乙醇燃料和汽油燃料燃燒廢氣之比較

1、乙醇燃料和汽油燃料燃燒廢氣之比較摘 要 乙醇和汽油的易燃性和高熱值使之成為應(yīng)用廣泛的優(yōu)質(zhì)燃料。在被用做汽車(chē)燃料使用時(shí)，欲輸出相同的動(dòng)力（熱量），則所需二者的用量不等；因不完全燃燒均可產(chǎn)生污染性物質(zhì)，雖因其組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的差異使之分別燃燒后產(chǎn)生的有害物質(zhì)的多少與種類(lèi)有所差別，但經(jīng)計(jì)算這種差別實(shí)際上不是很明顯，人教版義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)化學(xué)九年級(jí)（上冊(cè)）中的 “在汽油中加入適量乙醇作為汽車(chē)燃料（車(chē)用乙醇汽油），減少汽車(chē)尾氣的污染”的說(shuō)法是不準(zhǔn)確的。關(guān)鍵詞 燃料 能量 體積功 廢氣排放在指導(dǎo)學(xué)生高考迎考復(fù)習(xí)中，就社會(huì)熱點(diǎn)之一的資源開(kāi)發(fā)和能源安全為話(huà)題，關(guān)于乙醇汽油的說(shuō)法涉及到了如下的題目：

2、題目 我國(guó)決定推廣使用車(chē)用乙醇汽油，它是在汽油中加入適量的乙醇形成的混合燃料。下列相關(guān)敘述錯(cuò)誤的是（ ）（a）使用乙醇汽油能減少有害氣體的排放 （b）乙醇汽油是一種新型的化合物 （c）燃料中的乙醇能夠通過(guò)糧食發(fā)酵或化工合成等方法制得 （d）乙醇汽油的推廣使用能夠緩解石油資源短缺對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成的壓力答案一看便知，不過(guò)學(xué)生對(duì)“汽車(chē)使用乙醇汽油能減少有害氣體的排放”這個(gè)說(shuō)法有疑問(wèn)，師生從定性的角度實(shí)行了簡(jiǎn)單的討論之后，有學(xué)生帶著疑問(wèn)搜集查看了一些資料后，仍對(duì)上述說(shuō)法有懷疑，理由是汽油或乙醇作為有機(jī)燃料被使用，在汽缸內(nèi)燃燒時(shí)都能夠產(chǎn)生污染性氣體，雖然乙醇因其自身含氧會(huì)燃燒的更充分一些，但只要是發(fā)生不完

3、全燃燒的話(huà)，兩者都能夠生成一氧化碳等有害物質(zhì)，且乙醇的熱值比汽油的熱值低，要保證汽車(chē)的動(dòng)力不發(fā)生變化的話(huà)，勢(shì)必導(dǎo)致燃料用量的上升，產(chǎn)生的污染性氣體總量未必會(huì)減少。帶著這個(gè)問(wèn)題，作者查閱了人教版、山東版及江蘇版的高中化學(xué)教材，對(duì)上述所涉內(nèi)容均未有所述及，但在人教版義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)化學(xué)九年級(jí)（上冊(cè)）第142頁(yè)（2006年4月第二版）有如下表述：“乙醇燃燒時(shí)放出大量的熱，所以被用作酒精燈、火鍋、內(nèi)燃機(jī)等的燃料。在汽油中加入適量乙醇作為汽車(chē)燃料（車(chē)用乙醇汽油），可節(jié)省石油資源，減少汽車(chē)尾氣的污染。”這樣看來(lái)，上面題目中的答案設(shè)計(jì)在教材中是有出處的。那么車(chē)用乙醇汽油是否能顯著地減少有害氣體的排

