آتش یک ماده گازی است. شعله از چه چیزی ساخته شده است؟

معرفی

مرتبط بودن موضوع بدون آتش، زندگی روی زمین غیرممکن است. ما هر روز آتش را می بینیم - اجاق، آتش، اجاق و غیره. او همه جا است - در خانه ها و مدارس، در کارخانه ها و کارخانه ها، در موتورهای سفینه های فضایی. شعله ابدی در میدان جلال می سوزد، شمع ها همیشه در معابد می سوزند ...

آتش‌سوزی‌های جنگلی تمام تابستان از تلویزیون پخش می‌شد. تعداد زیادی از درختان که به ما هوا می دادند به طور جبران ناپذیری سوختند. می تواند به کتاب های جالب و دفترهای مدرسه ما تبدیل شود. حیوانات مردند. تمام روستاها سوختند، مردم بی خانمان ماندند.

جالب و مرموز این آتش!

کتابهای زیادی در مورد آتش سوزی و اقدامات ایمنی برای کودکان نوشته شده است، از جمله آثار ادبی ("عمو استپا" اثر S. Mikhalkov، "Confusion" اثر K. Chukovsky، "Cat's House" اثر S. Marshak و غیره). اما چنین منابعی که هم خواص آتش و هم فواید آن را به تفصیل بیان می کند نادر است. کار ما تلاشی برای پر کردن این شکاف است.

هدف کار: بررسی معنای آتش برای انسان.

وظایف در این کار به بررسی خواص آتش می پردازیم و به این سوال پاسخ می دهیم که آتش چیست؟ ما همچنین درک می کنیم که مردم چگونه از این ویژگی ها استفاده می کنند. چگونه و چرا آتش می تواند به مردم کمک کند و به آنها آسیب برساند؟ (پیوست 1).

ما از ادبیات مرجع استفاده کردیم: یک فرهنگ لغت، یک دایره المعارف، چند کتاب برای بزرگسالان، و اطلاعات از اینترنت.

1. آتش چیست؟ خواص اساسی آتش

در دایره المعارف کودکان چنین تعریفی از آتش و احتراق وجود دارد: "این یک واکنش شیمیایی است که در آن یکی از مواد آنقدر گرم می شود که با اکسیژن هوا ترکیب می شود." در فرهنگ لغت توضیحی زبان روسی می خوانیم: "آتش - سوزاندن گازهای درخشان با دمای بالا". نویسنده این اثر پس از مطالعه این اطلاعات متوجه نشد که آتش چیست و تصمیم گرفت تعریفی از آن ارائه دهد که برای دانش آموزان قابل درک باشد. دبستان. برای انجام این کار، باید ویژگی های اصلی آن را شناسایی کنید.

ما خواص اساسی آتش را با استفاده از روش های آزمایش (آزمایش) و مشاهده مطالعه می کنیم. بیایید چند آزمایش انجام دهیم.

توجه داشته باشید. تمام آزمایشات در حضور و با کمک بزرگسالان انجام شد، در حالی که قوانین ایمنی رعایت شد: از یک سطح غیر قابل اشتعال (تخته شیشه ای) استفاده شد و یک کوزه آب تهیه شد.

شرح تجربیات:

تجربه شماره 1. در زمان تاریکروزها چراغ اتاق را خاموش کرد. هوا تاریک شد، چیزی نمی دیدی. آنها یک شمع روشن کردند، خطوط اشیاء و افراد نمایان شد.

نتیجه: 1 خاصیت: آتش نور ساطع می کند! (نگاه کنید به: پیوست، اسلاید 4)

حتی یک شعله شمع کوچک می تواند یک اتاق را روشن کند. به همین دلیل است که مامان همیشه شمع ها را در رزرو دارد - در صورت قطع برق.

تجربه شماره 2. خیلی با احتیاط سعی کنیم دستمان را به شعله شمع برسانیم. در فاصله 20 سانتی متری بسیار گرم، پایین تر می شود - به دلیل احساس سوزش، نمی توانید دست خود را پایین بیاورید.

نتیجه: 2 خاصیت: آتش گرمای زیادی می دهد! (نگاه کنید به: پیوست، اسلاید 5).

