断熱炎温度

燃焼の研究において、断熱炎温度とは、理想的な条件下で炎が到達する温度のことです。これは、実際のプロセスにおいて到達する温度の上限値です。

断熱炎温度には、プロセスがどのように完了するかによって、定容断熱炎と定圧断熱炎の2種類があります。定容断熱炎温度は、仕事、熱伝達、運動エネルギーまたは位置エネルギーの変化を伴わない完全燃焼プロセスによって生じる温度です。システムの体積変化（つまり、仕事の生成）にエネルギーが利用されないため、定圧断熱炎温度よりも高くなります。

共通の炎

日常生活で目にする炎の大部分は、木材、ワックス、脂肪、プラスチック、プロパン、ガソリンなどの物質に含まれる炭化水素の急速な酸化によって生じるものである。空気中におけるこれらの物質の定圧断熱炎温度は、約1,950 °C（2,220 K、3,540 °F）の比較的狭い範囲にある。^[^{引用が必要}^]これは主に、これらの化合物の燃焼熱が消費される酸素の量にほぼ比例し、それが比例して加熱される空気の量を増やすため、より大きな燃焼熱が炎の温度に与える影響が相殺されるためである。高温での不完全反応は、より大きな燃焼熱の影響をさらに抑制する。^[^{引用が必要}^]

自然界で起こる燃焼プロセスのほとんどは大気中で起こるため、エンジンのシリンダーのようにガスを特定の容積に閉じ込めるものはありません。その結果、これらの物質は一定の圧力で燃焼し、燃焼中にガスが膨張します。

一般的な炎の温度

初期大気条件（1 bar、20 °C）を仮定した場合、以下の表^[1]は定圧条件下での様々な燃料の炎温度を示しています。ここで示されている温度は、燃料と酸化剤の混合比が化学量論的（すなわち当量比 φ = 1）の場合です。

これらは理論的なものであり、熱を失わない炎によって生成される実際の炎温度ではないことに注意してください。最も近いのは、燃焼反応が最も効率的に行われる炎の最も高温の部分です。また、これは完全燃焼（例えば、完全にバランスが取れ、煙が出ず、通常は青みがかった炎）を前提としています。表中のいくつかの値は、文献^[1]やオンライン計算機による予測値と大きく異なります。

一般的な燃料の断熱炎温度（定圧）
燃料	酸化剤 1 bar 20 °C	$T_{\text{ad}}$
燃料	酸化剤 1 bar 20 °C	（℃）	(°F)
アセチレン（C ₂ H ₂）	空気	2,500	4,532
アセチレン（C ₂ H ₂）	酸素	3,480	6,296
ブタン（C ₄ H ₁₀）	空気	2,231	4,074 ^[2]
シアン（C ₂ N ₂）	酸素	4,525	8,177
ジシアノアセチレン（C ₄ N ₂）	酸素	4,990	9,010
エタン（C ₂ H ₆）	空気	1,955	3,551
エタノール（C ₂ H ₅ OH）	空気	2,082	3,779 ^[3]
ガソリン	空気	2,138	3,880 ^[3]
水素（H ₂）	空気	2,254	4,089 ^[3]
マグネシウム（Mg）	空気	1,982	3,600 ^[4]
メタン（CH ₄）	空気	1,963	3,565 ^[5]
メタノール（CH ₃ OH）	空気	1,949	3,540 ^[5]
ナフサ	空気	2,533	4,591 ^[2]
天然ガス	空気	1,960	3,562 ^[6]
ペンタン（C ₅ H ₁₂）	空気	1,977	3,591 ^[5]
プロパン（C ₃ H ₈）	空気	1,980	3,596 ^[7]
メチルアセチレン ( CH ₃ CCH )	空気	2,010	3,650
メチルアセチレン ( CH ₃ CCH )	酸素	2,927	5,301
トルエン（C ₇ H ₈）	空気	2,071	3,760 ^[5]
木材	空気	1,980	3,596
灯油	空気	2,093 ^[8]	3,801
軽油	空気	2,104 ^[8]	3,820
中燃料油	空気	2,101 ^[8]	3,815
重油	空気	2,102 ^[8]	3,817
瀝青炭	空気	2,172 ^[8]	3,943
無煙炭	空気	2,180 ^[8]	3,957
無煙炭	酸素	≈3,500 ^[9]	≈6,332
アルミニウム	酸素	3,732	6,750 ^[5]
リチウム	酸素	2,438	4,420 ^[5]
リン（白）	酸素	2,969	5,376 ^[5]
ジルコニウム	酸素	4,005	7,241 ^[5]

