Горение, сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу горения составляют экзотермические окислительные реакции вещества, способного к горению (горючего), с окислителем. Современная физико-химическая теория горения относит к горению все химические процессы, связанные с быстрым превращением и тепловым или диффузионным их ускорением, в том числе разложение взрывчатых веществ, озона, и др.; соединение ряда веществ с хлором, фтором и т. д.; взаимодействие многих металлов с хлором, окисей натрия и бария с двуокисью углерода и т. д. Химическая реакция горения в большинстве случаев является сложной, т. е. состоит из большого числа элементарных химических процессов. Кроме того, химическое превращение при горении тесно связано с рядом физических процессов — переносом тепла и масс и характеризуется соответствующими гидро- и газодинамическими закономерностями. В силу комплексной природы горения, суммарная скорость горения практически никогда не тождественна скорости чисто химического взаимодействия реагентов системы. Более того, для гетерогенных процессов скорость горения часто эквивалентна скорости того или иного лимитирующего чисто физического процесса (испарения, диффузии и т. д.).
Наиболее общее свойство горения — возможность при известных условиях прогрессивного самоускорения химического превращения — воспламенения, связанного с накоплением в реагирующей системе тепла или активных продуктов цепной реакции, Характерная черта явлений горения — способность к пространственному распространению, вследствие передачи тепла или диффузии активных частиц; в первом случае говорят о тепловом, во втором — о диффузионном механизме распространения пламени. Другая характерная особенность горения — наличие критических условий, т. е. определенных, характерных для данной горючей системы областей значений параметров (состав смеси, давление, содержание примесей, начальная температура смеси и т. д.), вне которых реакция горения протекает стационарно, а внутри области — самоускоряется. Диффузионный механизм горения обычно наблюдается при низких давлениях. Горение широко применяется в технике для получения тепла в топках, печах и камерах сгорания двигателей. При этом очень часто используется так называемое диффузионное горение, при котором распространение пламени определяется взаимной диффузией (кондуктивной или турбулентной) горючего и окислителя.
Для любого вида горения характерны две типичные стадии — воспламенение и последующее сгорание (догорание) вещества до продуктов полного горения. Время, затрачиваемое на обе стадии, составляет общее время горения. Обеспечение минимального суммарного времени горения при максимальной полноте горения (полноте тепловыделения) — основная задача техники сжигания. Для технического горения важны также физические процессы подготовки смеси: испарение, перемешивание и т. д. Основные термодинамические характеристики горючей смеси — теплотворная способность и теоретическая (или адиабатическая) температура горения, т. е. та температура, которая могла бы быть достигнута при полном сгорании без потерь тепла.
По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают: 1) гомогенное горение — горение газов и парообразных горючих в среде газообразного окислителя (большей частью кислорода воздуха); 2) горение взрывчатых веществ и порохов; 3) гетерогенное горение — горение жидких и твёрдых горючих в среде газообразного окислителя; горение в системе жидкая горючая смесь — жидкий окислитель (например, кислота).
Гомогенное горение. Наиболее простой случай представляет горение заранее перемешанных смесей. Большей частью реакции являются цепными (см. Цепные реакции). В обычных условиях горения при их развитии (зарождении и развитии цепей) определяющее значение имеет предварительное нагревание вещества (термическая активация).
Для начала горения необходим начальный энергетический импульс, чаще всего нагревание горючего. Различают 2 способа воспламенения: самовоспламенение и вынужденное воспламенение, или зажигание (накалённым телом, пламенем, электрической искрой и др.).
Важнейший вопрос теории горения — распространение пламени (зоны резкого возрастания температуры и интенсивной реакции). Различают нормальное распространение горения, или дефлаграцию, где ведущим процессом является передача тепла теплопроводностью, и детонацию, где поджигание производится ударной волной. Нормальное горение, в свою очередь, подразделяется на ламинарное и турбулентное.
Ламинарное пламя обладает вполне определённой скоростью перемещения относительно неподвижного газа, которая зависит от состава смеси, давления и температуры и определяется только химической кинетикой и молекулярной теплопроводностью. Эта нормальная скорость является физико-химической константой смеси.
Скорость распространения турбулентного пламени зависит от скорости потока, а также степени и масштаба турбулентности. Горение в потоке (факельный процесс) — горение струи при её истечении из трубы (сопла) в открытое пространство или камеру — очень распространённый в технике вид горения. Различают горение при истечении заранее перемешанной смеси и горение при раздельном истечении горючего и окислителя, когда процесс определяется перемешиванием (диффузией) двух потоков.
