Table Of ContentFORTSCHRITTE DER PHYSIKALISCHEN CHEMIE
FORTSCHRITTE DER PHYSIKALISCHEN CHEMIE
HERAUSGEGEBEN VON
PROF. DR. W. JOST . GOTTINGEN
BAND 3
CHEMISCHE REAKTIONEN IN STOSSWELLEN
DR. DIETRICH STEINKOPFF VERLAG
DARMSTADT 1959
CHEMISCHE REAKTIONEN
IN STOSSWELLEN
VON
PROF. DR. E. F. GREENE und DR. J. P. TOENNIES
Metcalf Research Laboratory. Brown University. Providence. R. I.
UBERSETZT VON
DR. H. G. WAGNER
Institut flir physikalische Chemic der Universitat Giittingen
Mit 85 Abbildungen
in 102 Einzcldarstellungen und 15 Tabellen
DR. DIETRICH STEINKOPFF VERLAG
DARMSTADT 1959
ISBN-13: 978-3-7985-0157-7 e-ISBN-13: 978-3-642-45794-4
001: 10.1007/978-3-642-45794-4
Alle Rechte vorbehalten
Kein Teil dieses Buches darf in irgendeiner Form
(Fotokopie, Mikroftlm oder ein anderes Verfahren)
ollne schriftliche Genehmigung des Verlages reproduziert werden.
Copyright 1959 by Dr. Dietrich SteinkoplfVerlag, Darmstadt
Zw eek und Ziel der Sammlung
Die vorliegende Monographienreihe verdankt ihre Entstehung noch einer
Anregung H. ULICHS. Sie wird in anspruchslosen kleinen Bandchen die
heutigen Kenntnisse aus verschiedenen Zweigen unseres Faches darstellen.
Der in Industrie, Forschung oder Lehre tatige Wissenschaftler kann daraus
den neuesten Stand eines Gebietes kennenlernen: der Studierende Ergan
zungen iiber den knappen Rahmen vorhandener Lehrbiicher hinaus finden.
Auch mag diese Reihe in gewissem Sillne sich zu eillem flexiblell Ersatz
llicht existierellder Halldbiicher elltwickelll.
HERAUSGEBER UND VERLAG
Vorwort
In dieser Monographie wird versucht, die Theorie der StoBwelien und die
experimentellen Methoden zu ihrer Untersuchung zu beschreiben. Das Buch
wendet sich besonders an Chemiker und Physiker, die an der Anwendung
dieser neuen Methode zur Erforschung der Kinetik schneller Gasreaktionen
und zur Bestimmung von ZustandsgroBen und Zustandsgleichungen unter
extremen Bedingungen interessiert sind.
Die Sto.Bwelientechnik wurde erst in den letzten Jahren in groBerem Um
fang zur Behandlung dieser Probleme herangezogen. Die groBe Zahl der
seitdem veroffentlichten Experimente verspricht auch fur die Zukunft
weitere interessante Ergebnisse. Da viele der Arbeiten weder allgemein zu
ganglich sind, noch an anderer Stelle zusammengefaBt wurden, erschien uns
jetzt der Zeitpunkt geeignet fur die Abfassung dieser Monographie. Wir
haben uns bemuht, aIle bis zum Sommer 1957 erschienenen Arbeiten heran
zuziehen. Wegen unvermeidlicher Fehler, Unklarheiten im Text und nicht
berucksichtigter Literatur bitten wir den Leser um Nachsicht.
