olemme kaikki kuulleet tulesta, ja näemme sitä lähes päivittäin tulitikuissa, sytyttimissä, ilotulitteissa, kaasuliedissä ja tulisijoissa. Mutta tämä näennäisen yksinkertainen reaktio on itse asiassa monimutkainen tieteellinen tapahtuma.

mitä tuli tarkalleen ottaen on?

palo on eksoterminen, itseään ylläpitävä reaktio, joka tapahtuu kiinteän, neste-tai kaasufaasisen polttoaineen käydessä läpi nopean hapettumisen. Tätä kutsutaan palamiseksi, ja reaktiossa vapautuu lämpöä, valoa ja edelleen kemiallisia reaktioita.

muiden reaktioiden salliessa palamista luonnehditaan pääasiassa palavien aineiden yhdistämiseksi hapettavaan aineeseen.

kun polttoainetta ja hapettavaa ainetta kuumennetaan tietyn lämpötilan ohi, tapahtuu eksotermisiä kemiallisia reaktioita, joita niiden jatkuvasti tuottama lisälämpöenergia ylläpitää.

näin ollen nämä neljä alkuainetta ovat olennaisia, jotta palamisesta syntyisi tulipalo. Tämä suhde voidaan käsitteellistää palotetraedrin avulla.

Palotetraedrin malli

palotetraedri on esitys niistä alkuaineista, joita palon syttyminen edellyttää. Tetraedrin neljä tahkoa ovat polttoaine, hapettava aine (yleensä happi), lämpöenergia ja estoton ketjureaktio.

miksi tuli tarvitsee polttoainetta?

polttoaineella tarkoitetaan syttyvää tai palavaa ainetta, jota käytetään palamisprosessin aloittamiseen. Vaikka polttoaine voi olla kiinteää (puuta), nestemäistä (bensiiniä) tai kaasua (propaania), materiaalit palavat vasta höyryfaasissa. Tämä tarkoittaa sitä, että tulipalon syttyminen edellyttää palavaa kaasufaasia.

kaasufaasi saavutetaan, kun materiaalia lämmitetään leimahduspisteensä ohi höyrynpaineen aikaansaamiseksi, joka voi syttyä ilmassa ja tukea palamista.

esimerkki kiinteästä palavasta aineesta ja ehkä yleisin polttoainemuoto on puu. Tämä yhdiste on suuri molekyylipaino molekyylejä, jotka sisältävät materiaaleja, kuten ligniinit ja luonnossa esiintyvä hiilihydraatti selluloosa.

jotta puu pääsisi tarvittavaan kaasufaasiin, näiden materiaalien on läpäistävä terminen hajoaminen pyrolyysillä. Tämä tapahtuu, kun puuta kuumennetaan leimahduspisteensä ohi, jolloin selluloosa ja muut materiaalit hajoavat pieniksi molekyyleiksi, jotka voivat sitten esiintyä kaasufaasissa. Kun nämä kaasut saavuttavat syttymislämpötilansa, alkaa palaminen.

lämpöenergia

lämpöenergiaa tarvitaan, jotta polttoaineen syttyminen voidaan aloittaa ja saada se minimilämpötilaan, jota tarvitaan, jotta se tulee itsestään kestäväksi. Tätä kutsutaan syttymislämpötilaksi.

palamisen aikana syntyy lämpöenergiaa, koska reaktio on eksoterminen. Lämpöä vapautuu, kun kemialliset sidokset katkeavat ja muodostuvat kemiallisten reaktioiden aikana. Koska nämä reaktiot ovat jatkuvia, palaminen vapauttaa enemmän lämpöä kuin tulipalon ylläpitämiseen tarvitaan. Tämä tekee tulesta itsestään jatkuvan, ja myös mikä tekee siitä kuuman.

mikä on hapettava aine?

hapettavaa ainetta tarvitaan tukemaan palamista reagoimalla polttoaineen kanssa. Happi ilmassa on yleisin käytetty aine. Kun polttoaineen vapauttamat haihtuvat kaasut ovat saavuttaneet syttymislämpötilan, yhdistemolekyylit hajoavat ja rekombinoituvat hapen kanssa muodostaen vesihöyryä, hiilidioksidia, erilaisia palamistuotteita ja lisää lämpöä. Tätä prosessia kutsutaan hapettumiseksi, ja se voidaan tunnistaa palamiseksi ja savuksi.

