O ogniu ostatnio już pisaliśmy. Że ogień jest fajny, że się przydaje, i że każdy prawdziwy facet powinien umieć go rozpalać. Tego ostatniego nie pisaliśmy? A to z całą pewnością jeszcze napiszemy, przy okazji tłumacząc, jak to właściwie robić. A dzisiaj trochę o samym ogniu jako takim. Postaramy się odpowiedzieć na pytanie: czym ten ogień jest.
Rzecz czy zjawisko?
Może nie każdy sobie zdawać sprawę, ale ogień nie jest rzeczą. Ogień jest zjawiskiem. A konkretniej - miksem zjawisk fizykochemicznym. I to jest chyba najogólniejsza definicja jaką da się na ten temat ułożyć. Z czasem będziemy rozwodzić się nad szczegółami, ale na samym początku trzeba zapamiętać, że jest to proces chemiczny i fizyczny zachodzący jednocześnie i gwałtownie. Od strony chemicznej występują, co najmniej dwa złożone procesy. Reakcja rozkładu pod wpływem temperatury oraz spalanie. Natomiast od strony fizycznej jest jeszcze ciekawiej, ponieważ występuje tutaj szereg procesów, takich jak: zmiana stanu skupienia, zmiana gęstości, promieniowanie, wymiana cieplna (na różne sposoby) a także emisja dźwięków.No ale spokojnie. Zacznijmy może od tego, że procesy te nie zachodzą od tak, po prostu. W ogóle, by ogień mógł powstać, potrzebne są trzy rzeczy (o, i tutaj już mówimy o rzeczach). Potrzebne jest paliwo, potrzebny jest tlen i potrzebne jest odpowiednie źródło ciepła. Odsyłam was tutaj do rysunku, który mamy na samej górze artykułu.
Trzy składowe ognia
Paliwo, tlen i temperatura są trzema niezbędnymi składnikami ognia. Jest to najważniejsza informacja którą musimy przyswoić. Jeśli, któregoś z tych elementów zabraknie, o ogniu nie może być mowy. Jest to informacja istotna jeśli chodzi o rozpalanie ognia, ale także, jeśli chodzi o jego gaszenie. |
| Reakcja termitowa czyli reakcja tlenku żelaza ze sproszkowanym aluminium. To dobry przykład reakcji bez udziału tlenu z powietrza. źródło: wikimedia.org |
Oczywiście nie używane one są na co dzień jako paliwa. Ale to nie znaczy, że w sytuacji zagrożenia i wielkiej potrzebny nie mogą się nimi stać.
Tlen. Najczęstszym źródłem tlenu jest powietrze. I nie bez powodu, ponieważ jest to największe i najprostsze jego źródło. Wydaje się wręcz nieskończone. I co więcej - darmowe. Tak, jak bez paliwa nie możne być mowy o ogniu, tak samo tlen jest równie niezbędny. To właśnie tlen i paliwo biorą udział w reakcji, w której wydzielane jest ciepło.
Tlen z powietrza można zastąpić. O tak. Mimo, że spalanie, to proces gwałtownego utleniania się substancji palnej, to samo słowo "utlenianie" jest mylące. (Żeby nie schodzić z tematu, to zapraszam choćby do Wikipedii.) I tak, utleniaczami mogą być też inne substancje. Chlor, ozon (tak, wiem, to alotropowa odmiana tlenu), dwutlenek chloru, nadmanganian potasu, albo nawet woda utleniona czy trifluorek chloru. Ten ostatni jest tak silnym utleniaczem, że nawet w połączeniu z wodą wybucha. Ciężko jednak wyobrazić sobie sytuację, gdzie zamiast tlenu będziemy dysponować innymi utleniaczami.