تجربه شماره 3. بیایید شمع در حال سوختن را با یک شیشه شیشه ای بپوشانیم. بعد از چند ثانیه شعله خاموش می شود. در مورد مشعل گاز هم همین اتفاق می افتد. برای اطمینان، آزمایش را 3 بار تکرار کردیم. نتیجه همیشه یکسان است - شعله نمی سوزد.

نتیجه: خاصیت 3: برای سوختن آتش به هوا یا بهتر بگوییم اکسیژن موجود در آن نیاز است. (نگاه کنید به: پیوست، اسلاید 6).

بنابراین، ما به خواص اصلی آتش پی برده ایم و می توانیم به این سوال پاسخ دهیم: آتش چیست؟

آتش فرآیندی است که در آن اکسیژن جذب شده و نور و گرما آزاد می شود.

بیایید بررسی خواص آتش را ادامه دهیم.

1) شعله شمع را رعایت کنید. شکل یک شعله آرام، به سمت بالا، شبیه یک مخروط است. اگر به آرامی روی شعله یک شمع باد کنید، شکل آن تغییر می کند، از جریان هوا منحرف می شود. همین اتفاق می افتد اگر شمع را به پنجره باز بیاورید.

نتیجه گیری: شکل شعله را می توان با کمک جریان هوا تغییر داد. از این خاصیت هنگام افروختن آتش استفاده می شود. (نگاه کنید به: ضمیمه، اسلایدهای 9،10،11).

2) رنگ شعله را در نظر بگیرید. رنگ در همه جا یکسان نیست، شعله دارای لایه هایی است: پایین ترین لایه رنگ مایل به آبی، سپس یک لایه زرد روشن، پس از آن - بالاترین لایه قرمز مایل به نارنجی. (نگاه کنید به: پیوست، اسلاید 13).

اما همه چیز مربوط به رنگ نیست.

متوجه شدیم که گاز آشپزخانه همیشه آبی و چوب آن زرد-نارنجی است. با مشاهده سوختن یک سیم مسی نازک از سیم برق، متوجه شدیم که شعله رنگی است رنگ سبز. (نگاه کنید به: پیوست، اسلایدهای 14، 17، 18، 19).

نتیجه گیری: 1. مواد و مواد مختلف با رنگ های مختلف شعله می سوزند. بنابراین اینگونه می توانید چنین آتش بازی زیبایی را بدست آورید! 2. بنابراین شما می توانید یک ماده ناشناخته را با رنگ شعله تعیین کنید، فقط باید آن را آتش بزنید (به عنوان یکی از راه ها).

آزمایش شماره 5. دمای شعله. همان سیم مسی نازک را بردارید. نوک چنین سیمی با نگه داشتن آن در سرتاسر شعله در نقاط مختلف و در ارتفاعات مختلف در شعله قرار می گیرد و تأثیر شعله را بر روی سیم مشاهده می کند. مشاهدات موارد زیر را نشان می دهد:

• در قسمت پایین شعله، سیم نمی درخشد، نمی سوزد، فقط با یک پوشش سیاه پوشیده شده است.
• در قسمت وسط، سیم می درخشد و شروع به درخشش قرمز می کند.
• در بالای شعله، سیم مشتعل می شود و شعله سبز می شود.

یعنی درجه حرارت در لایه های مختلف شعله متفاوت است. این را آزمایش با رساندن دست به روی شعله نیز تأیید می کند. یادمون باشه از بالا فقط تا 20 سانتی متر می تونید دستتون رو بیارید اگه انگشتتون رو ته شعله بذارید فقط از فاصله 1 سانتی متری گرما احساس میشه.

نتیجه گیری: شعله دارای چندین لایه است که نه تنها در رنگ، بلکه در دما نیز متفاوت است. در پایین شعله سردترین، و در بالا - داغترین است. (نگاه کنید به: پیوست، اسلاید 20).

2. معنی آتش: نفع و ضرر

در نتیجه آزمایشات، مشاهدات خودمان و همچنین مطالبی که خواندیم، متقاعد شدیم که مردم دائماً از آتش در زندگی خود استفاده می کنند و مزایای بسیار زیادی برای آنها به همراه دارد.