Estoton ketjureaktio

tetraedrin lopullinen pinta on estoton ketjureaktio, jonka polttoaineen, lämmön ja hapen välinen reaktio mahdollistaa. Estoton ketjureaktio viittaa itsestään säilyvään palamiskykyyn.

koska polttoaineen ja hapen välillä tapahtuu jatkuvasti reaktioita, jotka tuottavat ylimääräisiä määriä lämpöenergiaa, liekki on aina riittävän kuuma pitämään polttoaineen syttymislämpötilassa. Siksi tuli jatkaa palamista niin kauan kuin polttoainetta ja happea on riittävästi saatavilla. Tämäkin prosessi päättyy, kun nämä lähteet on käytetty.

Conflagration: How Does Fire Spread?

näiden kemiallisten reaktioiden vaarallisuus on se, että ne ovat itsestään kestäviä. Tuli voi levitä juuri palamisesta syntyvän estottoman ketjureaktion sekä polttoaineen syttymispisteen yläpuolella pitävän lämpöenergian vuoksi.

liekkien lämpö pystyy lämmittämään ympäröivää polttoainetta, oli se sitten lähellä olevaa puuta tai palavia nesteitä. Jos Tätä lähellä olevaa polttoainetta lämmitetään sen leimahduspisteen ohi, haihtuvia kaasuja vapautuu polttoaineen siirtyessä kaasufaasiin. Tässä vaiheessa liekit ehtivät sytyttää kaasun ja levitä. Niin kauan kuin on polttoainetta ja happea, tuli pystyy leviämään.

kun on kyse siitä, miten tuli kulkee, kaikki tulee painovoimasta. Tulen kuumat kaasut ovat kuumempia ja vähemmän tiheämpiä kuin ympäröivä ilma. Siksi ne liikkuvat ylöspäin sinne, missä on pienempi paine. Siksi tuli kulkee ylämäkeen,ja myös siksi liekit osoittavat.

Liekkikemia

liekkiin liittyy monenlaisia värejä. Nämä riippuvat poltettavan polttoaineen kemiallisesta koostumuksesta, syntyvistä reaktiotuotteista ja kuumuudesta, jolla se palaa. Esimerkiksi sininen väri liekeissä johtuu hiilen ja vedyn läsnäolosta, mutta se kertoo myös, että se on liekin kuumin osa. Jos taas kupariyhdisteitä poltettaisiin, liekit olisivat vihreät.

värivaihtelu liekeissä johtuu epätasaisesta lämpötilasta. Tyypillinen esimerkki tästä on, kun tulipalo syttyy epätäydellisesti. Tämä tapahtuu, kun happea ei ole tarpeeksi pysyäkseen mukana polttoaineen palamisessa, ja se näkyy yleisesti nuotioissa. Tämä johtuu siitä, että ilmakehässämme on vain 21% happea, ja vaikka tämä riittää aiheuttamaan hapettumista, se ei riitä pitämään yllä useita kemiallisia reaktioita, jotka tapahtuvat palamisen aikana.

koska polttoaine ei pysty reagoimaan hapen kanssa, osa polttoaineesta hiilestyy itsensä kanssa muodostaen nokea. Noki kuumenee ja alkaa lähettää näkyvää valkoista valoa. Ilmassa nousevat nokihiukkaset alkavat jäähtyä, jolloin niiden emissiospektri siirtyy infrapunaan. Tämän vuoksi tulen yläosa on yleensä punainen, kun taas alaosa kellanvalkoisempi. Kun on täydellinen palaminen, eli on riittävästi happea, liekki palaa sininen. Palamisnopeuden aiheuttamat muutokset liekin värissä näkyvät helpoimmin Bunsenpolttimissa, joissa liekkiin syötettävän hapen määrää voi käsin säädellä.