Der zu behandelnde Stoff wurde in sieben Kapitel unterteilt. 1m ersten
Kapitel werden die Eigenschaften von StoBwelien beschrieben. 1m zweiten
Kapitel werden die hydrodynamischen Gleichungen allgemein abgeleitet
und fiir den stationaren Fall eines idealen Gases im Gleichgewicht speziali
siert. In Kapitel III werden die Zustandsgleichungen realer Gase behandelt
und in die hydrodynamischen Gleichungen eingesetzt. Das vierte Kapitel
behandelt die Theorie der Ubergangszone, ausgehend von sehr schnellen
kinetischen Vorgangen. Weiter wird dort beschrieben, wie man aus beob
achteten Konzentrationsanderungen Geschwindigkeitskonstanten chemi
scher Reaktionen ermitteln kann. Kapitel V befaBt sich mit der Erzeugung
von StoBwelien im StoBrohr und deren Abweichungen vom idealen Ver
halten. Die experimentellen Methoden zur Messung verschiedener GroBen
in StoBwellen sind im sechsten Kapitel zusammengefa.Bt. SchlieBlich sind
in Kapitel VII Experimente mit StoBwellen tabelliert und einige ausge
wahlte Beispiele ausfuhrlich beschrieben.
Wir wahlten diese Gliederung, um dem Leser ein kritisches Studium der
am SchluB behandelten Experimente zu ermoglichen. Fiir Leser, die sich
weniger fUr die Einzelheiten physikalischer Vorgange interessieren und die
nur einen Uberblick gewinnen wollen, empfehlen wir die folgenden Ab-
VIII Vorwort
schnitte: Kap. I Seite 17-30, Kap. II Seite 42-54, Kap. III Seite 63-76,
Kap. IV Seite 82-102 und die Abschnitte von Kap. VII, rue speziell inter
essieren.
Die Abfassung dieser Monographie wurde von Herrn Prof. Dr. W. JOST
angeregt, und wir sind ihm sehr dankbar, daB sie als Beitrag in rue Reihe:
"Fortschritte der physikalischen Chemie" aufgenommen wurde. Den Herren
Prof. E. FREEDMAN, Prof. H. B. PALMER, Dr. C. J. S. M. SIMPSON und
Dr. H. Gg. WAGNER danken wir dafiir, daB sie das Manuskript kritisch
gelesen und uns wertvolle Hilfe beim Auffinden von Fehlern und irrefUhren
den Formulierungen geleistet haben. Eine groBe Hilfe waren uns die vielen
Diskussionen mit Mitarbeitern des Metcalf Research Laboratory, von denen
wir besonders die Herren Prof. Dr. D. F. HORNIG, Dr. H. ANDERSEN,
Dr. K. H. HANSEN, Dr. G. TURRELL, Mr. C. F. ATEN und Mr. W. L. PATTER
SON jr. hier nennen mochten. Fiir die korrekte und sachverstandige TIber
setzung danken wir Herrn Dr. H. Gg. WAGNER.
Dem Verleger, Herrn Dr. D. STEINKOPFF danken wir fUr seine Geduld und
sein bereitwilliges Eingehen auf Sonderwiinsche.
Providence, R. 1., November 1958
E. F. GREENE
J. P. TOENNIES
Inhaltsverzeichnis
Zweck und Ziel der Sammlung. V
Vorwort ..... . VII
Liste der Symbole . . XIII
Kap. I. Vergleich der StoBwellenmethode mit anderen Verfahren zur
Untersuchung von schnellen chemischen Reaktionen und Erschei-
nungen bei hohen Temperaturen . . . . . . . . . . . . .. 1
A. Die Verwendung von Sto{3wellen zur Losung chemischer Probleme . 1
B. Andere Methoden zur Untersuchung von schnellen chemischen Reaktio-
nen und von Erscheinungen bei hohen Temperaturen 1
C. Beschreibung von Sto{3wellen 4
D. Vorteile von Sto{3wellen 7
1. Sehr plotzlicher Temperaturanstieg . 7
2. Sehr hohe Temperaturen . . . . . 8
3. Willkiirliche Wahl der Temperatur . 8
4. Homogene Aufheizung . . . . . 8
5. Aufheizung jedes beliebigen Gases 8
6. Einfache Versuchsanordnungen 8
E. Nachteile von Sto{3wellen . 9
1. Kurze Aufheizzeiten . . 9
2. Komplizierte MeJ3gerate 9