4、放？使用車(chē)用乙醇汽油的好處到底在什么地方？本文擬就以上問(wèn)題作一探討，以求教于同仁。乙醇和汽油（以下以辛烷c8h18實(shí)行討論）都是優(yōu)質(zhì)燃料，其燃燒的熱化學(xué)方程式分別為：c8h18（l）+ o2（g）8co2（g）+9h2o（g） h-5454.14kj/molc2h5oh（l）+ 3o2（g）2co2（g）+3h2o（g） h-1367.74kj/mol按辛烷和乙醇的質(zhì)量計(jì)，分別燃燒二者所產(chǎn)生的熱量、耗o2量、產(chǎn)生的co2和h2o的關(guān)系可得表一：表一 乙醇和辛烷燃燒的質(zhì)量關(guān)系量（25）單位質(zhì)量燃料產(chǎn)生的熱量耗o2 量產(chǎn)生co2量產(chǎn)生h2o量1g乙醇29.73kj0.06522molmolmol1

5、g辛烷47.84kj0.1097molmolmol燃料在實(shí)際使用過(guò)程中大多以體積單位（升）計(jì)量的，則可將表一中的數(shù)據(jù)按體積關(guān)系實(shí)行轉(zhuǎn)換，得到表二中的關(guān)系量（乙醇和辛烷在25時(shí)的密度分別為0.7893kg/l、0.7025kg/l）：表二 乙醇和辛烷燃燒的體積關(guān)系量（25）單位體積燃料產(chǎn)生的熱量耗o2 量產(chǎn)生co2量產(chǎn)生h2o量1l乙醇23468kj51.47mol34.32mol51.48mol1l辛烷33610kj77.02mol49.30mol55.46mol下面我們以四沖程單缸內(nèi)燃機(jī)為例討論以汽油（c8h18）或乙醇作燃料時(shí)內(nèi)燃機(jī)的工作情況。假設(shè)該內(nèi)燃機(jī)的其它工作過(guò)程完全相同，僅僅改變加

6、入不同的燃料使其正常工作，欲使其工作狀態(tài)完全相同，從燃料燃燒產(chǎn)生能量使其做功的角度看，只要使進(jìn)入汽缸的乙醇或者汽油（c8h18）完全燃燒后產(chǎn)生的能量使其所做的有效功（機(jī)車(chē)動(dòng)力）一樣，便能保持其正常的工作而不產(chǎn)生差別。那么在汽車(chē)的汽缸中等量的汽油（c8h18）和乙醇分別燃燒時(shí)能否做出相等的有效功呢？我們知道，內(nèi)燃機(jī)在進(jìn)入工作狀態(tài)后，燃料在氣缸內(nèi)部燃燒時(shí)釋放出大量的熱量,使燃燒后的氣體因受熱膨脹而推動(dòng)機(jī)械做功，能量轉(zhuǎn)化的途徑是：內(nèi)能熱能體積功機(jī)械能，最終機(jī)動(dòng)車(chē)在氣缸完成一個(gè)工作循環(huán)中所獲得的動(dòng)力大小取決于上述過(guò)程中體積功的大小。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣缸獲得的體積功實(shí)際上是燃料燃燒后所產(chǎn)生的高溫高壓

7、氣體在體積膨脹過(guò)程中所做的膨脹功。假設(shè)可燃混合氣在氣缸中被壓縮時(shí)（活塞處于上止點(diǎn)）氣體體積為v1，可燃混合氣在燃燒后產(chǎn)生的高溫高壓氣體做完膨脹功后體積為v2（推動(dòng)活塞移至下止點(diǎn)），則氣體對(duì)活塞所做的膨脹功為（氣體均假設(shè)為理想氣體）：wpidvdvnrtln由上式可知，氣缸被壓縮后的體積v1和氣體做完膨脹功后體積為v2一定，w的大小與氣體的物質(zhì)的量（n）和氣體的溫度（t）成正相關(guān)，即一定量燃料在氣缸中完全燃燒后產(chǎn)生的熱量越大、殘留的氣體越多，氣體對(duì)活塞所做的功（w）就越大。若使用不同的燃料，但欲使內(nèi)燃機(jī)持續(xù)地輸出相同的動(dòng)力，則只需調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速即可?，F(xiàn)在我們來(lái)討論汽油機(jī)分別采用汽油和乙醇做燃料

