Wszyscy słyszeliśmy o ogniu i widzimy go prawie codziennie w zapałkach, zapalniczkach, fajerwerkach, kuchenkach gazowych i kominkach. Ale ta pozornie prosta reakcja jest w rzeczywistości złożonym wydarzeniem naukowym.

czym właściwie jest ogień?

ogień jest egzotermiczną, samonapędzającą się reakcją, która ma miejsce, gdy paliwo stałe, ciekłe lub w fazie gazowej ulega szybkiemu utlenianiu. Jest to znane jako spalanie, a reakcja uwalnia ciepło, światło i dalsze reakcje chemiczne.

podczas gdy dopuszcza się inne reakcje, spalanie charakteryzuje się głównie połączeniem materiałów palnych ze środkiem utleniającym.

gdy paliwo i środek utleniający są podgrzewane w określonej temperaturze, zachodzą egzotermiczne reakcje chemiczne i są utrzymywane przez dodatkową energię cieplną, którą stale wytwarzają.

dlatego, aby ogień powstał ze spalania, te cztery elementy są niezbędne. Związek ten można pojąć w czworościanie ognistym.

Model czworościanu ognia

czworościan ognia jest reprezentacją elementów niezbędnych do wystąpienia pożaru. Cztery twarze czworościanu to paliwo, utleniacz (Zwykle tlen), energia cieplna i nieskrępowana reakcja łańcuchowa.

dlaczego ogień potrzebuje paliwa?

paliwo odnosi się do łatwopalnego lub palnego materiału, który jest używany do rozpoczęcia procesu spalania. Podczas gdy paliwo może być Stałe (drewno), ciekłe (benzyna) lub gaz (propan), materiały będą palić się tylko w fazie parowej. Oznacza to, że aby ogień mógł się rozpocząć, musi istnieć palna Faza gazowa.

Faza gazowa jest osiągana, gdy materiał jest podgrzewany przez przekroczenie temperatury zapłonu w celu wywierania ciśnienia pary, która może zapalić się w powietrzu i wspierać spalanie.

przykładem solidnego materiału palnego, a być może najczęstszą formą paliwa, jest drewno. Związek ten ma cząsteczki o dużej masie cząsteczkowej, które obejmują materiały takie jak ligniny i naturalnie występującą celulozę węglowodanową.

aby drewno osiągnęło wymaganą fazę gazową, materiały te muszą zostać poddane rozkładowi termicznemu przez pirolizę. Dzieje się tak, gdy drewno jest ogrzewane powyżej temperatury zapłonu, co powoduje, że celuloza i inne materiały rozkładają się na małe cząsteczki, które mogą następnie istnieć w fazie gazowej. Kiedy gazy te osiągną temperaturę zapłonu, zaczyna się spalanie.

energia cieplna

energia cieplna jest wymagana do uruchomienia zapłonu paliwa i doprowadzenia go do minimalnej temperatury wymaganej do jego samowystarczalności. Jest to określane jako Temperatura zapłonu.

energia cieplna jest wytwarzana podczas spalania, ponieważ reakcja jest egzotermiczna. Ciepło jest uwalniane, gdy wiązania chemiczne są zerwane i utworzone podczas reakcji chemicznych. Ponieważ reakcje te są w toku, spalanie uwalnia więcej ciepła niż jest potrzebne do podtrzymania ognia. To jest to, co sprawia, że ogień sam się utrwala, a także to, co sprawia, że jest gorący.

Co To jest środek utleniający?