No dobra, były dwa wierzchołki trójkąta, czas na trzeci. A więc ciepło. Konkretniej energia termiczna. Kawałek drewna, mimo, że leży sobie na wolnym powietrzu, nie wybucha i nie pali się. Czemu? A temu, że samo spalanie drewna mimo, że wydziela energie w formie ciepła, to potrzebuje go do zapoczątkowania procesów. Później ciepło dostarczane jest już samoistnie. Dlatego pożary same się rozprzestrzeniają. Jednakże, żeby drewno się zapaliło (a raczej trzeba by napisać - by wydzieliło palące się gazy) potrzebna jest pewna ilość ciepła na start (pierwsze równanie).
 |
| Rys.2 Poglądowy przebieg reakcji spalania drewna; źródło własne |
Powyższa poglądowa reakcja mniej więcej ukazuje, jak przebiegają procesy w ognisku. Jak widać na samym początku trzeba dać ciepło, żeby jeszcze większą jego ilość uzyskać. I faktycznie, jeśli mieliście kiedykolwiek styczność z ogniem, to faktycznie najczęściej tak to wygląda. Oczywiście są wyjątki. Ponieważ istnieją procesy, które wykorzystują całą energie z ciepła, albo takie, które palą się bez dostarczenia energii z zewnątrz.
Dla porównania - podczas spalanie benzyny, tylko druga reakcja z zestawienia powyżej ma miejsce. Benzyna, paruje dość intensywnie w temperaturze pokojowej. A już wiemy, że to opary są palne, więc, jeśliby potraktować je źródłem ciepła o wystarczającej energii, nastąpi zapłon. Nie próbujcie tego w domu. Youtube jest pełen filmików pokazujących czym to może grozić.
Z ciepłem jest jeszcze związana inna ważna rzecz. Temperatura zapłonu dla różnych paliw jest różna. Czasami wystarczy iskra, innym razem potrzebny może być palnik acetylenowo-tlenowy. Dla przykładu: kawałek zmierzwionej bawełnianej waty zapalimy od iskry, jednak termit (mieszankę sproszkowanego tlenku żelaza i sproszkowanego aluminium) potrzebuje już temperatury powyżej 1000 °C by zaszła reakcja.
Zapłon, temperatura zapłonu i temperatura samozapłonu.
Co do ciepła, to musimy znać te trzy pojęcia.- Zapłon jest momentem, gdy proces chemiczny wytwarza więcej energii termicznej (ciepła) niż sam jej potrzebuje. Pojawia się płomień, a proces jest w stanie sam się podtrzymywać.
- Natomiast temperatura zapłonu, jest to najniższa temperatura paliwa, w której ilość par jest wystarczająca by uzyskać z powietrzem mieszankę zdolną zapalić się od zewnętrznego źródła ognia. Powtarzam - zewnętrznego źródła ognia.
- Przyszedł i czas na temperaturę samozapłonu. Jest to taka temperatura, w której zachodzi zapłon samoistny (bez zewnętrznego źródła ognia).
Przykładem - aldehyd octowy temperaturę zapłonu ma w -39 stopniach Celsjusza, a temperaturę samozapłonu w 175°C. Czyli gdy aldehyd ten uzyska temperaturę -39°C i potraktujemy go płomieniem, to nastąpi zapłon. Jednak gdy osiągnie temperaturę 175°C, nie potrzeba żadnej zapałki. Po prostu po przekroczeniu tej temperatury zacznie sam się zapali. Dla benzyny jest to kolejno -45°C (zapłon od płomienia) i około 246-280 °C (samozapłon).[8][9]
Dla drewna jest to bardziej złożony temat, jednak samozapłon drewna (informacja dla bushcraf'owców) zachodzi około 280-530°C.[7][8] Jeśli chodzi jednak o zapłon od zewnętrznego płomienia, jest już w przedziale 210- 487°C.[7] Z drewnem jest tylko jeden problem. Drewno, drewnu nie równe i ciężko jest generalizować. Można jednak pewne wnioski wyciągnąć z powyższych danych. Temperatura zapłonu i samozapłonu drewna są dosyć do siebie zbliżone. Toteż drewno musi być podgrzane nawet do zapłonu. Dlatego właśnie ciężko (a może dla niektórych nie ciężko) jest podpalić kawałek drewna zapałką.