В условиях горения в потоке большое практическое значение имеет вопрос удержания пламени на горелке или в камере. Задача обычно решается или путём непрерывного зажигания смеси от специального зажигательного устройства, или с помощью установки поперёк потока плохо обтекаемых тел (стабилизирующих экранов), обеспечивающих обратную циркуляцию горячих продуктов горения.
Горение взрывчатых веществ (ВВ) — самораспространение зоны экзотермической химической реакции разложения взрывчатого вещества или взаимодействия его компонентов посредством передачи от слоя к слою энергии реакции в виде тепла. В том случае, когда газообразные продукты горения могут свободно оттекать от горячего заряда, горение ВВ, в отличие от их детонации, обычно не сопровождается значительным повышением давления и не принимает характера взрыва. Конденсированные ВВ, аналогично смесям газообразных горючих и окислителей, не требуют подвода кислорода извне.
Скорость горения зависит от природы ВВ, а также от давления, температуры, плотности заряда и др. факторов и при атмосферном давлении для различных ВВ изменяется от долей мм до нескольких м в сек. Для инициирующих ВВ она, как правило, в десятки и сотни раз больше, чем для вторичных.
Гетерогенное горение. Для горения жидких веществ большое значение имеет процесс их испарения. Горение легко испаряющихся горючих практически относится к гомогенному горению, т. к. такие горючие ещё до воспламенения полностью или почти полностью успевают испариться. Применительно к жидким горючим различают 2 характеристики: температуру вспышки и температуру обычного самовоспламенения.
Широко распространённой жидкой гетерогенной системой является высокодисперсная капельная система, для которой определяющее значение имеют законы воспламенения и горения каждой отдельной капли. В отличие от гомогенного горения ,в этом случае стадия воспламенения играет относительно меньшую роль.
Горение твёрдых веществ в простейшем случае не сопровождается разложением вещества с выделением их летучих компонентов (например, горение металлов). В технике большое значение имеет горение твёрдого топлива, главным образом углей, содержащих углерод и некоторое количество органических веществ, которые при нагревании топлива разлагаются и выделяются в виде паров и газов. Термически неустойчивую часть топлива принято называеть летучей, а газы — летучими. При быстром нагревании частиц топлива (что возможно для частиц малого размера) летучие компоненты могут не успеть выделиться и сгорают вместе с углеродом. При медленном нагревании наблюдается чёткая стадийность начального этапа горения — сначала выход летучих компонентов и их воспламенение, затем воспламенение и горение твёрдого, так называемого коксового, остатка, который кроме углерода содержит минеральную часть топлива — золу.
Каталитическое, или, вернее, поверхностное каталитическое, горение газовых смесей относится к классу гомогенно-гетерогенных процессов горения: химический процесс может протекать как в объёме, так и на катализирующей твёрдой поверхности (например, на платине). В зависимости от конкретных условий может проявляться гомогенный или гетерогенный тип горения. При высоких температурах, когда объёмное горение идёт быстро, роль поверхностно-каталитического горения, как правило, мала и может быть заметной только в случае, когда смесь течёт в узких каналах, пористых материалах или мелкозернистых засыпках из катализатора. Применяемый в технике термин «беспламенное» горение газовых смесей не всегда эквивалентен понятию поверхностно-каталитического горения Скорее он является характеристикой горения без светящегося пламени.
Лит.: Семенов Н. Н., О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности, М., 1954; Кондратьев В. Н., Кинетика химических газовых реакций, М.,1958; Хитрин Л. Н. Физика горения и взрыва, М., 1957; 3ельдович Я. Б., Горение углерода, М. — Л.,1949; Франк-Каменецкий Д. А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике, М. — Л., 1947: Льюис Б. и Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах, пер. с англ., M .,1948; Иост В., Взрывы и горение в газах, пер. с нем., М., 1952; Щелкин К. И. и Трошин Я. К., Газодинамика горения, М., 1963; Гейдон А. Г. и Волфгард Х. Г., Пламя, его структура, излучение и температура, пер. с англ.. М., 1959; Беляев А. Ф., Горение, детонация и работа взрыва конденсированных систем, М., 1968; Чугаев Л. А., Открытие кислорода и теория горения в связи с философскими учениями древнего мира. Избр. труды, т. 3, М., 1962, С.350—94; Gregory J. С., Combustion from Heracleitos to Lavoisier, L., 1934.