środek utleniający jest niezbędny do wspomagania spalania poprzez reakcję z paliwem. Tlen w powietrzu jest najczęściej używanym środkiem. Gdy lotne gazy uwalniane przez paliwo osiągną temperaturę zapłonu, cząsteczki związku rozpadają się i rekombinują z tlenem, tworząc parę wodną, dwutlenek węgla, różne produkty spalania i więcej ciepła. Proces ten nazywany jest utlenianiem i można go uznać za spalanie i dym.

nieskrępowana Reakcja łańcuchowa

końcową powierzchnią czworościanu jest nieskrępowana reakcja łańcuchowa, która jest możliwa dzięki reakcji między paliwem, ciepłem i tlenem. Nieskrępowana reakcja łańcuchowa odnosi się do samonapędzającej się zdolności spalania.

ze względu na ciągłe reakcje zachodzące między paliwem a tlenem, które generują nadwyżki energii cieplnej, płomień zawsze będzie wystarczająco gorący, aby utrzymać paliwo w temperaturze zapłonu. Dlatego ogień będzie się palił tak długo, jak będzie dostępna wystarczająca ilość paliwa i tlenu. Proces ten kończy się podobnie, gdy te źródła zostały wydatkowane.

niebezpieczeństwo tych reakcji chemicznych polega na tym, że są one samowystarczalne. Ogień może rozprzestrzeniać się właśnie ze względu na nieskrępowaną reakcję łańcuchową, która występuje w wyniku spalania, oraz z energii cieplnej, która utrzymuje paliwo powyżej punktu zapłonu.

ciepło płomieni jest w stanie podgrzać otaczające paliwo, niezależnie od tego, czy jest to pobliskie drewno, czy łatwopalne ciecze. Jeśli to pobliskie paliwo zostanie podgrzane przez temperaturę zapłonu, lotne gazy zostaną uwolnione, gdy paliwo wejdzie w fazę gazową. W tym momencie płomienie są w stanie zapalić gaz i rozprzestrzenić się. Dopóki istnieje paliwo i dostępny tlen, ogień jest w stanie się rozprzestrzeniać.

jeśli chodzi o to, jak ogień przemieszcza się, wszystko sprowadza się do grawitacji. Gorące gazy w ogniu są gorętsze i mniej gęste niż otaczające powietrze. Dlatego przesuwają się w górę, gdzie występuje niższe ciśnienie. To dlatego ogień wędruje pod górę, a także dlatego płomienie są spiczaste.

Chemia płomienia

istnieje wiele kolorów związanych z płomieniami. Zależą one od składu chemicznego spalanego paliwa, wytwarzanych produktów reakcji i ciepła, w którym się pali. Na przykład kolor niebieski w płomieniach wynika z obecności węgla i wodoru, ale wskazuje również, że jest to najgorętsza część płomienia. Z drugiej strony, gdyby spalano związki miedzi, płomienie byłyby zielone.

zmiana koloru płomienia jest spowodowana nierównomierną temperaturą. Typowym tego przykładem jest sytuacja, gdy pożar ulega niepełnemu spalaniu. Dzieje się tak, gdy nie ma wystarczającej ilości tlenu, aby nadążyć za spalaniem paliwa, a to jest powszechnie postrzegane w ogniskach. To dlatego, że w naszej atmosferze jest tylko 21% tlenu i chociaż to wystarczy, aby spowodować utlenianie, to nie wystarczy nadążyć za wieloma reakcjami chemicznymi, które zachodzą podczas spalania.

nie mogąc reagować z tlenem, część paliwa ulega zwęgleniu, tworząc sadzę. Sadza staje się bardzo gorąca i zaczyna emitować widoczne białe światło. Cząstki sadzy, które unoszą się w powietrzu, zaczynają się ochładzać, powodując przesunięcie ich widma emisyjnego do podczerwieni. Z tego powodu górna część ogniska jest zwykle czerwona, a dolna bardziej żółto-biała. Gdy nastąpi całkowite spalanie, co oznacza, że zapas tlenu jest wystarczający, płomień spali się na niebiesko. Zmiany koloru płomienia spowodowane szybkością spalania są najłatwiej widoczne w palnikach Bunsena, gdzie można ręcznie kontrolować ilość tlenu podawanego do płomienia.