8、的做功情況。假設(shè)兩臺(tái)性能相同的汽油機(jī)a和b，a機(jī)采用汽油（c8h18）做燃料，b機(jī)采用乙醇做燃料，a、b的工作環(huán)境相同，進(jìn)入氣缸中的燃料混合氣恰好完全燃燒。欲使a、b輸出的功率完全相同，實(shí)際上相當(dāng)于兩者在氣缸內(nèi)所做的體積功相同，理想狀況就是兩者消耗等量的燃料后產(chǎn)生等量的熱量并生成等量且組成也相同的殘留氣體才能實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際上是有差別的。下面我們從燃料燃燒后產(chǎn)生等量的熱量和生成等量的氣體兩方面實(shí)行討論。1. a、b兩氣缸內(nèi)產(chǎn)生等量的熱量若在a、b兩氣缸內(nèi)分別燃燒汽油（c8h18）和乙醇產(chǎn)生等量的熱量，則所需乙醇和汽油（c8h18）的體積比為此時(shí)兩氣缸內(nèi)殘留氣體的組成可按下面的計(jì)算得出：c8h18（

9、l） + o2（g） 8co2（g） + 9h2o（g） 1l×7 77.02mol×7 49.30mol×7 55.46mol×7c2h5oh（l） + 3o2（g） 2co2（g） + 3h2o（g） 1l×10 51.47mol×10 34.32mol×10 51.48mol×10a氣缸內(nèi)氣體組成比為v(co2)：v(h2o)：v(n2) 49.30×7mol：55.46×7mol：77.02×7mol× 1：1.125：5.877b氣缸內(nèi)氣體組成比為v(co2)：v(

10、h2o)：v(n2) 34.32×10mol：51.48×10mol：51.47×10mol× 1：1.500：5.642a、b兩氣缸內(nèi)的氣體總體積之比為v(a，余) ： v(b，余) 2761.52mol：2794.25mol0.9882：1從上面的計(jì)算結(jié)果能夠看出，兩氣缸中的殘留氣體總量比約少1.12%，相差不大，且a、b高溫混合氣體中含有的co2相差約0.5%，但b混合氣中的水蒸氣比a中多三分之一，氮?dú)獗萢中少4%，從表三中的數(shù)據(jù)能夠看出，在1500k時(shí)水的摩爾熱容為氮?dú)獾?.45倍（一般汽油機(jī)氣缸內(nèi)膨脹后的溫度tc為11001500），在2000

11、k時(shí)水的摩爾熱容為氮?dú)獾?.55倍，由此可見(jiàn)，a、b氣缸在膨脹前的最高燃燒溫度b要略低于（一般汽油機(jī)氣缸表三 幾種氣體在k溫度下的等容摩爾熱容cv（jk-1mol-1） 溫度氣體298.15k400k600k800k1000k1500k2000kn220.8120.9421.8023.1224.3926.5427.68h2o25.2525.9327.9830.3632.8938.6742.77co228.8133.0039.0043.1145.9840.0552.02注：摘自高等教育出版社1979年3月版傅獻(xiàn)彩、陳瑞華編高等學(xué)校使用教材物理化學(xué)（上冊(cè)）第125頁(yè)內(nèi)的最高燃燒溫度為2000250

12、0)，說(shuō)明使用乙醇做燃料的內(nèi)燃機(jī)若要輸出等量的機(jī)械能，乙醇的消耗量至少需超過(guò)使用汽油（c8h18）做燃料時(shí)的42.86%，co2多排放約0.5%。因?yàn)榭扇蓟旌蠚馐峭ㄟ^(guò)高壓直流電擊穿的火花塞點(diǎn)燃，此時(shí)no氣體的產(chǎn)生不可避免。2a、b兩氣缸內(nèi)產(chǎn)生等量的殘留氣體若使a、b兩氣缸內(nèi)可燃混合氣完全燃燒后產(chǎn)生的殘留氣體物質(zhì)的量相等，則有c8h18（l）+ o2（g） 8co2（g） + 9h2o（g） al 77.02mol×a 49.30mol×a 55.46mol×ac2h5oh（l）+ 3o2（g） 2co2（g） + 3h2o（g） bl 51.47mol×