熱力学

閉鎖反応系における熱力学第一法則から、

{}_{R}Q_{P}-{}_{R}W_{P}=U_{P}-U_{R}

ここで、およびはそれぞれ、プロセス中に系から周囲へ伝達される熱と仕事であり、およびはそれぞれ反応物と生成物の内部エネルギーである。定容断熱炎温度の場合、系の体積は一定に保たれるため、仕事は発生しない。 ${}_{R}Q_{P}$ ${}_{R}W_{P}$ $U_{R}$ $U_{P}$

{}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=0

この過程は断熱過程と定義されているため、熱伝達は起こりません。結果として、生成物の内部エネルギーは反応物の内部エネルギーと等しくなります。これは閉鎖系であるため、生成物と反応物の質量は一定であり、第一法則は質量に基づいて記述できます。 ${}_{R}Q_{P}=0$ $U_{P}=U_{R}$

U_{P}=U_{R}\Rightarrow m_{P}u_{P}=m_{R}u_{R}\Rightarrow u_{P}=u_{R}

。

定圧断熱炎温度の場合、システムの圧力は一定に保たれ、仕事については次の式が得られます。

{}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=p\left({V_{P}-V_{R}}\right)

この過程は断熱過程と定義されているため、ここでも熱伝達は発生しません。第一法則から、次の式が得られます。 ${}_{R}Q_{P}=0$

-p\left({V_{P}-V_{R}}\right)=U_{P}-U_{R}\Rightarrow U_{P}+pV_{P}=U_{R}+pV_{R}

エンタルピーの定義を思い出すと、次の式が得られます。これは閉鎖系であるため、生成物と反応物の質量は同じであり、第一法則は質量に基づいて記述できます。 $H_{P}=H_{R}$

H_{P}=H_{R}\Rightarrow m_{P}h_{P}=m_{R}h_{R}\Rightarrow h_{P}=h_{R}

。

定圧プロセスの断熱炎温度は定容プロセスよりも低いことがわかります。これは、燃焼中に放出されるエネルギーの一部が仕事として制御システムの容積を変化させるためです。

燃焼が完了する（つまりCO
₂とH
₂O ) を用いると、化学量論的条件または化学量論より希薄な状態（過剰空気）のいずれにおいても、断熱炎温度を手計算で計算することができます。これは、左辺と右辺を釣り合わせるのに十分な変数とモル方程式が存在するためです。

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\to \nu _{1}{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{4}{\rm {O}}_{\rm {2}}

化学量論より過剰では、少なくともCOとHで燃焼が完了できないため、変数が不十分である。
₂モルバランスに必要な（これらは不完全燃焼の最も一般的な生成物である）

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\to \nu _{1}{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{5}{\rm {CO}}+\nu _{6}{\rm {H}}_{\rm {2}}

しかし、水性ガス転化反応を含めると、

{\rm {CO}}_{\rm {2}}+H_{2}\Leftrightarrow {\rm {CO}}+{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}

この反応の平衡定数を使用すると、計算を完了するのに十分な変数が得られます。

エネルギーレベルとモル成分が異なる燃料は、断熱炎温度も異なります。

ニトロメタン(CH ₃ NO ₂ ) が車のパワーブーストによく使用される理由は、次の図からわかります。ニトロメタンの各分子には、窒素と酸素の間に比較的高エネルギーの結合を持つ酸化剤が含まれているため、炭化水素や酸素を含むメタノールよりもはるかに高温で燃焼します。これは、断熱炎の温度も上昇させる純酸素を追加するのと似ています。これにより、定積プロセス中に圧力をさらに高めることができます。圧力が高いほど、ピストンにかかる力が大きくなり、エンジンの仕事量と出力が増加します。ニトロメタンには独自の酸化剤が含まれているため、化学量論よりも比較的高温のままです。しかし、ニトロメタンでエンジンを継続的に作動させると、この高温のために最終的にピストンやシリンダーが溶けてしまいます。

現実世界では、完全燃焼は通常起こりません。化学の理論上、解離と反応速度論によって生成物の組成は変化します。平衡定数を用いて解離を考慮した断熱炎温度を計算できるプログラムは数多く存在します（Stanjan、NASA CEA、AFTPなど）。次の図は、解離の影響によって断熱炎温度が低下する傾向があることを示しています。この結果はルシャトリエの原理によって説明できます。

