях:

1) всё выделяющееся при горении тепло расходуется на нагревание продуктов сгорания (потери тепла равны нулю);

2) начальные температуры воздуха и горючего вещества равны 0 0 С;

3) количество воздуха равно теоретически необходимому (a = 1);

4) происходит полное сгорание.

Калориметрическая температура горения зависит только от состава горючего вещества и не зависит от его количества.

Теоретическая температура, в отличие от калориметрической, характеризует горение с учетом эндотермического процесса диссоциации продуктов сгорания при высокой температуре

2СО 2 2СО + О 2 - 566,5 кДж.

2Н 2 О2Н 2 + О 2 - 478,5 кДж.

Практически диссоциацию продуктов сгорания необходимо учитывать только при температуре выше 1700 0 С. При диффузионном горении веществ в условиях пожара действительные температуры горения не достигают таких значений, поэтому для оценки условий пожара используют только калориметрическую температуру горения и температуру пожара. Различают температуру внутреннего и наружного пожара. Температура внутреннего пожара – это средняя температура дыма в помещении, где происходит пожар. Температура наружного пожара – температура пламени.

При расчете калориметрической температуры горения и температуры внутреннего пожара исходят из того, что низшая теплота сгорания Q н горючего вещества равна энергии q г, необходимой для нагревания продуктов сгорания от 0 0 С до калориметрической температуры горения

, - теплоемкость компонентов продуктов сгорания (теплоемкость СО 2 принимается для смеси СО 2 и SО 2), кДж/(м 3 ?К).

В действительности не вся теплота, выделяющаяся при горении в условиях пожара, расходуется на нагревание продуктов сгорания. Большая часть её расходуется на нагревание конструкций, подготовку горючих веществ к горению, нагревание избыточного воздуха и др. Поэтому температура внутреннего пожара значительно ниже калориметрической. Методика расчета температуры горения предполагает, что весь объем продуктов сгорания нагрет до одной и той же температуры. В действительности температура в различных точках очага горения неодинакова. Наиболее высокой является температура в области пространства, где протекает реакция горения, т.е. в зоне горения (пламени). Значительно ниже температура в местах, где находятся горючие пары и газы, выделившиеся из горящего вещества и продуктов сгорания, смешавшихся с избытком воздуха.

Чтобы судить о характере изменения температуры при пожаре в зависимости от различных условий горения, введено понятие среднеобъемной температуры пожара, под которой понимают среднее значение из величины температур, измеренных термометрами в различных точках внутреннего пожара. Эта температура определяется из опыта.

Горючий материал		Горючий материал	Теплота сгорания, МДж× кг -1
Бумага разрыхленная	13,4	Фенопласты	11,3
Волокно штапельное	13,8	Хлопок разрыхленный	15,7
Древесина в изделиях	16,6	Амиловый спирт	39,0
Карболитовые изделия	24,9	Ацетон	20,0
Каучук синтетический	40,2	Бензол	40,9
Органическое стекло	25,1	Бензин	41,9
Полистирол	39,0	Бутиловый спирт	36,2
Полипропилен	45,6	Дизельное топливо	43,0
Полиэтилен	47,1	Керосин	43,5
Резинотехнические изделия	33,5	Мазут	39,8
Нефть	41,9	Этиловый спирт	27,2

Удельная пожарная нагрузка q, МДж× м -2 определяется из соотношения , где S – площадь размещения пожарной нагрузки, м 2 , (но не менее 10 м 2).

Задача Определить категорию помещения по пожарной опасности площадью S=84 м 2 .

В помещении находится: 12 столов из деревостружечного материала массой по 16 кг; 4 стенда из деревостружечного материала массой по 10 кг; 12 скамеек из ДСП по 12 кг; 3 хлопчатобумажные шторы по 5 кг; доска из стеклопластика массой 25 кг; линолеум массой 70 кг.

Решение

1. Определяется низшая теплота сгорания материалов, находящихся в помещении (табл. 7.6):

Q =16,6 МДж/кг – для столов, скамеек и стендов;

Q =15,7 МДж/кг – для штор;

Q =33,5 МДж/кг – для линолеума;

Q =25,1 МДж/кг – для доски из стеклопластика.

2. По формуле 7.9 определяется суммарная пожарная нагрузка в помещении

3. Определяется удельная пожарная нагрузка q

Сравнивая полученные значения q=112,5 с приведенными в таблице 7.4 данными, помещение по пожарной опасности относим к категории В4.

РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

8.1. Основные понятия и определения

Вопрос Какое излучение называют ионизирующим?

Ответ Ионизирующее излучение (в дальнейшем – ИИ) – излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию в этом веществе ионов разного знака. ИИ состоит из заряженных (a и b частицы, протоны, осколки ядер деления) и незаряженных частиц (нейтроны, нейтрино, фотоны).

Вопрос Какие физические величины характеризуют взаимодействие ИИ с веществом и с биологическими объектами?

Ответ Взаимодействие ИИ с веществом характеризуется поглощенной дозой.

Поглощенная доза D – основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии dw, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:

Энергия может быть усреднена по любому определенному объёму, и в этом случае средняя доза будет равна полной энергии, переданной объёму, деленной на массу этого объёма. В системе СИ поглощенная доза измеряется в Дж/кг и имеет специальное название грэй (Гр). Внесистемная единица – рад, 1рад = 0,01 Гр. Приращение дозы за единицу времени называется мощностью дозы :

Для оценки радиационной опасности хронического облучения человека согласно [ 8.2] вводятся специальные физические величины – эквивалентная доза в органе или ткани Н T,R и эффективная доза Е.

Эквивалентная доза Н T,R – поглощенная доза в органе или ткани Т, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент данного вида излучения W R:

Н T,R =W R × D T,R , (8.3)

где D T,R – средняя поглощенная доза в ткани или органе Т;

W R – взвешивающий коэффициент для излучения вида R.

При воздействии различных видов ИИ с различными взвешивающими коэффициентами W R эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов ИИ:

(8.4)

Значения взвешивающих коэффициентов приведены в табл. 8.1 [ 8.1] .