13、b 34.32mol×b 51.48mol×bv(a，余) v(a，co2)+v(a，h2o)+v(a，n2) 49.30mol×a+55.46mol×a+77.02mol×a×v(b，余) v(b，co2)+v(b，h2o)+v(b，n2) 34.32mol×b+51.48mol×b+51.47mol×b×由 v(a，余) v(b，余)，代入上面的結(jié)果，即可得出所需汽油（c8h18）和乙醇的體積之比為：v(c8h18)：v(c2h6o)a：b7.1：10與情況1.的計(jì)算結(jié)果比較，兩者所需乙醇持

14、平， 2.中所需汽油（c8h18）約增加1.43%，這些汽油（c8h18）燃燒產(chǎn)生的熱量也多增加1.43%，多增熱量能用于做氣體膨脹功的實(shí)際用量不足0.5%（熱機(jī)效率按35%計(jì)），此時(shí)a中排放氣體中的co2也略增1.43%，同理，no氣體正常生成，那么2.的討論結(jié)果實(shí)際上與1.1的結(jié)果非常接近。上述討論的兩種情況都是假設(shè)燃料在氣缸中與氧氣恰好完全燃燒的理想狀況，實(shí)際上這是不可能實(shí)現(xiàn)的。既使在非常優(yōu)良的交通條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)以2000-2500r/min的轉(zhuǎn)速勻速行駛的最低耗能狀態(tài)，也很難達(dá)到上述的理想狀況，那么在耗油更明顯的其它行駛條件下，燃料的不充分燃燒將更加明顯，況且要在極短的時(shí)間內(nèi)（少于0.

15、1秒）使燃料完成氣化、形成可燃混合氣、燃燒、膨脹過(guò)程，要讓燃料完全燃燒幾乎是不可能的。所以不論a缸或者b缸的工作過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生碳粒、co及其它污染物。乙醇燃料因自身含氧而使其易氧化性超過(guò)汽油（c8h18），但在氣缸中不完全燃燒時(shí)也僅僅使更多的碳粒轉(zhuǎn)化為co以減少碳煙的排放，但決不會(huì)完全燃燒而不排放co，雖然難產(chǎn)生碳?xì)浠衔铮瑓s能產(chǎn)生有機(jī)酸、醛、酮等新的污染物質(zhì)。另一方面，因?yàn)橐掖己推停╟8h18）分子結(jié)構(gòu)差異使得乙醇具有分子間氫鍵而使其具有比汽油（c8h18）大得多的氣化熱(約為汽油的2.8倍），造成乙醇在氣缸中因氣化耗熱多、氣化不充分產(chǎn)生比汽油多且大的液滴，導(dǎo)致可燃混合物混合不均勻，從而更容易發(fā)生不完全燃燒，產(chǎn)生co、ch3cooh、ch3cho等更多種有毒氣體。現(xiàn)已推廣使用的乙醇汽油是向汽油中加入適量的乙醇制成的混合燃料，在汽缸中的燃燒情況介于前述兩者之間，在燃燒過(guò)程中因?yàn)閮烧叩南嗷ビ绊懯怪兊帽葐我蝗剂先紵龝r(shí)要復(fù)雜一些，但這并不能減少有害物質(zhì)的生成，可通過(guò)同樣的計(jì)算方法實(shí)行比較，其結(jié)果是一樣的。此外乙醇強(qiáng)烈的親水性、高溫或低溫季節(jié)汽油與乙醇的互溶性變差（需添加助溶劑）導(dǎo)致燃料品質(zhì)的改變，乙醇對(duì)橡膠制品的溶脹作