a- Lí thuyết tự bắt cháy nhiệt.
Theo lí thuyết này, điều kiện quyết định để xuất hiện quá trình cháy là tốc độ toả nhiệt của phản ứng hố học phải vượt quá hoặc bằng tốc độ truyền nhiệt từ vùng phản ứng ra mơi trường xung quanh khi đĩ quá trình cháy mới xuất hiện. Do lượng nhiệt sinh ra lớn hơn lượng nhiệt mất đi nên một phần nhiệt lượng sẽ tồn tại trong vật chất đang tham gia vào quá trình cháy làm nhiệt độ của nĩ tăng dần. Nhiệt độ tăng dẫn đến tốc độ phản ứng cháy tăng và lượng nhiệt sinh ra do phản ứng cháy càng tăng. Quá trình này cứ tiếp tục mãi cho đến khi đạt được một nhiệt độ tối thiểu thì quá trình tự bĩc cháy sẽ xẩy ra. Vậy nguyên nhân dẫn đến quá trình tự bốc cháy là sự tích luỹ nhiệt lượng trong khối vật chất tham gia vào quá trình cháy. Thời gian cảm ứng chính là thời gian cần thiết để tích luỹ nhiệt lượng. Kết thúc thời gian cảm ứng thì quá trình tự bốc cháy xẩy ra.
Lí thuyết nhiệt giúp ta giải thích được nhiều hiện tượng cháy xẩy ra trong thực tế. Những ứng dụng chính cĩ thể tĩm tắt như sau :
- Nhiệt độ tự bơc cháy của hỗn hợp chất cháy và chất oxi hố khơng phải là một hằng số hố lí cố định mà phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố cụ thể của quá trình cháy. Các yếu tố chính là: bản chất của chất cháy và chất oxi hố, các yếu tố về tốc độ phản ứng cháy, các yếu tố về truyền nhiệt giữa phản ứng cháy với mơi trường xung quanh, các yếu tố về khuyếch tán khí, nhiệt độ nung nĩng ban đầu, áp suất, tỉ lệ pha trộn giữa các chất cháy và chất oxi hố...
Đây là kết luận quan trọng về mặt lí luận vì cùng một hỗn hợp chất cháy và chất oxi hố nhưng được tiến hành trong những điều kiện khác nhau thì nhiệt độ tự bốc cháy cũng khac nhau.
Tuy nhiệt độ tự bốc cháy khơng phải là một hàng số hố lí cố định, nhưng để so sánh khả năng bắt cháy của các chất khác nhau người ta tiến hành đo nhiệt độ tự bốc cháy trong một điều kiện nhiệt độ nhất định, khi đĩ gia trị nhiệt độ đo được cũng phản ánh khả năng cháy, nổ dễ hay khĩ.
- Nhiệt độ tự bơc cháy tỉ lệ nghịch với áp suất tự bốc cháy. Điều đĩ thể hiện qua đồ thị sau :
Đường cong chia quá trình ra làm hai lĩnh vực : A là lĩnh vực tự bốc cháy, B là lĩnh vực khơng tự bốc cháy. Giả thiết áp suất ban đầu là p1. Từ giá trị p1 kẻ một đường song song với trục tung cho giao điểm với đường cong, tìm được
Nhiệt độ tư ï bo ác cháy
Aùp suất tự bốc cháy
B
AT0 T0
P1
Mối quan hệ nhiệt độ – áp suất tự bốc cháy
nhiệt độ T0. Do đĩ trong trường hợp này để quá trình tự bốc cháy xẩy ra được thì cần nung nĩng hỗn hợp chất cháy và
chất oxi hố tối thiểu là T0 độ vì chỉ khi đĩ điểm đang nghiên cứu mới thuộc vào lĩnh vực tự bốc cháy . Nếu nhiệt độ nung nĩng ban đầu T<T0 thì khơng xẩy ra tự bốc cháy.
b-Lí thuyết tự bắt cháy dây chuyền.
Lí thuyết tự bắt cháy nhiệt giúp ta hưng trong nhiều trường hợp tự bắt cháy và bắt cháy và bắt cháy khơng thể dùng lí thuết này giải thích được, ví dụ như tác dụng xúc tác và ức chế đối với quá trình cháy, sự phụ thuộc của giới hạn bắt cháy
vào áp suất, v.v... Để giải thích những hiện tượng đĩ phải dùng lí thuyết phản ứng dây chuyền. Muốn cho phản ứng hố học xẩy ra phải cĩ va chạm giữa các phân tử phản ứng. Nhưng tác dụng hố học giữa hai phân tử va chạm vào nhau chỉ cĩ thể cĩ được khi tổng dự trử năng lượng của chúng khơng nhỏ hơn một đại lượng tối thiểu gọi là năng lượng hoạt hĩa. Năng lượng dự trử đĩ là năng lượng cần thiết để làm đứt hoặc làm yếu liên kết tồn tại giữa các nguyên tử trong phân tử chất phản ứng ban đầu và tạo khả năng làm xuất hiện những liên kết mới hoặc phân bố lại các liên kết, nghĩa là gây ra phản ứng hố học. Sản phẩm của phản ứng cĩ dự trử năng lượng khá lớn. Năng lượng đĩ lại truyền trực tiếp cho một hoặc vài phần tử trong số các phần tử phản ứng, kích động chúng đến trạng thái hoạt động, nghĩa là tạo ra các phần tử hoạt động mới.