Więcej, więcej, więcej
Idźmy dalej. Zależność pomiędzy wierzchołkami trójkąta spalania jest taka, że czym więcej jest któregoś z trzech składowych trójkąta (paliwa, tlenu lub ciepła) tym łatwiej następuje zapłon. Tym łatwiej jest otrzymać ogień. I tutaj odzywa się głos niezrozumienia: ale przecież więcej drewna na stosie wcale nie oznacza, że łatwiej jest ów stos podpalić!
 |
| Czym więcej jednego ze składników, tym łatwiej o ogień; źródło własne |
Otóż faktycznie, więcej drewna, więcej oleju - nie oznacza. Jednak tutaj trzeba zauważyć kolejną rzecz. To nie drewno się pali, a gazy wydzielane przez podgrzanie (piroliza) drewna. Nie olej a opary oleju. To forma gazowa się spala (w większości przypadków). I jeśli mówimy o większej ilości paliwa, to chodzi o np. większą powierzchnie drewna, która to ulega pirolizie (zgazowaniu), o np. większą powierzchnię oleju, który łatwiej odparowuje.
Innymi słowy. Jeśli mamy gruby patyk, powiedzmy grubości ręki, to za cholerę nie chce się on odpalić od zapałki. Jeśli jednak rozłupiemy go na drobne kawałki. A te drobne kawałki rozłupiemy na jeszcze drobniejsze, i jeszcze drobniejsze, sytuacja zaczynie wyglądać zgoła inaczej. Kawałek drewna zaczął posiadać kilkaset razy większą powierzchnię i nawet jedna zapałka zapali taką ilość drewna (przy sprzyjających warunkach), ponieważ ciepło zapalonej zapałki spowoduje wydzielenie się większej ilości gazu palnego. Czyli jednak będziemy mieli więcej paliwa.
Więcej paliwa oznacza również jego jakość. Czym lepszej jakości paliwo, tym lepie. Jeśli ten kawałek drewna, który podziabaliśmy na drobniejsze części w poprzednim akapicie, będzie mokry, to płomień zapałki, oprócz wytworzenia gazów palnych, będzie musiał odparować jeszcze wodę. Czyli czym suchsze paliwo, czym mniej zanieczyszczone, tym lepiej.
Gdy natomiast nie mamy dobrej jakości paliwa, a także nie mamy lepszego źródła tlenu niż powietrze, musimy dostarczyć więcej ciepła by ów paliwo zapalić. Analogicznie do grubego patyka - jeśli mamy kilka grubych patyków, a jako zapałkę, czyli źródło ognia potraktujemy spore ognisko, to nie ma najmniejszego problemu by spalić i stos gałęzi grubości ręki. A nawet całe kłody.
Czas na fizykę
"płomień rz. mnż III, D -nia 1. 'zjawisko w postaci jasnego, błyszczącego języka towarzyszącego paleniu się czegoś, zwykle unoszącego się nad palącym się przedmiotem; ogień' 2. 'to, co ma cechy płomienia: blask, kolor, moc': a) 'silny blask , błysk' b) 'silny rumieniec' c) 'gwałtowne uczucie'" [5]
Oprócz chemicznych procesów, podczas spalanie zachodzą także procesy fizyczne. To właśnie zjawiska fizyczne odpowiedzialne są za nasze postrzeganie ognia. To właśnie dzięki zjawiskom fizycznym możemy widzieć, czuć i słyszeć ogień.