1. در زندگی روزمره: برای گرمایش فضا، پخت و پز، گرمایش آب، روشنایی - اگر برق کار نمی کند. آتش نیز برای راحتی است. به عنوان مثال، یک شومینه یا شمع های معطر.
2. همانطور که مشخص شد، از خواص مفید آتش در بسیاری از گیاهان و کارخانه ها استفاده می شود. آتش فلز را ذوب می کند و پس از آن شکلی به آن داده می شود. همچنین فلز با آتش بریده می شود یا برعکس جوش داده می شود. بنابراین، به عنوان مثال، برای ساخت ماشین آلات و مکانیزم های مختلف استفاده می شود.

از آتش برای موارد زیر نیز استفاده می شود:

• تولید ظروف شیشه ای و سفالی.
• تولید پلاستیک، رنگ.
• تولید داروها.
• بازیافت.

و این تمام فهرست اعمال "خوب" آتش نیست.

نتیجه: مردم واقعاً به آتش نیاز دارند. گرم می کند، تغذیه می کند و روشن می کند. انسان مدرن همیشه از آتش استفاده می کند. تصور زندگی بدون آتش غیرممکن است.

اما آتش بسیار خطرناک است! همیشه باید کنترل شود. او قادر است صدمات زیادی وارد کند. در مورد آتش سوزی است. آتش آن است که آتش بدون میل انسان بسوزد و همه چیز را از بین ببرد.

آتش سوزی خسارات زیادی به ایالت و جمعیت ما وارد می کند. آتش یک پدیده بسیار وحشتناک، بی رحمانه، خصمانه برای همه موجودات زنده است. (نگاه کنید به: پیوست، اسلاید 26).

آتش مضر است زیرا: مردم در اثر آتش سوزی می میرند و سوختگی شدید می گیرند، مردم خانه های خود را از دست می دهند، جنگل ها در اثر آتش سوزی ناپدید می شوند و همه ساکنان آنها می میرند: حیوانات، پرندگان، آتش می تواند هر چیزی را که یک فرد با کار خود ایجاد کرده است از بین ببرد.

برخی از آمار. فقط تصور کنید که هر ساله حدود 5 میلیون آتش سوزی در جهان رخ می دهد! هر ساعت یک نفر در آتش می‌میرد، دو نفر مجروح و می‌سوزند. هر سومی که فوت می کند یک کودک است.

چگونه بوجود می آیند؟ به دلیل برخورد بی دقت با آتش، نگرش غیر صادقانه به اقدامات امنیتی.

کتاب های زیادی در مورد آتش سوزی ها نوشته شده است، در مورد مشکلاتی که آتش می آورد. از جمله کودکان. چرا کتاب های زیادی درباره آتش سوزی برای کودکان نوشته می شود؟ ما فکر می کنیم که چون آتش سوزی اغلب به دلیل تقصیر کودکان رخ می دهد.

ما می خواهیم به همه کودکان یادآوری کنیم:

هرگز با آتش بازی نکنید!

افروختن آتش فقط با حضور بزرگسالان و تحت نظارت آنها امکان پذیر است.

تجهیزات اطفای حریق باید در محل های آتش نشانی و سایر موارد استفاده از آتش وجود داشته باشد.

آتش نباید بدون مراقبت رها شود.

وقتی دیگر نیازی به آتش نیست، باید به خوبی خاموش شود.

نتیجه

بنابراین، در نتیجه کار انجام شده، تعریفی از آتش ارائه کردیم که برای کودکان قابل درک است: "آتش فرآیندی است که در آن اکسیژن جذب شده و نور و گرما آزاد می شود."

و همچنین متوجه شد: شعله شکل خاصی دارد، چندین لایه که نه تنها در رنگ، بلکه در دما نیز متفاوت است. در این حالت می توان به کمک جریان هوا شکل شعله را تغییر داد. دانستن این خواص به افراد کمک می کند تا به طور موثرتری از آتش استفاده کنند.

مواد و مواد مختلف با رنگ های مختلف شعله می سوزند. بنابراین می توانید مقداری ماده را با رنگ شعله تعیین کنید، فقط باید آن را آتش بزنید (به عنوان یکی از راه ها).

به طور کلی، مردم واقعاً به آتش نیاز دارند، آن را گرم می کند، تغذیه می کند، روشن می کند. انسان مدرن همیشه از آتش استفاده می کند. تصور زندگی بدون آتش غیرممکن است.

