Vi har alla hört talas om eld och ser det nästan varje dag i tändstickor, tändare, fyrverkerier, gasspisar och eldstäder. Men denna uppenbarligen enkla reaktion är faktiskt en komplex vetenskaplig händelse.

Vad är eld exakt?

Brand är en exoterm, självförstärkande reaktion som händer när ett fast, flytande eller gasfasbränsle genomgår snabb oxidation. Detta kallas förbränning, och reaktionen frigör värme, ljus och ytterligare kemiska reaktioner.

samtidigt som andra reaktioner tillåts, karakteriseras förbränning främst som en kombination av brännbara material med ett oxidationsmedel.

När bränsle och ett oxidationsmedel värms upp förbi en viss temperatur uppstår exoterma kemiska reaktioner och upprätthålls av den ytterligare värmeenergi som de kontinuerligt genererar.

därför är dessa fyra element väsentliga för att en brand ska kunna produceras från förbränning. Detta förhållande kan konceptualiseras i eldtetrahedronen.

Fire Tetrahedron Model

fire tetrahedron är en representation av de element som är nödvändiga för att en brand ska inträffa. Tetraederns fyra ytor är bränsle, ett oxidationsmedel (vanligtvis syre), värmeenergi och en oinhibiterad kedjereaktion.

Varför behöver Brand bränsle?

bränsle avser ett brandfarligt eller brännbart material som används för att påbörja förbränningsprocessen. Medan bränsle kan vara fast (trä), flytande (bensin) eller gas (propan), kommer materialen endast att brinna när de är i ångfasen. Detta innebär att för att eld ska börja måste en brännbar gasfas existera.

gasfasen uppnås när ett material upphettas passerade sin flampunkt för att utöva ett ångtryck som kan antändas i luft och stödja förbränning.

ett exempel på ett fast brännbart material, och kanske den vanligaste formen av bränsle, är trä. Denna förening har molekyler med hög molekylvikt som inkluderar material som ligniner och naturligt förekommande kolhydratcellulosa.

för att trä ska nå den nödvändiga gasfasen måste dessa material genomgå termisk sönderdelning genom pyrolys. Detta inträffar när träet värms upp förbi dess flampunkt, vilket gör att cellulosa och andra material sönderdelas i små molekyler som sedan kan existera i gasfas. När dessa gaser når sin tändningstemperatur börjar bränningen.

värmeenergi

värmeenergi krävs för att starta tändningen av bränslet och för att få den till den lägsta temperatur som krävs för att den blir självbärande. Detta kallas tändningstemperaturen.

värmeenergi produceras vid förbränning eftersom reaktionen är exoterm. Värme frigörs när kemiska bindningar bryts och bildas under kemiska reaktioner. Eftersom dessa reaktioner pågår släpper förbränningen mer värme än vad som behövs för att upprätthålla en brand. Det här är vad som gör en eld självförstärkande, och också vad som gör det varmt.

Vad är ett oxidationsmedel?

ett oxidationsmedel krävs för att stödja förbränning genom att reagera med bränslet. Syre i luften är det vanligaste medlet som används. När de flyktiga gaserna som frigörs av bränslet har nått antändningstemperaturen bryts de sammansatta molekylerna isär och rekombineras med syre för att bilda vattenånga, koldioxid, olika förbränningsprodukter och mer värme. Denna process kallas oxidation och kan kännas igen som bränning och rök.

oinhibiterad kedjereaktion

tetrahedrons slutliga yta är den oinhibiterade kedjereaktionen som aktiveras av reaktionen mellan bränsle, värme och syre. En oinhibiterad kedjereaktion hänvisar till den självförstärkande förmågan hos förbränning.på grund av de ständiga reaktionerna mellan bränsle och syre, som genererar överskottsmängder av värmeenergi, kommer lågan alltid att vara tillräckligt varm för att hålla bränslet vid antändningstemperatur. Därför fortsätter elden att brinna så länge det finns tillräckligt med bränsle och syre tillgängligt. Denna process avslutas på samma sätt när dessa källor har använts.

förbränning: hur sprids eld?

faran med dessa kemiska reaktioner är det faktum att de är självbärande. Brand kan spridas exakt på grund av den oinhibiterade kedjereaktionen som uppstår från förbränning och från värmeenergin som håller bränslet över tändpunkten.flammans värme kan värma omgivande bränsle, oavsett om det är närliggande trä eller brandfarliga vätskor. Om detta närliggande bränsle upphettas passerade sin flampunkt, flyktiga gaser kommer att släppas när bränslet går in i sin gasfas. Vid denna tidpunkt kan flammorna antända gasen och sprida sig. Så länge det finns bränsle och tillgängligt syre kan eld sprida sig.

när det gäller hur eld reser, kommer allt ner till tyngdkraften. De heta gaserna i elden är varmare och mindre täta än den omgivande luften. Därför rör de sig uppåt till där det finns lägre tryck. Det är därför elden reser uppåt, och också varför flammor är spetsiga.

Flamkemi

det finns en mängd olika färger associerade med flammor. Dessa beror på den kemiska sammansättningen av bränslet som bränns, reaktionsprodukterna genereras och värmen vid vilken den brinner. Till exempel beror färgen blå i lågor på närvaron av kol och väte, men det indikerar också att det är den hetaste delen av lågan. Om det fanns kopparföreningar som brändes, å andra sidan, skulle flammorna vara gröna.

färgvariation i en flamma beror på ojämn temperatur. Ett typiskt exempel på detta är när en brand genomgår ofullständig förbränning. Detta händer när det inte finns tillräckligt med syre för att hålla jämna steg med förbränningen av bränsle, och det ses ofta i lägereldar. Detta eftersom det bara finns 21% syre i vår atmosfär, och även om detta räcker för att orsaka oxidation räcker det inte med att hålla jämna steg med de flera kemiska reaktioner som sker under förbränningen.

att inte kunna reagera med syre, en del av bränslet karboniseras med sig själv för att skapa sot. Sot blir extremt varmt och börjar avge ett synligt vitt ljus. Sotpartiklarna som stiger i luften börjar svalna, vilket får deras emissionsspektrum att övergå till infraröd. Det är därför toppen av en eld är oftast röd medan botten i mer gul-vit. När det finns fullständig förbränning, vilket innebär att det finns tillräckligt med syre, kommer flammen att brinna blå. De förändringar i flamfärg som orsakas av förbränningshastigheter ses lättast i bunsenbrännare, där du manuellt kan styra mängden syre som matas till flamman.