mindannyian hallottunk már a tűzről, és szinte minden nap láthatjuk mérkőzéseken, öngyújtókban, tűzijátékokban, gáztűzhelyekben és kandallókban. De ez a látszólag egyszerű reakció valójában összetett tudományos esemény.

mi a tűz pontosan?

a tűz egy exoterm, önfenntartó reakció, amely akkor következik be, amikor egy szilárd, folyékony vagy gázfázisú üzemanyag gyors oxidáción megy keresztül. Ezt égésnek nevezik, és a reakció hőt, fényt és további kémiai reakciókat bocsát ki.

miközben lehetővé teszi más reakciók bekövetkezését, az égést elsősorban az éghető anyagok oxidálószerrel való kombinálása jellemzi.

amikor az üzemanyagot és az oxidálószert egy bizonyos hőmérséklet mellett hevítik, exoterm kémiai reakciók lépnek fel, és azokat a további hőenergia tartja fenn, amelyet folyamatosan termelnek.

ezért az égésből származó tűz előállításához ez a négy elem elengedhetetlen. Ez a kapcsolat a tűz tetraéderében fogalmazható meg.

A tűz tetraéder modell

a tűz tetraéder a tűz keletkezéséhez szükséges elemek ábrázolása. A tetraéder négy oldala üzemanyag, oxidálószer (általában oxigén), hőenergia és gátlástalan láncreakció.

miért kell a tűznek üzemanyag?

az üzemanyag gyúlékony vagy éghető anyagra utal, amelyet az égési folyamat megkezdésére használnak. Míg az üzemanyag lehet szilárd (fa), folyékony (benzin) vagy gáz (propán), az anyagok csak akkor égnek, ha a gőzfázisban vannak. Ez azt jelenti, hogy a tűz megkezdéséhez éghető gázfázisnak kell léteznie.

a gázfázis akkor érhető el, amikor egy anyag felmelegszik a lobbanáspontján annak érdekében, hogy olyan gőznyomást fejtsen ki, amely a levegőben meggyulladhat, és elősegítheti az égést.

egy példa a szilárd éghető anyag, talán a leggyakoribb formája az üzemanyag, a fa. Ennek a vegyületnek nagy molekulatömegű molekulái vannak, amelyek olyan anyagokat tartalmaznak, mint a ligninek és a természetben előforduló szénhidrát-cellulóz.

ahhoz, hogy a fa elérje a szükséges gázfázist, ezeket az anyagokat pirolízissel termikus bomlásnak kell alávetni. Ez akkor fordul elő, amikor a fát a lobbanáspont mellett hevítik, ami miatt a cellulóz és más anyagok kis molekulákká bomlanak, amelyek ezután gázfázisban létezhetnek. Amikor ezek a gázok elérik gyújtási hőmérsékletüket, égés kezdődik.

hőenergia

hőenergia szükséges az üzemanyag meggyulladásának megkezdéséhez és ahhoz, hogy az önfenntartóvá váljon. Ezt a gyújtási hőmérsékletnek nevezik.

az égés során hőenergia keletkezik, mivel a reakció exoterm. Hő szabadul fel, amikor a kémiai kötések megszakadnak és kémiai reakciók során keletkeznek. Mivel ezek a reakciók folyamatban vannak, az égés több hőt bocsát ki, mint amennyi a tűz fenntartásához szükséges. Ez az, ami a tüzet önfenntartóvá teszi, és azt is, ami melegíti.

mi az oxidálószer?

oxidálószerre van szükség az égés fenntartásához az üzemanyaggal való reagálással. A levegő oxigénje a leggyakoribb alkalmazott szer. Miután az üzemanyag által kibocsátott illékony gázok elérték a gyújtási hőmérsékletet, az összetett molekulák szétszakadnak és oxigénnel rekombinálódnak, így vízgőzt, szén-dioxidot, különböző égéstermékeket és több hőt képeznek. Ezt a folyamatot oxidációnak nevezik, amely égő és füstként is felismerhető.

gátlástalan láncreakció

a tetraéder végső felülete a gátlástalan láncreakció, amelyet az üzemanyag, a hő és az oxigén közötti reakció tesz lehetővé. A gátlástalan láncreakció az égés önfenntartó képességére utal.

az üzemanyag és az oxigén közötti folyamatos reakciók miatt, amelyek többlet hőenergiát generálnak, a láng mindig elég meleg lesz ahhoz, hogy az üzemanyagot gyújtási hőmérsékleten tartsa. Ezért a tűz tovább fog égni, amíg elegendő üzemanyag és oxigén áll rendelkezésre. Ez a folyamat hasonlóan befejeződik, amikor ezeket a forrásokat elköltötték.

összefolyás: hogyan terjed a tűz?

ezeknek a kémiai reakcióknak a veszélye az, hogy önfenntartóak. A tűz pontosan terjedhet az égésből eredő gátlástalan láncreakció miatt, valamint a hőenergia miatt, amely az üzemanyagot a gyújtási pont felett tartja.

a lángok hője képes felmelegíteni a környező üzemanyagot, legyen az Közeli fa vagy gyúlékony folyadék. Ha ezt a közeli üzemanyagot felmelegítik, akkor az illékony gázok felszabadulnak, amikor az üzemanyag belép a gázfázisba. Ezen a ponton a lángok képesek meggyújtani a gázt és továbbterjedni. Amíg van üzemanyag és rendelkezésre álló oxigén, a tűz képes szaporodni.

amikor arról van szó, hogy a tűz hogyan halad, minden a gravitációra esik. A tűzben lévő forró gázok forróbbak és kevésbé sűrűek, mint a környező levegő. Ezért felfelé mozognak, ahol alacsonyabb nyomás van. Ez az oka annak, hogy a tűz felfelé halad, és ezért a lángok hegyesek.

Lángkémia

a lángokhoz különböző színek társulnak. Ezek az égetett üzemanyag kémiai összetételétől, a keletkező reakciótermékektől, valamint az égő hőtől függenek. A lángokban lévő kék szín például a szén és a hidrogén jelenlétének köszönhető, de azt is jelzi, hogy ez a láng legmelegebb része. Ha rézvegyületek égnének, a lángok viszont zöldek lennének.

a láng színváltozása az egyenetlen hőmérsékletnek köszönhető. Ennek tipikus példája az, amikor a tűz hiányos égésen megy keresztül. Ez akkor fordul elő, ha nincs elég oxigén ahhoz, hogy lépést tartson az üzemanyag elégetésével, és általában a tábortűzben látják. Ez azért van, mert légkörünkben csak 21% oxigén van, és bár ez elég ahhoz, hogy oxidációt okozzon, nem elegendő lépést tartani az égés során bekövetkező többszörös kémiai reakciókkal.

mivel nem képes reagálni az oxigénnel, az üzemanyag egy része önmagával karbonizál, hogy koromot hozzon létre. A korom rendkívül forró lesz, és látható fehér fényt bocsát ki. A levegőben felemelkedő koromrészecskék lehűlnek, ami a kibocsátási spektrumukat infravörös értékre változtatja. Ez az oka annak, hogy a tűz teteje általában piros, míg az alsó sárga-fehér. Ha teljes égés van, ami azt jelenti, hogy elegendő oxigénellátás van,a láng kékre ég. Az égési sebesség által okozott lángszínváltozások a legkönnyebben a Bunsen égőkben láthatók, ahol manuálisan szabályozhatja a lángba táplált oxigén mennyiségét.