اما آتش بسیار خطرناک است! همیشه باید کنترل شود، نباید بدون مراقبت رها شود. او قادر است صدمات زیادی وارد کند. آتش یک پدیده بسیار وحشتناک، بی رحمانه، خصمانه برای همه موجودات زنده است.

البته، ما همه چیز را در مورد چنین پدیده شگفت انگیزی مانند آتش کاوش نکرده ایم. بنابراین، در آینده می توان چنین سؤالاتی را بررسی کرد: مردم چگونه آتش افروختن را یاد گرفتند، اولین راه ها چه بود؟ کدام مواد نمی سوزند و چرا؟ ترفندهای آتش چگونه انجام می شود؟ موضوع "آتش و سلاح" نیز جالب است.

نتایج این کار می تواند به عنوان یک ماده کمکی در کلاس درس در مورد دنیای اطراف ما (جهان اطراف ما) در مهد کودکو دبستان برای کودکان علاقه مند به آتش، چنین مواد مفید خواهد بود، زیرا بصری و بسیار ساده است.

فهرست منابع و ادبیات

1. جان فارندون، ایان جیمز، جنی جانسون، آنجلا رویستون و همکاران دایره المعارف پرسش و پاسخ. ترجمه از انگلیسی: E. Kulikova, D. Belenkaya et al. Atticus Publishing Group LLC, 2008. 255 p.
2. Kaidanova O.V (کامپایلر) آتش و انسان. مسکو، 1912. 98 ص.
3. اوژگوف S.I. فرهنگ لغت زبان روسی: M.: Rus. Yaz., 1984. 797 ص.
4. سافرونوف M.A.، Vakurov A.D. آتش سوزی در جنگل. نووسیبیرسک: علم، 1991. 130 ص.
5. منابع اینترنتی:

عنصر آتش. http://salamand.ru/sootvetstviya-stixii-ognya

آمار روسیه. http://www.statp.ru

با انجام این آزمایش ساده، متقاعد خواهید شد که بدون اکسیژن شعله خاموش می شود. یک شمع بردارید و آن را در یک بشقاب ثابت کنید. از یک بزرگسال بخواهید شمعی روشن کند، سپس آن را با یک شیشه بپوشانید. پس از مدتی می بینید که شعله خاموش شده است، زیرا اکسیژن داخل شیشه تمام شده است.

شعله در هنگام احتراق مواد در حالت های مختلف تشکیل می شود - آنها می توانند جامد، مایع و حتی گاز باشند. شعله فقط در حضور یک ماده قابل احتراق، اکسیژن و گرما تشکیل می شود. روند را در مثالی از یک کبریت در نظر بگیرید: گوگرد و کبریت خود یک ماده قابل احتراق هستند، اصطکاک در برابر جعبه ها. انرژی حاصل از اصطکاک تبدیل به گرما می شود و هنگامی که با اکسیژن واکنش می دهد، کبریت شروع به سوختن می کند. با دمیدن کبریت سوخته، دما کاهش می یابد و احتراق متوقف می شود.

دما چگونه اندازه گیری می شود؟

برای اندازه گیری دما از مقیاس های مختلفی استفاده می شود. هر مقیاس نام سازنده خود را دارد: سلسیوس، فارنهایت، کلوین و رانکین. اکثر کشورها از مقیاس درجه سانتیگراد استفاده می کنند.
در اینجا چند نمونه از دما آورده شده است:
250 درجه سانتیگراد - دمای احتراق چوب؛
100 درجه سانتیگراد نقطه جوش آب است.
37 درجه سانتیگراد دمای بدن انسان است.
О ° С - نقطه انجماد آب؛
- 39 درجه سانتیگراد - دمای انجماد جیوه.
- 273 درجه سانتیگراد دمای صفر مطلق است که در آن اتم ها از حرکت باز می ایستند.

محصولات احتراق

دود، خاکستر و دوده از محصولات احتراق هستند. هنگامی که یک ماده می سوزد، از بین نمی رود، بلکه به مواد دیگر و گرما تبدیل می شود.

شکل شعله

شعله دراز است زیرا هوای گرم، سبک تر از سرد، با عجله بالا می رود.