Po pierwsze - światło, czyli promieniowanie elektromagnetyczne. Promieniowanie elektromagnetyczne, które widzimy jest emitowane przez rozżarzone produkty spalania. Czyli spaliny, oraz cząsteczki stałe. Barwa płomienia zależy od jego temperatury oraz od składu. Patrząc na zdjęcie poniżej, widzimy płomienie z najniższą temperaturą płomienia (od lewej) do tego z najwyższą (do prawej). Najczęściej ma to bezpośredni związek z ilością tlenu w procesie. Czym więcej tlenu, tym płomień ma wyższą temperaturę.
 |
| Barwa promienia zależna od temperatury, a temperatura zależna jest od ilości powietrza; źródło: wikimedia.org |
Po drugie - ciepło - energia cieplna wyzwalana wyzwalana podczas spalania. Ciepło jest o tyle ciekawe, że może być przekazywane do otoczenia (np. do nas, lub do gotującej się wody) na kilka sposobów. Rozróżniamy konwekcje, promieniowanie oraz i przewodzenie. Wszystkie trzy zachodzą jednocześnie z różną intensywnością.
Konwekcja jest ruchem cząsteczek o różnej gęstości. A różna gęstość wywołana jest różną temperaturą. Na pewno wiecie, że zimne powietrze jest gęstsze od powietrza nagrzanego. Różna gęstość powietrza powoduje, że rzadszemu łatwiej udaje się przeciwstawić sile grawitacji niż temu gęstszemu. Powoduje to ruch powietrza. Dokładnie to samo zjawisko panuje w wodzie, czy innych płynach. Grzejąc wodę w naczyniu od dołu możemy zauważyć to zjawisko dodając delikatnie barwnika. Najlepszym przykładem jest zaparzanie herbaty. W szklance zalanej gorącą wodą, po dodaniu torebki herbaty widać jak woda wiruje. To jest konwekcja.
Promieniowanie elektromagnetyczne wydzielane przez ogień, to jest to samo zjawisko, dzięki któremu ów płomień widzimy. Światło. To właśnie przez promieniowanie elektromagnetyczne słońce ogrzewa naszą planetę. To dzięki promieniowaniu elektromagnetycznemu odczuwamy ciepło na skórze siedząc trzy kroki od ogniska w wietrzny dzień.
Z przewodzeniem mamy do czynienia, gdy włożymy palucha do gorącej wody, albo gdy złapiemy za rozgrzany kubek. Przewodność, to zjawisko zachodzące pomiędzy dwoma ciałami będących ze sobą w bezpośrednim kontakcie i mającymi różne temperatury.
 |
| Fala dźwiękowa; źródło: wikimedia.org |
Dowiedzieliśmy się więc, że ogień to złożony proces fizykochemiczny. Że to gwałtowna reakcja chemiczna emitujący światło, ciepło i dźwięk. By powstała potrzeba paliwa, tlenu i ciepła. Źródłami paliwa najczęściej są węglowodory. Źródłem tlenu najczęściej jest powietrze. A ciepło, które trzeba dostarczyć, zależy od rodzaju paliwa. Mając tą wiedze, można zastanawiać się, jak jej użyć. Postaramy się odpowiedzieć na to pytanie w przyszłości.
Literatura:
[1] Bielański A.; Podstawy chemii nieorganicznej, Tom 2, Warszawa 2005
[2] Fire; Wikipedia, the free encyclopedia; http://en.wikipedia.org/wiki/Fire
[3] Atkins P. W. Chemia Fizyczna, Warszawa (2007).
[4] Sawicka J., Janich-Kilian A., Cejner-Mania W., Urbańczyk G. Tablice chemiczne, Gdańsk (2004)
[5] Wielki słownik języka polskiego, red. B. Dunaj, Buchmann, Warszawa 2010
[7] Babrauskas, Vytenis. "Ignition of wood: a review of the state of the art." Journal of Fire Protection Engineering 12.3 (2002): 163-189.
[8] Fuels and Chemicals - Auto Ignition Temperatures; The Engneering ToolBox; www.engineeringtoolbox.com/fuels-ignition-temperatures-d_171.html
[9] Flash Point - Fuels; The Engneering ToolBox; engineeringtoolbox.com/flash-point-fuels-d_937.html
[11] Waselowsky K. 225 Doświadczeń Chemicznych, Warszawa 1987
W cyklu poświęconym ogniu:
Komentarze
Prześlij komentarz