参照

炎の速度

参考文献

^ ab 以下の外部参考文献の「表」を参照してください。
^ ab Libal, Angela (2018年4月27日). 「ライターは何度で燃えるのか？」Leaf Group Ltd. / Leaf Group Media. Sciencing.
^ abc 異なる燃料の炎温度分析とNOx排出量
^ “マグネシウムはどれくらい熱く燃えるのか？ | Reference.com”. 2017年9月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年9月17日閲覧。
^ abcdefgh CRC化学物理ハンドブック、第96版、p. 15-51
^ “North American Combustion Handbook, Volume 1, 3rd edition, North American Mfg Co., 1986”. 2011年7月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年12月9日閲覧。
^ 「アーカイブコピー」（PDF）。 2015年9月24日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2013年5月19日閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
^ abcdef Power Point プレゼンテーション: 炎の温度 Archived 2011-07-17 at the Wayback Machine、Hsin Chu、Department of Environmental Engineering、National Cheng Kung University、台湾
^ Jongsup Hong 他（MIT）による加圧石炭燃焼器を用いた酸素燃焼発電サイクルの分析。IPCCの二酸化炭素回収・貯留に関する特別報告書（PDF）を引用。気候変動に関する政府間パネル（IPCC）。2005年。122ページ。しかし、IPCC報告書は実際にははるかに不正確な記述をしている。「燃料と酸素の直接燃焼は、冶金産業やガラス産業において長年行われており、バーナーはほぼ化学量論的な条件で作動し、炎の温度は最大3500℃に達する。」温度は圧力に依存する可能性がある。圧力が低いほど燃焼生成物の分解が進み、断熱温度も低くなるためである。

外部リンク

一般情報

Babrauskas, Vytenis (2006年2月25日). 「炎と火災の温度」. Fire Science and Technology Inc. 2008年1月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年1月27日閲覧。
断熱炎温度の計算 2019年2月27日アーカイブ - Wayback Machine
断熱炎温度

テーブル

「断熱炎温度」.エンジニアリング・ツールボックス. 2008年1月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年1月27日閲覧。酸素または空気を酸化剤として用いた水素、メタン、プロパン、オクタンの断熱炎温度
「一般的なガスの炎温度」エンジニアリング・ツールボックス. 2008年1月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年1月27日閲覧。
青い炎の温度と一般的な材料

電卓

オンライン断熱炎温度計算機（Cantera使用） 2012年12月26日アーカイブ Wayback Machine
断熱炎温度プログラム
Gaseq は化学平衡計算を実行するプログラムです。
炎温度計算機 - 定圧二液推進剤断熱燃焼
断熱炎温度計算機

[:0-1] 以下の外部参考文献の「表」を参照してください。

[als-2] Libal, Angela (2018年4月27日). 「ライターは何度で燃えるのか？」Leaf Group Ltd. / Leaf Group Media. Sciencing.

[che.msstate.edu-3] 異なる燃料の炎温度分析とNOx排出量

[4] “マグネシウムはどれくらい熱く燃えるのか？ | Reference.com”. 2017年9月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年9月17日閲覧。

[Physics_p._15-51-5] CRC化学物理ハンドブック、第96版、p. 15-51

[6] “North American Combustion Handbook, Volume 1, 3rd edition, North American Mfg Co., 1986”. 2011年7月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年12月9日閲覧。

[7] 「アーカイブコピー」（PDF）。 2015年9月24日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2013年5月19日閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)

[Chu-8] Power Point プレゼンテーション: 炎の温度 Archived 2011-07-17 at the Wayback Machine、Hsin Chu、Department of Environmental Engineering、National Cheng Kung University、台湾

[9] ^ Jongsup Hong 他（MIT）による加圧石炭燃焼器を用いた酸素燃焼発電サイクルの分析。IPCCの二酸化炭素回収・貯留に関する特別報告書（PDF）を引用。気候変動に関する政府間パネル（IPCC）。2005年。122ページ。しかし、IPCC報告書は実際にははるかに不正確な記述をしている。「燃料と酸素の直接燃焼は、冶金産業やガラス産業において長年行われており、バーナーはほぼ化学量論的な条件で作動し、炎の温度は最大3500℃に達する。」温度は圧力に依存する可能性がある。圧力が低いほど燃焼生成物の分解が進み、断熱温度も低くなるためである。