سوخت یا سوخت چیست؟

موادی که در مجاورت اکسیژن و با آزاد شدن مقدار زیادی گرما می سوزند، قابل احتراق نامیده می شوند و برای تولید استفاده می شوند. نوع متفاوتانرژی. چوب و زغال سنگ سوخت جامد هستند. بنزین، گازوئیل و نفت سفید سوخت های مایع هستند و از نفت به دست می آیند. گاز طبیعی، متشکل از متان، اتان، پروپان و بوتان، سوختی گازی است.

این یک واکنش گرمازا است که در آن یک عامل اکسید کننده، معمولاً اکسیژن، یک سوخت، معمولاً کربن را اکسید می کند و در نتیجه محصولات احتراق مانند دی اکسید کربن، آب، گرما و نور تولید می شود. مثال معمولی- احتراق متان:

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O

گرمای تولید شده در حین احتراق می تواند برای سوخت خود احتراق استفاده شود و در صورتی که این مقدار کافی باشد و انرژی اضافی برای حفظ احتراق مورد نیاز نباشد، آتش سوزی رخ می دهد. برای متوقف کردن آتش، می توانید سوخت (شعله روی اجاق گاز را خاموش کنید)، اکسید کننده (روی آتش را بپوشانید) مواد خاصگرما (پاشیدن آتش با آب)، یا خود واکنش.

احتراق به یک معنا برعکس فتوسنتز است، یک واکنش گرماگیر که شامل نور، آب و دی اکسید کربن برای تولید کربن است.

وسوسه انگیز است که فرض کنیم کربن موجود در سلولز هنگام سوختن چوب استفاده می شود. با این حال، به نظر می رسد چیزی پیچیده تر در حال وقوع است. اگر چوب در معرض گرما قرار گیرد، دچار پیرولیز می شود (بر خلاف احتراق که نیازی به اکسیژن ندارد) و آن را به مواد قابل احتراق تری مانند گازها تبدیل می کند و این مواد هستند که در آتش مشتعل می شوند.

اگر چوب به اندازه کافی بسوزد، شعله خاموش می شود، اما دود شدن ادامه می یابد و به ویژه چوب به درخشش ادامه می دهد. دود کردن، احتراق ناقص است که بر خلاف احتراق کامل، مونوکسید کربن تولید می کند.

اشیاء روزمره دائماً گرما ساطع می کنند که بیشتر آن در مادون قرمز است. طول موج آن بیشتر از طول موج نور مرئی است، بنابراین بدون دوربین های خاص نمی توان آن را دید. آتش به اندازه‌ای روشن است که نور مرئی را منتشر کند، اگرچه تابش مادون قرمز کافی نیز دارد.

مکانیسم دیگر برای ظهور رنگ در آتش، طیف انتشار جسم سوخته است. بر خلاف تابش جسم سیاه، طیف تابش فرکانس های گسسته ای دارد. این به این دلیل است که الکترون‌ها فوتون‌هایی را در فرکانس‌های خاصی تولید می‌کنند و از حالت انرژی بالا به حالت کم انرژی منتقل می‌شوند. از این فرکانس ها می توان برای تعیین عناصر موجود در نمونه استفاده کرد. ایده مشابهی (با استفاده از طیف جذبی) برای تعیین ترکیب ستارگان استفاده می شود. طیف انتشار نیز مسئول رنگ آتش بازی و آتش رنگی است.

شکل شعله روی زمین به نیروی جاذبه بستگی دارد. همانطور که آتش هوای اطراف را گرم می کند، همرفت رخ می دهد: هوای گرم که شامل خاکستر داغ است، بالا می رود، در حالی که هوای سرد (حاوی اکسیژن) فرو می رود و آتش را پشتیبانی می کند و به شعله شکل می دهد. به عنوان مثال، در یک ایستگاه فضایی، در جاذبه کم، این اتفاق نمی افتد. آتش از انتشار اکسیژن نیرو می گیرد، بنابراین آهسته تر و به شکل یک کره می سوزد (زیرا احتراق فقط در جایی اتفاق می افتد که آتش با هوای حاوی اکسیژن تماس پیدا می کند. هیچ اکسیژنی در داخل کره باقی نمی ماند).

تشعشعات بدن سیاه

تابش یک جسم سیاه با فرمول پلانک توصیف می شود که به مکانیک کوانتومی اشاره دارد. از نظر تاریخی، یکی از اولین کاربردهای مکانیک کوانتومی بود. می توان آن را از مکانیک آماری کوانتومی به روش زیر استخراج کرد.

