Під теплотворною здатністю розуміють теплоту повного згоряння одиниці маси речовини. У ній враховуються втрати тепла, пов'язані з дисоціацією продуктів згоряння і незавершеністю хімічних реакцій горіння. Теплотворна здатність - це максимально можлива теплота згоряння одиниці маси речовини.
Визначають теплотворну здатність елементів, їх з'єднань і паливних сумішей. Для елементів вона чисельно дорівнює теплоті утворення продукту згоряння. Теплотворна здатність сумішей є адитивною величиною і може бути знайдена, якщо відома теплотворна здатність компонентів суміші.
Горіння відбувається не тільки за рахунок утворення оксидів, тому в широкому сенсі можна говорити про теплотворної здатності елементів і їх з'єднань не тільки в кисні, а й при взаємодії з фтором, хлором, азотом, бором, вуглецем, кремнієм, сіркою і фосфором.
Теплотворна здатність є важливою характеристикою. Вона дозволяє оцінити і порівняти з іншими максимально можливе тепловиділення тій чи іншій окислювально-відновної реакції і визначити по відношенню до нього повноту протікання реальних процесів горіння. Знання теплотворної здатності необхідно при виборі компонентів палив і сумішей різного призначення і при оцінці їх повноти згоряння.
Розрізняють вищу H в і нижчу H н теплотворні здатності. Вища теплотворна здатність на відміну від нижчої включає теплоту фазових перетворень (конденсації, затвердіння) продуктів згоряння при охолодженні до кімнатної температури. Таким чином, вища теплотворна здатність - це теплота повного згоряння речовини, коли фізичний стан продуктів згоряння розглядається при кімнатній температурі, а нижча - при температурі горіння. Вищу теплотворну здатність визначають спалюванням речовини в калориметричних бомбі або розрахунковим способом. Вона включає в себе, зокрема, теплоту, що виділяється при конденсації водяної пари, яка при 298 К дорівнює 44 кДж / моль. Нижчу теплотворну здатність розраховують без урахування теплоти конденсації водяної пари, наприклад за формулою
Якщо при значеннях теплотворної здатності вказується фізичний стан продуктів згоряння (тверде, рідке або газоподібне), в цьому випадку індекси "вища" і "нижча" зазвичай опускаються.
Розглянемо теплотворну здатність вуглеводнів і елементів в кисні, віднесену до одиниці маси вихідного пального. Нижча теплотворна здатність відрізняється від вищої у парафінів в середньому на 3220-3350 кДж / кг, у олефінів і нафтенов - на 3140-3220кДж / кг, у бензолу - на 1590 кДж / кг. При експериментальному визначенні теплотворної здатності слід мати на увазі, що в калориметричних бомбі речовина згоряє при постійному обсязі, а в реальних умовах - часто при постійному тиску. Поправка на різницю умов горіння становить для твердого палива від 2,1 до 12,6, для мазуту - близько 33,5, бензину - 46,1 кДж / кг, а для газу досягає 210 кДж / м3. Практично цю поправку вводять тільки при визначенні теплотворної здатності газу.
У парафінів теплотворна здатність зменшується зі збільшенням температури кипіння і збільшенням відносини С / H. У моноциклических аліціклнческіх вуглеводнів це зміна значно менше. В ряду бензолу теплотворна здатність зростає при переході до вищих гомологів за рахунок бічного ланцюга. Двоядерні ароматичні вуглеводні мають більш низьку теплотворну здатність, ніж ряд бензолу.
Всього лише кілька елементів і їх з'єднань мають теплотворну здатність, що перевищує теплотворну здатність вуглеводневих горючих. До числа цих елементів відносяться водень, бор, берилій, літій, їх сполуки та кілька елементорганічних з'єднань бору та берилію. Теплотворна здатність таких елементів, як сірка, натрій, ніобій, цирконій, кальцій, ванадій, титан, фосфор, магній, кремній і алюміній, лежить в межах 9210-32 240 кДж / кг. У решти елементів періодичної системи теплотворна здатність не перевищує 8374 кДж / кг. Дані по вищій теплотворної здатності різного класу горючих наведені в табл. 1.18.
Вища теплотворна здатність різних горючих в кисні (віднесена до одиниці маси пального) [36] [1]
Для рідких вуглеводнів, метанолу та етанолу теплотворна здатність приведена для рідкого вихідного стану.
Теплотворна здатність деяких горючих була розрахована на ЕОМ. Вона становить для магнію 24,75 і алюмінію 31,08 кДж / кг (стан оксидів - тверде) і практично збігається з даними табл. 1.18. Вища теплотворна здатність парафіну C26H54, нафталіну С10H8, антрацену С14Н10 і уротропіну C6H12N4 становить відповідно 47,00, 40,20, 39,80 і 29,80, а нижча - 43,70, 39,00, 38,40 і 28,00 кДж / кг.
Як приклад, стосовно ракетним палив, наведемо теплоти згорання різних елементів в кисні і фтор, віднесені до одиниці маси продуктів згоряння. Теплоти згорання розраховані для стану продуктів згоряння при температурі 2700 К і наведені на рис. 1.25 і в табл. 1.19.
Як випливає з наведених даних, для отримання максимальних теплот згоряння найкращими є речовини, що містять водень, літій і берилій, а в другу чергу - бор, магній, алюміній і кремній. Перевага водню внаслідок малого молекулярного ваги продуктів згоряння очевидно. Слід зазначити перевагу берилію внаслідок великої теплоти згорання.
Є можливість утворення змішаних продуктів згоряння, зокрема газоподібних оксифторида елементів. Оскільки стабільними зазвичай є оксифториди тривалентних елементів, більшість оксифторида неефективні як продукти згоряння ракетних палив через велику молекулярного ваги. Теплота згоряння з утворенням COF2 (м) має проміжне значення між теплотамі згоряння СO2 (м) і CF4 (м). Теплота згоряння з утворенням SO2F2 (м) більше, ніж в разі утворення SO2 (м) або SF6; (М). Однак в більшості ракетних палив містяться елементи з великою відновлювальної здатністю, які запобігають утворенню подібних речовин.
При утворенні оксифторида алюмінію AlOF (м) виділяється менше тепла, ніж при утворенні оксиду або фториду, тому він не представляє інтересу. Оксифторида бору BOF (м) і його тример (BOF) 3 (м) є досить важливими компонентами продуктів згоряння ракетних палив. Теплота згоряння з утворенням BOF (м) має проміжне значення між теплотамі згоряння з утворенням оксиду і фториду, по оксифторида термічно більш стабільний, ніж кожне з цих сполук.
Теплоти згорання елементів (в МДж / кг), віднесені до одиниці маси продуктів згоряння (Т = 2700 К)