Thực nghiệm đã xác định, các phản ứng cháy thường xẩy ra theo hướng sao cho lúc đầu trong hệ thống tạo ra những phần tử hoạt động, thường là những gốc và các nguyên tử tự do. Do cĩ mang hố trị tự do các phần tử đĩ rất hoạt động, cĩ khả năng phản ứng cao, chúng tham gia vào phản ứng tiếp theo và tái tạo những gốc, nguyên tử tự do mới. Việc sản sinh ra các phần tử hoạt động đĩ làm chuyển hĩa một lượng lớn sản phẩm ban đầu. Quá trình đĩ thực hiện một cách chu kì. Phần tử hoạt động được tạo ra ở chu kì này tạo điều kiện bắt đầu một chu kì mới. Cuối chu kì mới này lại tạo ra những phần tử mới ... Vì phản ứng cứ được kéo dài, phát triển do lặp lại một cách chu kì các phản ứng như vậy nên gọi là phản ứng dây chuyền.
Theo lí thuyết phản ứng dây chuyền, quá trình cháy trải qua các giai đoạn sau :
∀- Giai đoạn sinh mạch: các phần tử chất cháy và chất oxi hố được hoạt
hố nhờ năng lượng tự thân, năng lượng nhiệt, năng lượng của ánh sáng hay do va chạm với phân tử thứ ba nào đĩ. Kết quả là tạo ra các phần tử hoạt động
(gọi là tâm hoạt động). Những tâm hoạt động này cĩ khả năng tham gia vào các phản ứng ở giai đoạn tiếp theo.
Đặc điểm quan trọng nhất của giai đoạn sinh mạch là thu nhiệt, nếu lượng nhiệt cấp vào phản ứng bằng hoặc nhỏ hơn năng lượng liên kết trong phân tử, thì tốc độ sinh mạch nhỏ và tiến hành khĩ khăn.
∃- Giai đoạn phát triển mạch: nhờ những tâm hoạt động ban đầu mà
phản ứng tiếp tục phát triển và tái tạo các tâm hoạt động mới. Phản ứng được phát triển một cách dây chuyền, các tâm hoạt động cứ được tái tạo nếu khơng cĩ gì cản trở.
Nếu từ một tâm ban đầu khi phản ứng chỉ tái tạo một tâm mới thì phản ứng là dây chuyền khơng phân nhánh. Nếu từ một tâm ban đầu tái tạo được hai hay nhiều tâm mới thì phản ứng là dây chuyền phân nhánh. Các phản ứng cháy hầu hết là dây chuyền phân nhánh, nên tốc độ cháy phát triển rất nhanh.
(- Giai đoạn triệt mạch (hay đứt mạch): do va chạm với các phần tử trơ,
do các phản ứng phụ... các tâm hoạt động dần dần bị triệt đi, nghĩa là chúng chuyển thành các phân tử kém hoạt tính hoặc những phân tử ổn định mất khả năng phản ứng tiếp theo. Do đĩ phản ứng cháy khơng thể phát triển tiếp tục. Nếu cường độ triệt mạch đủ lớn thì phản ứng cháy sẽ ngừng hẳn.
Đặc điểm chính của quá trình triệt mạch là phản ứng toả nhiệt và tiến hành dễ dàng.
Biểu hiện bên ngồi của phản ứng trong quá trình tự bắt cháy nhiệt và tự bắt cháy dây chuyền đều giống nhau. Điểm khác nhau chủ yếu là theo cơ chế nhiệt thì trong hệ thống phản ứng sẽ tích luỹ nhiệt, mà theo cơ chế dây chuyền thì tích luỹ tâm hoạt động. Cả hai yếu tố ấy đều làm xúc tiến phản ứng. Sự bắt cháy dây chuyền về nguyên tắc cĩ thể thực hiện ở nhiệt độ khơng đổi mà khơng cần gia nhiệt cho hỗn hợp.
§13-2 Điều kiện xẩy ra quá trình cháy. Thời gian cảm ứng