第二章 實驗原理
2-1 高溫系統
在研究高溫動力學來說，該如何製造一個均勻穩定並且高溫的 環境，是一件相當重要的事。目前並不存在一套完美的高溫系統，
每種系統都有其各自的優缺點，一般而言，達成高溫的系統裝置有 火焰、高溫爐及衝擊波管等，每一種都有其優缺點，以下就這些系 統裝置作簡單的介紹：
2-1-1 火焰（flames）
最早被用來提供高溫研究環境的裝置就是火焰，以目前的技術 可涵蓋非常廣泛的溫度範圍，將 C4N2和氧氣燃燒甚至可達 5000 至 6000 K 的高溫1。但是這種裝置的缺點就是火焰的溫度分布具有二 維或三維空間的依存性，其內焰的溫度會較焰心和外焰高出許多，
並非均勻的溫度分布，所以說其溫度梯度 (temperature gradient) 是 溫度分布不均勻最主要的原因，而在這情況下也會造成系統無法均 勻的加熱。此外，火焰加熱的不穩定性也會造成系統上的誤差。以 吸收光譜法量測反應的速率常數為例，因為吸收系數是會隨著溫度 的變化而有所不同，所以溫度梯度之存在使得實驗結果產生誤差。
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8 於一大氣壓，馬赫數(mach number)為 1.4 時，過渡區的厚度僅僅約 10−4公分。
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方程式(2-2)中的獨立變量是𝑡，和 Lan grangian 體積元素的三個座標 參數𝑥
、
𝑦、
𝑧。如果𝑥是衝擊波運動的方向，則∆𝑦∆𝑧可以表示流體運藉助三大守恆式，可以推導出 Rankine-Hugoniot 方程式組：
𝜌1𝑢1 = 𝜌2𝑢2 = ∅𝑚 (2-4)
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12 速，這種處理法在使用上較具方便性。而從 Rankine-Hugoniot 方程 式的對稱性，可以得知：4
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要推導出反射衝擊波通過後的氣體分子之熱力學狀態，依然可 以利用 Rankine-Hugoniot 方程式，關係式不需因為反射衝擊波而加 以改變。另外，入射衝擊波後方和反射衝擊波的氣體，其熱力學狀 衝擊波的氣體之流動速度。藉由 Rankine-Hugoniot 方程式及等式(2-9)與(2-10)之幫助，由式(2-14)可以得到反射衝擊波通過前與通過後
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(c) 需要快速及單次的偵測方法：
由於衝擊波加熱氣體分子相當快速，高溫維持的時間相當短 暫，所以與衝擊波管結合的偵測系統，其響應時間不可太長，這使 得需要較長時間的技術，如：霍氏紅外光譜法 (Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR)就無法使用。同時為了避免干擾反應，每 次實驗後，必須將管內的氣體分子抽掉。進行實驗之前真空度都得
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(laser-Schlieren spectroscopy) ，它是利用一道雷射光通過偵測區，當 反應發生氣體樣品濃度產生變化的時候會影響其折射率，會使得雷 射光通過時折射角不同，可以藉由觀察雷射光進入偵測區之偏折角 求得折射率的變化，進一步得知濃度的變化，不過因為此方法對特 定分子之偵測不具鑑別性，較少用於化學反應之研究。但是另一種 牽涉到電子激發態(electronically excited state)躍遷的放光，如雷射誘 發螢光光譜法(laser induced fluorescence)就較不適合作為衝擊波管的 偵測法。因為此處之放光強度會受焠熄效應(quenching effect)的影
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(e) 二次反應增加系統的複雜度：
因為衝擊波管是用來研究高溫的動力學，在高溫的環境下，往 往會產生許多的自由基，而這些自由基可能和反應中的分子或其他 自由基進行反應，使得觀測得到的反應常數和真實情況的反應常數 會有差異，此時必須使用模擬適解方法去模擬有可能在實驗中發生 的各反應在實驗件下的影響，以求出較精確而貼近實際反應的數 值，但是這個方法必須要所有發生的反應之反應常數，故處理數據 上的複雜度就大大的增加，必須小心處理，但是相較於用擬一級反 應的原理所求出的反應常數，模擬適解方法之準確度已被大幅提 升。
總結上述，對於研究高溫及快速氣相的反應，衝擊波管是一套 相當理想的系統。
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2-4 參考文獻
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圖(2-1)：高溫爐實驗裝置圖，可由側邊導入光解雷射光並於 90º角 偵測信號變化。
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圖(2-2)：由活塞運動形成衝擊波示意圖。利用不同高度的長條型方 塊，來區別不同時間產生的衝擊波，而方塊的高度與氣體密度成正 比。從圖(a)-(f)的變化情形可以發現，隨著時間的增加，最後形成的 衝擊波會追上先前的衝擊波，而逐漸形成歸一化的衝擊波。
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圖(2-3)：實驗室座標系統中，衝擊波前後的氣體熱力學性質示意 圖。其中下標 1 和 2 分別代表衝擊波通過前與通過後的流體之性 質。𝑢, 𝑃, 𝜌, 𝑇, 𝐸 分別為流體速度、壓力、密度、溫度及內能。
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圖(2-4)：衝擊波通過前後氣體熱力學狀態改變示意圖。6以位置對 時間（X-t）、位置對壓力（X-P）及位置對溫度（X-T）的關係表 示。
(1)初始樣品氣體 (2)受入射波衝擊的樣品氣體 (3)接觸面後的驅動氣體 (4)初始驅動氣體 (5)受反射波衝擊的樣品氣體
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圖(2-5)：壓力比(P2⁄ )與入射衝擊波馬赫數MP1 1之關係圖。其中γ 值 分別為 1.67、1.40、1.20 及 1.10，𝛾值對P2⁄ 比值並無明顯影響。P1
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圖(2-6)：密度比(ρ2⁄ )與入射衝擊波馬赫數Mρ1 1之關係圖。其中γ 值 分別為 1.67、1.40、1.20 及 1.10，當 γ 值增加時密度ρ2⁄ 比值隨之ρ1 減小。
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圖(2-7)：溫度比(T2⁄ )與入射衝擊波馬赫數MT1 1之關係圖。其中γ 值 分別為 1.67、1.40、1.20 及 1.10。
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圖(2-8)：入射衝擊波與反射衝擊波時間 t 與位置 x 的關係圖。
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圖(2-9)：壓力比(P5⁄ )與入射衝擊波馬赫數MP1 1之關係圖。其中γ 值 分別為 1.67、1.40、1.20 及 1.10。
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圖(2-10)：密度比(ρ5⁄ )與入射衝擊波馬赫數Mρ1 1之關係圖。其中 γ 值分別為 1.67、1.40、1.20 及 1.10。
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圖(2-11)：溫度比(T5⁄ )與入射衝擊波馬赫數MT1 1之關係圖。其中 γ 值分別為 1.67、1.40、1.20 及 1.10。
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