Vi har alle hørt om ild og ser det næsten hver dag i kampe, lightere, fyrværkeri, gaskomfurer og pejse. Men denne tilsyneladende enkle reaktion er faktisk en kompleks videnskabelig begivenhed.

Hvad er brand nøjagtigt?

brand er en eksoterm, selvforstærkende reaktion, der sker, når et fast, flydende eller gasfasebrændstof gennemgår hurtig iltning. Dette er kendt som forbrænding, og reaktionen frigiver varme, lys og yderligere kemiske reaktioner.

mens andre reaktioner kan finde sted, karakteriseres forbrænding overvejende som en kombination af brændbare materialer med et brandnærende middel.

når brændstof og et brandnærende stof opvarmes forbi en bestemt temperatur, forekommer eksoterme kemiske reaktioner og opretholdes af den ekstra varmeenergi, som de konstant genererer.

derfor er disse fire elementer vigtige for en brand, der skal produceres ved forbrænding. Dette forhold kan konceptualiseres i fire tetraeder.

Fire Tetrahedron Model

fire tetrahedron er en repræsentation af de elementer, der er nødvendige for en brand at forekomme. Tetrahedronens fire ansigter er brændstof, et iltningsmiddel (normalt ilt), varmeenergi og en uhæmmet kædereaktion.

Hvorfor har Brand brug for brændstof?

brændstof refererer til et brændbart eller brændbart materiale, der bruges til at starte forbrændingsprocessen. Mens brændstof kan være et fast stof (træ), væske (bensin) eller gas (propan), vil materialerne kun brænde, når de er i dampfasen. Det betyder, at for at brand skal begynde, skal der eksistere en brændbar gasfase.

gasfasen opnås, når et materiale opvarmes passeret dets flammepunkt for at udøve et damptryk, der kan antænde i luft og understøtte forbrænding.

et eksempel på et fast brændbart materiale, og måske den mest almindelige form for brændstof, er træ. Denne forbindelse har molekyler med høj molekylvægt, der inkluderer materialer som ligniner og naturligt forekommende kulhydratcellulose.

for at træ skal nå den nødvendige gasfase, skal disse materialer gennemgå termisk nedbrydning ved pyrolyse. Dette sker, når træet opvarmes forbi dets flammepunkt, hvilket får cellulosen og andre materialer til at nedbrydes til små molekyler, der derefter kan eksistere i gasfase. Når disse gasser når deres antændelsestemperatur, begynder brændingen.

varmeenergi

varmeenergi er nødvendig for at starte tændingen af brændstoffet og for at få det til den minimale temperatur, der kræves for det bliver selvbærende. Dette kaldes antændelsestemperaturen.

varmeenergi produceres under forbrænding, fordi reaktionen er eksoterm. Varme frigives, når kemiske bindinger brydes og dannes under kemiske reaktioner. Da disse reaktioner pågår, frigiver forbrænding mere varme, end det er nødvendigt for at opretholde en brand. Det er det, der gør en brand selvforsynende, og også hvad der gør det varmt.

Hvad er et brandnærende middel?

der kræves et brandnærende middel til at understøtte afbrænding ved at reagere med brændstoffet. Ilt i luften er det mest almindelige middel, der anvendes. Når de flygtige gasser, der frigives af brændstoffet, har nået antændelsestemperaturen, bryder de sammensatte molekyler fra hinanden og rekombineres med ilt for at danne vanddamp, kulsyre, forskellige forbrændingsprodukter og mere varme. Denne proces kaldes iltning, og kan genkendes som brændende og røg.

uhæmmet kædereaktion

tetrahedronens endelige overflade er den uhæmmede kædereaktion, der aktiveres af reaktionen mellem brændstof, varme og ilt. En uhæmmet kædereaktion henviser til den selvforstærkende evne til forbrænding.

på grund af de kontinuerlige reaktioner, der finder sted mellem brændstof og ilt, som genererer overskydende mængder varmeenergi, vil flammen altid være varm nok til at holde brændstoffet ved antændelsestemperatur. Derfor vil ilden fortsætte med at brænde, så længe der er nok brændstof og ilt til rådighed. Denne proces afsluttes ligeledes, når disse kilder er brugt.

forbrænding: Hvordan spredes ild?

faren for disse kemiske reaktioner er, at de er selvbærende. Brand kan sprede sig netop på grund af den uhæmmede kædereaktion, der opstår ved forbrænding, og fra den varmeenergi, der holder brændstoffet over tændingspunktet.

flammens varme er i stand til at opvarme omgivende brændstof, uanset om det er nærliggende træ eller brandfarlige væsker. Hvis dette nærliggende brændstof opvarmes, passerer dets flammepunkt, frigives flygtige gasser, når brændstoffet går ind i dets gasfase. På dette tidspunkt er flammerne i stand til at antænde gassen og sprede sig. Så længe der er brændstof og tilgængelig ilt, er ild i stand til at formere sig.

når det kommer til, hvordan ild bevæger sig, kommer det hele ned til tyngdekraften. De varme gasser i ilden er varmere og mindre tætte end den omgivende luft. Derfor bevæger de sig opad, hvor der er lavere tryk. Dette er grunden til, at ild bevæger sig op ad bakke, og også hvorfor flammer er spidse.

Flammekemi

der er en række farver forbundet med flammer. Disse afhænger af den kemiske sammensætning af brændstoffet, der brændes, reaktionsprodukterne, der genereres, og den varme, hvormed det brænder. For eksempel skyldes farven blå i flammer tilstedeværelsen af kulstof og brint, men det indikerer også, at det er den varmeste del af flammen. Hvis der var kobberforbindelser, der blev brændt, ville flammerne på den anden side være grønne.

farvevariation i en flamme skyldes ujævn temperatur. Et typisk eksempel på dette er, når en brand gennemgår ufuldstændig forbrænding. Dette sker, når der ikke er nok ilt til at holde trit med brændstoffet, og det ses almindeligvis i lejrbål. Dette fordi der kun er 21% ilt i vores atmosfære, og selvom dette er nok til at forårsage iltning, er det ikke nok at holde trit med de mange kemiske reaktioner, der finder sted under forbrænding.

at være ude af stand til at reagere med ilt, noget af brændstoffet karboniserer med sig selv for at skabe sod. Sot bliver ekstremt varmt og begynder at udsende et synligt hvidt lys. Sodpartiklerne, der stiger i luften, begynder at afkøle, hvilket får deres emissionsspektrum til at skifte til infrarød. Dette er grunden til, at toppen af en ild normalt er rød, mens bunden er mere gul-hvid. Når der er fuldstændig forbrænding, hvilket betyder, at der er en tilstrækkelig tilførsel af ilt, vil flammen brænde blå. Ændringerne i flammefarve forårsaget af forbrændingshastigheder ses lettest i Bunsen-brændere, hvor du manuelt kan kontrollere mængden af ilt, der tilføres flammen.