煤炭为什么会燃烧发热?
煤的工艺性质
①粘结性。指烟煤在受热时本体粘结或与外加惰性物质粘结的能力,它是评价工业用煤特别是炼焦煤的主要指标。实验室测定方法有粘结指数、坩埚膨胀序数、罗加指数等。②结焦性。指在模拟工业焦炉条件下,或在半工业性试验焦炉内,煤结成焦炭时的性能,实验室测定方法有奥亚膨胀度、胶质层指数、葛金焦型等。③发热量。指单位质量的煤在完全燃烧时放出的热量。它是评价燃料煤的主要指标。根据计算时燃烧产物中水的状态不同,有高位发热量与低位发热量之分,包含燃烧生成的水蒸气冷凝潜热的,称为高位发热量,不包括水蒸气冷凝潜热的,称为低位发热量。④反应性。又称活性,是指在一定温度下,煤与不同气体介质如二氧化碳、水蒸气、氧气、氢气作用的气化反应能力。⑤热稳定性。指气化、燃烧用煤在加热时块度变化的性质。⑥焦油产率。是评价煤和油页岩炼油适宜性的指标,通常采用铝甑低温干馏法测定。⑦可选性。是反映煤在洗选过程中,除去其中矿物质的难易程度。它是将各级粒度的煤在不同密度的液体中经浮沉试验而确定的。⑧灰熔点和熔融灰的粘度。将煤灰制成三角锥体,放在高温炉中,在一定气氛下加热,观察灰锥形状的变化,从而测定变形温度T1、软化温度T2和流动温度T3,其中T2表示煤灰熔点。熔融灰的粘度用高温粘度计测量。
煤堆中的煤与空气接触,会发生氧化反应,并放出热量。煤发生氧化反应后,使煤堆的温度升高。煤的温度升高后,又加速了煤的氧化反应速度。这样,就使煤堆的温度越来越高。当温度超过煤的自燃点时,就会自燃。煤的自燃是通风不好热量积累,外层煤的热量能够得到散发,所以煤的自燃都是从内开始,逐渐向外扩展。
煤具有自燃的性质,特别是那些低品位的烟煤,当从环境中吸收的热量大于释放到环境中的热量时自燃现象就会发生。
任何一种化合物都有内能,一般指该化合物各原子间互相结合的化学键的键能,或是把化学键打开时所需要的能量。煤的主要成分是碳,确切地说,是无定形碳,可以认为它的原子间没有化学键。
煤的燃烧是碳的氧化反应,完全燃烧时,生成物是二氧化碳,是化合物,就有了键能。而氧气是双原子分子,本身就有化学键。碳在氧化时,氧的双原子分子的化学键打开了,分别与碳形成了新的化学键。
任何一种物质都有保持最小能量状态的趋势,这样它才会更稳定。就像是一个放在斜坡上的铁球,总是会向斜坡下滚动,直到落在坡下最低的地方一样,因为那里的能量更低。化学反应也是一样的。
一般来说,如果反应物的分子内能大于生成物的分子内能,化学反应就能够自发发生。或者说,反应生成物的分子内能需要小于反应物的分子内能。但也不一定。多数情况下,也需要先给反应物提供一些能量,使至少其中一种反应物的化学键能够打开。而煤的燃烧(碳的氧化反应)就是这种情况。
当碳在氧气中被加热时,氧分子与碳原子接触,氧分子的化学键打开,氧原子分别与碳反应,形成新的化学键,并构成二氧化碳分子。
由于二氧化碳分子中,氧-碳键的键能小于氧-氧键的键能,所以二氧化碳分子比氧分子更加稳定。而在这个反应发生时,由于反应物的分子内能大于生成物的分子内能,在二氧化碳形成时,就会多出一部分能量,这一部分能量就会以热的形式释放出来,而释放出来的热能,又维持了碳的继续氧化燃烧。这就是煤燃烧会放出热的原因。
至于发出的光,是高温气体加热后,围绕原子核运动的电子吸收能量,跃迁到了能量较高的电子轨道上,而能量高了就不稳定(与上面说的分子内能的道理是一样的),一段时间后,电子又会放出吸收的能量,回到原来能量较低的轨道上。这些放出的能量就以光子的形式发射出来了。于是,燃烧的高温气体就会发出光来了。
热量一词在物理上只是一个过程量,所以你问得不够科学。而你在这里所说的“热量”大概是想说“煤燃烧时的热来自哪里”。这其实是煤的内能(就是煤内部的分子运动时势能和动能的总和)在燃烧时转化为化学能(物质在燃烧时都有化学能)。而化学能就回发出光和热(化学上常常说物质在燃烧时发光发热,就是化学能)。所以煤的热就时来自于煤的内能,也就时煤分子在不停地作无规则运动所产生的能量转换而来的。
不过,任何事情的发生都是有条件的,红热的煤炭遇到少量的水,炉火能烧得更旺,温度更高。但是,如果把大量的水浇在煤炭上,情况就截然不同了,因为大量水能吸走很多热量,使煤炭温度骤然下降。同时,水变成水蒸气以后,并不能迅速离去,而是遮盖在燃烧的煤炭上方,隔绝了煤炭与空气的接触,煤由于得不到充足的维持其燃烧的氧气,火也就熄灭了。