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Ansys 部落格

March 10, 2020

化學動力學基礎知識:您需要知道的一切

消費者希望產品環保、耐用,且具有生物相容性。因此,工程師需要複習塵封已久的化學課本。

這是因為化學動力學和熱力學可以影響幾乎任何產品的效能。它在大氣、發電、製造、微電子和材料加工領域非常重要。

它也會導致鏽蝕和鈣化,縮短設計產品的使用壽命。

運用化學動力學和熱力學,
工程師得以減少
設計產生的污染物數量

甚至我們的星球 — 及其上面的每一個生物 — 都是生化工廠。因此,化學動力學和熱力學有助於判斷產品是否具有生物相容性並且無污染。

為了協助工程師設計出適合現今消費者的產品,以下提供關於生產、動力和時代設計之程序的化學課複習
 

什麼是化學動力學?

化學動力學告訴我們化學物種透過分解和重組其分子鍵而轉變為新物質的速度。換句話說,它研究化學反應的速率和過程。

化學動力學研究反應的速度,而熱力學
研究反應是否會發生以及反應的方向

應該注意的是,化學動力學不同於化學的熱力學。動力學決定化學反應到達結果的方式和速度,而熱力學決定化學反應前進的方向和最終到達的結果。

可以這樣想:如果化學物質處於熱力學平衡,則不會發生反應 — 即使動力學指出存在反應途徑。
 

什麼是吉布斯自由能 (或化學位能)?

萬物皆有位能。樹上的蘋果具有位能,所以會往下掉。掉下時的重力位能會轉化為動能。

您可以用相同的方式來思考化學的熱力學。吉布斯自由能也稱為化學位能,告訴您化學物種是否會轉變為其他物種。

每種化學混合物都有不同的吉布斯自由能,具體取決於其溫度、壓力和成分。了解化學反應中每個物種的潛在價值,可讓工程師判斷這些物質是否會以及如何反應。

吉布斯自由能可用於
評估反應往
任一方向進行的能力。

如果產物的位能大於反應物,則可能難以發生反應。如果產物的位能小於反應物,那麼反應就會發生。

就像蘋果從樹上掉下來,大自然會將反應移動到位能最小的點。

因此,如果工程師想要推動平衡反應來生產某種產品,可以透過改變溫度、壓力和物種濃度,來操縱其化學混合物的化學位能。
 

什麼是速率定律?它跟反應級數有什麼關係?

速率定律和反應級數描述基本的化學反應。

這些可逆反應可能牽涉到:

     
  • 單一分子分解成新物種
  • 兩個分子/原子碰撞、重新排列形成新物種
  • 兩個分子/原子在第三個物體的影響下,碰撞形成新物種
 

此反應的速率
取決於
紅色和黃色分子的濃度

反應級數是指反應物涉及的化學物種數量。

單分子反應 (單一分子分解) 的反應級數為一。牽涉兩個分子/原子碰撞之反應的級數為二,以此類推。

對於非基本 (通常稱為「總體」) 反應,反應級數可以由經驗判斷。

zA + yB + … + aZ = 產品

速率 = k ∙ [A]z ∙ [B]y ∙ … ∙ [Z]a

速率取決於常數 (k)、反應物濃度 ([A]、[B] 和 [Z]) 以及反應級數 (z、y 和 a)。k 的值可以透過計算或經驗而得。其單位是以化學反應的平衡方程式為基礎,並且會根據反應級數而變化。記住它們的最簡單方法,是注意速率的單位始終相同。

透過測量或計算分子動力學的方法來決定每個反應的 k 值是不切實際的。值得慶幸的是,工程師可以根據已知反應的速率值庫來推斷未知反應的速度。因此,透過對基本反應的研究和分類,科學家們制定了估算其他反應的速率規則。

其他可能影響反應速率的因素包括:

     
  • 溫度
  • 壓力
  • 光 (用於光解反應)
  • 電磁學 (用於等離子體或電化學反應)
  • 化學物種的狀態:固體、液體或氣體
  • 是否有催化劑
  • 分子大小和結構
  • 表面覆蓋率
  • 粒子大小
     
 

什麼是總體反應?

通常,化學工程教科書會像列出基本反應一樣,列出總體反應:

zA + yB + … + aZ = 產品

實際上,這種反應可能會分階段發生數以千計的基本子反應。而當所有基本反應都完成時,總體反應接著可以簡化為上面的 A、B、C 和 D 元件。

物理試驗和複雜的幾何形狀會讓
最佳化複雜反應變困難。然而,模擬可以簡化
這些系統的評估

部分子反應可能不依賴壓力或溫度。其他子反應可能相當複雜,在發生反應之前需要三個或更多物種發生碰撞。有些反應可以透過引入催化劑來加速,以迫使系統更偏向某些反應途徑。

儘管如此,這些子反應中的每一個都可以用各種方式影響整個反應的速率。科書可能教工程師結合基本反應來理解總體反應。然而,當您有數百個物種和數千個反應時,這個過程對於普通人來說太複雜了,難以操作。

傳統上,工程師必須經由實驗來找出複雜反應的速率。如今,使用模擬可以輕鬆研究這些反應,來找出最佳溫度、製程配方或壓力,以將系統轉向特定的主要途徑。
 

工程師如何使用化學動力學和熱力學來設計更好的產品?

若要了解這種化學作用如何最佳化產品,讓我們看一個真實世界的例子,例如減少引擎排放。

燃料轉化為二氧化碳、水和各種粒子,為日常生活提供動力。但是,也不應忽視最終產品的溫室效應和健康影響。

透過使用化學動力學和熱力學,工程師可以控制燃料的燃燒方式,以減少某些污染物的釋放。

化學動力學和熱力學
可以協助工程師設計出
更好的引擎和反應器

關鍵是控制引擎中的溫度、壓力和空氣混合物,讓產生最多能量 (以及最少污染物) 的程序佔主導地位。

挑戰在於汽油不是單一的化學物種。它由多種物質組成,這些物質的濃度會因地點、季節和製造程序而異。因此,工程師在設計引擎時,需要使引擎可以接受多種不同的燃料。

引擎內有數千個反應在發生,是一個複雜的系統。因此,控制哪些程序佔主導地位的最佳方法是使用模擬。

模擬可以把這些項目都包含在引擎的計算流體動力學 (CFD) 模擬中,來評估所有潛在的化學反應。然後,工程師可以使用這些模擬來調整和最佳化設計,直到目標程序佔主導地位。

工程師還可以把引擎的其他層面加入模擬,來研究引擎效率的取捨、燃料作用、熱傳遞等。如此就能夠最佳化大量的化學反應器設計。

若想深入了解,請閱讀 Ansys Chemkin-Pro 並觀看網路研討會:在 Ansys Chemkin-Pro 中使用詳細化學進行更準確的 CFD 燃燒和反應流模擬。

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