Ansys博客
March 10, 2020
化学动力学基础：所有您需要了解的内容
消费者希望他们购买的产品环保耐用而且具有生物相容性。因此，工程师需要重新温习以前的化学教科书上的知识了。
这是因为化学动力学和热力学几乎可以影响任何产品的性能，其活跃在大气、发电、制造、微电子和材料加工领域。
它还会导致锈蚀和钙化，从而缩短设计的使用寿命。
使用化学动力学和热力学，
工程师可减少
其设计所产生的污染物数量
甚至我们的地球——以及地球上的每一种生物——都是生化工厂。因此，化学动力学和热力学有助于确定产品是否具有生物相容性且不会对环境造成污染。
为了帮助工程师设计适合当今消费者的产品，我们一起来复习一下关于生产、供电和老化设计的化学过程
什么是化学动力学？
化学动力学告诉我们化学物质通过打破和重组其分子键而转变为新物质的速度。换句话说，它研究的是化学反应速率和过程。
化学动力学研究反应速率，而热力学
研究是否会发生反应以及反应的方向
应该注意的是，化学动力学与化学热力学不同。动力学决定了您到达某处的方式和速度，而热力学决定了您前进的方向和最终到达的地方。
可以这样理解：如果化学物质处于热力学平衡状态，则不会发生反应——即使动力学表明存在反应路径
什么是吉布斯自由能或化学势能？
万物皆有势能。树上的苹果有可能掉下来。当它掉落时，它的重力势能就会转化为动能。
您可以用同样的方式来思考化学热力学。吉布斯自由能，也称为化学势能，告诉您化学物质是否会转变为其他物质。
每种化学混合物都有不同的吉布斯自由能，具体取决于其温度、压力和成分。了解每种物质在化学反应中的潜在价值有助于工程师确定它们是否会发生反应以及如何发生反应。
吉布斯自由能可用于
评估反应能否朝着
任一方向进行。
如果产物的势能大于反应物的势能，则该反应发生时存在一个势垒。如果产物的势能小于反应物的势能，那么反应就会发生。
就像苹果从树上掉下来一样，大自然希望把反应移动到一个最小化势能的点。
因此，如果工程师想要推动平衡反应来生产某种产品，他们可以通过改变温度、压力和组分浓度来控制其化学混合物的化学势。
什么是速率定律？它与反应级数有何关系？
速率定律和反应级数描述了基元化学反应。
这些可逆反应可能涉及：
- 单个分子分解成新组分
- 两个分子/原子碰撞，并重新排列形成新组分
- 两个分子/原子在第三体的影响下碰撞形成新物质
这个反应的速率
取决于
红色和黄色分子的浓度
反应级数是指作为反应物的化学物质的数量。
单分子反应（其中一个分子分解）的反应级数为1。需要两个分子/原子碰撞的反应级数为2，依此类推。
对于非基元（通常称为“总体”）反应，反应级数可以根据经验确定。
zzA + yB + … + aZ = 产物
速率 = k ∙ [A]z ∙ [B]y ∙ ... ∙ [Z]a
速率取决于常数（k）、反应物浓度 （[A]、[B]和[Z]）以及反应级数（z、y和a）。 k的值可以通过计算或经验确定。其单位基于化学反应的平衡方程，并且会随着反应级数而变化。记住它们最简单的方法是注意速率的单位始终相同。
通过测量或计算分子动力学来确定每个反应的k值是不切实际的。幸运的是，工程师可以根据已知反应的速率值库来推断未知反应的速度。因此，通过对基元反应进行研究和分类，科学家们已经制定出估算其他反应的速率规则。
其他可能影响反应速率的因素包括：
- 温度
- 压力
- 光（用于光解反应）
- 电磁学（用于等离子体或电化学反应）
- 化学物质的状态：固体、液体或气体
- 具有催化剂
- 分子大小和结构
- 表面覆盖
- 颗粒大小
什么是总体反应？
与基元反应一样，化学工程教科书通常也会列出总体反应：
zzA + yB + … + aZ = 产物
实际上，这种反应可能会有数千个基元子反应分阶段发生。当所有基元反应都完成时，总反应可以简化为上面的A、B、C 和D组分。
物理测试和复杂的几何形状使工程师很难
优化复杂的反应。但是，仿真可以简化
这些系统的评估
其中一些子反应可能不取决于压力或温度。有一些可能相当复杂，需要三个或更多的组分相互碰撞才能发生反应。而有一些可以通过引入催化剂来加速反应，以迫使系统更倾向于选择某种反应路径。
尽管如此，这些子反应中的每一个都能以各种方式影响总反应的速率。教科书可以教工程师结合基元反应来理解总反应。然而，当您有数百个组分和数千种反应时，此过程对于普通人来说太过复杂，根本无法操作
过去，工程师不得不通过实验确定复杂反应的速率。如今，他们能够方便地使用仿真来研究这些反应，以便确定最佳温度、工艺配方或压力，从而将系统转向特定的主要路径。
工程师如何利用化学动力学和热力学设计更好的产品？
为了了解化学反应如何优化产品，让我们看一个实际案例，例如减少发动机排放。
燃料转化为二氧化碳、水和各种颗粒物，为日常生活提供动力。然而，最终产品的温室效应和健康影响不容忽视。
通过利用化学动力学和热力学，工程师可以控制燃料的燃烧方式，以减少某些污染物的排放。
化学动力学和热力学
可以帮助工程师设计
更出色的发动机和反应器
关键在于控制发动机中的温度、压力和空气混合物，以便反应过程能够产生尽可能多的能量以及尽可能少的污染物。
问题在于汽油不是单一的化学物质。它由一系列物质组成，这些物质的浓度会根据地点、季节和制造过程而变化。因此，工程师需要设计发动机，以便其可以使用多种燃料运行。
发动机内部要发生成千上万次化学反应，使其成为了一个复杂的系统。因此，控制主要反应过程的最佳方法就是使用仿真技术。
仿真可以将所有潜在的化学反应包含在发动机的计算流体动力学（CFD）仿真中，从而对它们进行评估。然后，工程师可以利用这些仿真来调整和优化设计，直到目标过程占主导地位。
此外，工程师还可以将发动机的其他方面添加到仿真中，以研究发动机效率权衡、燃料效应、传热传递等。因此，他们能够优化大量的化学反应器设计。
想要了解更多信息，请阅读Ansys Chemkin-Pro并观看网络研讨会：在Ansys Chemkin-Pro中利用详细的化学原理开展更精确的CFD燃烧和反应流仿真。
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