3. Nur Gase sind leicht zu untersuchen 9
4. Wenig Versuchssubstanz . . . . . 9
5. Abweichungen von dem errechneten Verhalten 10
Kap. II. Die hydrodynamische Theorie der StoBwellenausbreitung iu
einem idealen Gas mit konstanter spezifischer Warme . . . .. 11
A. Historischer Uberblick uber die hydrodynamische Theorie der Sto{3-
wellenausbreitung . . . . 11
B. Einleitende Bemerkungen. . . . . . . . . . . . . . 12
C. Erhaltungsgleichungen fur eindimensionale Stromungen 13
x Inhaltsverzeichnis
D. Die Losung der Erhaltungsgleichungen fur ein ideales Gas mit konstan-
ter spezi{ischer Wiirme . . . . . . .. ........... 20
E. Die Losung der Erhaltungsgleichungen fUr eine normal reflektierte
Stof3welle in einem idealen Gas mit konstanter spezi{ischer W iirme 23
Kap. III. Berechnung von Stof.lwellen-Daten fUr reale Gase 31
A. Einleitende Bemerkungen . ..... . 31
B. Daten von Stof3wellen in realen Gasen mit temperaturunabhiingiger
spezifischer Wiirme 32
C. Energieinhalt eines Gases 35
1. Translationsenergie 36
2. Rotationsenergie 36
3. Schwingungsenergie 36
4. Elektronenanregungsenergie . 38
5. Reaktionsenergie 38
6. Ionisierungsenergie 42
D. Die kalorische Zustandsgleichung 42
E. Die Berechnung von Daten einfallender und reflektierter Stof3wellen fur
ein Gas mit temperaturabhiingiger spezi{ischer Wiirme . . . . .. 44
F. Daten fur ein/allende und reflektierte StOf3e in einigen realen Gasen 54
Kap. IV. Theorie der Stof.lfront 55
A. Einleitende Bemerkungen . 55
B. Dicke der Stof3/ront 56
1. Dicke der StoJ3front in einem einatomigen Gas nach der Kontinuums
theorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2. Dicke der StoJ3front in einem einatomigen Gas nach der kinetischen
Gastheorie . . . . . ". . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3. Theorie der Dicke der StoJ3front in zwei- und mehratomigen Gasen 62
C. Vorgiinge, die langsam verlaufen, verglichen mit der Zeit des Durchgangs
durch eine Stof3front . . 63
1. Qualitative Diskussion 63
2. Schwingungsrelaxation 66
3. Chemische Reaktionen 70
4. Vereinfachte Dissoziationsreaktionen 73
5. Zusammenfassung . . . . . . . . 76
Inhaltsverzeichnis XI
Kap. V. Die Erzeugung von Sto.6wellen im Sto.6rohr 77
A. Einleitende Bemerkungen. . . . . . . 77
B. Methoden zur Erzeugung von Stof3wellen 77
1. Windkanal . 77
2. Geschosse. . 79
3. Explosionen 80
4. Das StoJ3rohr 82
C. Theorie eines gasbetriebenen Stof3rohres . 84
D. Konstruktion eines Stof3rohres. . . . . 92
E. Abweichungen der Versuche von Berechnungen unter Voraussetzung
idealen Verhaltens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Kap. VI. Messung von Sto.6wellendaten . 104
A. Einleitende Bemerkungen. . . . . . 104
B. Geschwindigkeit der einfallenden Stof3welle 104
1. Elektrische Sonden. . . . . . . 105
2. Schlieren und Reflexionsvermogen 107
3. Piezo-elektrische Empfanger 108
4. Erhitzte Drahte und Folien . . 108
5. Licht-Emission oder Absorption 109
6. Druckkontakt. . . . . . . . 114
C. Geschwindigkeit der reflektierten Stof3welle 114
D. Stromungsgeschwindigkeit 115
E. Geschwindigkeit der freien Oberfliiche 115
F. Dichte ..... 116
1. Interferometer. 116
2. Schlieren . . . 118
3. Reflexionsvermogen 119
4. Rontgenstrahlabsorption 121
5. Elektronenstreuung . . 122
6. Lichtabsorption und -Emission 122
7. Ionendichte . 126
G. Temperatur 127
H. Druck .. 128