ما توزیع فرکانس در یک گاز فوتون را در دمای T محاسبه می‌کنیم. این واقعیت که با توزیع فرکانس فوتون‌های ساطع شده توسط یک جسم کاملاً سیاه با همان دما مطابقت دارد، از قانون تابش کیرشهوف پیروی می‌کند. ایده این است که جسم سیاه را می توان با گاز فوتون به تعادل حرارتی رساند (چون دمای آنها یکسان است). گاز فوتون توسط جسم سیاه جذب می شود که فوتون نیز ساطع می کند، بنابراین برای تعادل لازم است که به ازای هر فرکانسی که جسم سیاه تشعشع می کند، آن را با همان سرعت جذب کند که با توزیع فرکانس ها در تعیین می شود. گاز.

در مکانیک آماری، احتمال اینکه یک سیستم در ریز حالت s باشد، اگر در دمای T در تعادل حرارتی باشد، متناسب است با

جایی که E s انرژی حالت s است و β = 1 / k B T یا بتا ترمودینامیکی (T دما است، k B ثابت بولتزمن است). این توزیع بولتزمن است. یک توضیح برای این در پست وبلاگ ترنس تائو داده شده است. این به این معنی است که احتمال آن است

Ps = (1/Z(β)) * e - β E s

جایی که Z(β) ثابت نرمال کننده است

Z(β) = ∑ s e - β E s

برای توصیف وضعیت یک گاز فوتون، باید چیزی در مورد رفتار کوانتومی فوتون ها بدانیم. در کوانتیزاسیون استاندارد یک میدان الکترومغناطیسی، میدان را می توان به عنوان مجموعه ای از نوسانات هارمونیک کوانتومی در نظر گرفت که هر کدام با فرکانس های زاویه ای متفاوتی ω نوسان می کنند. انرژی های حالت ویژه یک نوسان ساز هارمونیک با یک عدد صحیح غیر منفی n ∈ ℤ ≥ 0 نشان داده می شود که می تواند به عنوان تعداد فوتون های فرکانس ω تفسیر شود. انرژی های حالت ویژه (تا یک ثابت):

به نوبه خود، ثابت نرمال‌کننده کوانتومی پیش‌بینی می‌کند که در فرکانس‌های پایین (نسبت به دما) پاسخ کلاسیک تقریباً درست است، اما در فرکانس‌های بالا میانگین انرژی به‌طور تصاعدی کاهش می‌یابد و در دماهای پایین‌تر افت بیشتر می‌شود. این اتفاق می افتد زیرا در فرکانس های بالاو دمای پاییننوسان ساز هارمونیک کوانتومی بیشتر زمان خود را در حالت پایه می گذراند و به این راحتی به سطح بعدی نمی رود، که احتمال آن به طور تصاعدی کمتر است. فیزیکدانان می گویند که بیشتر این درجه آزادی (آزادی نوسانگر برای نوسان در یک فرکانس خاص) "یخ زده" است.

چگالی حالت ها و فرمول پلانک

اکنون، با دانستن اینکه در یک فرکانس مشخص ω چه اتفاقی می‌افتد، لازم است همه فرکانس‌های ممکن را جمع کنیم. این بخش از محاسبات کلاسیک است و نیازی به اصلاحات کوانتومی نیست.

ما از ساده سازی استاندارد استفاده می کنیم که گاز فوتون در حجمی با ضلعی به طول L با شرایط مرزی تناوبی محصور شده است (یعنی در واقع یک چنبره تخت T = ℝ 3 / L ℤ 3) خواهد بود. فرکانس‌های احتمالی بر اساس راه‌حل‌های معادله امواج الکترومغناطیسی برای امواج ایستاده در حجمی با شرایط مرزی مشخص طبقه‌بندی می‌شوند، که به نوبه خود، تا یک عامل، با مقادیر ویژه لاپلاسین Δ مطابقت دارد. به طور دقیق تر، اگر Δ υ = λ υ، که در آن υ(x) یک تابع صاف T → ℝ است، آنگاه راه حل مربوط به معادله موج الکترومغناطیسی برای یک موج ایستاده است.

υ(t، x) = e c √λ t υ(x)

و بنابراین، با توجه به اینکه λ معمولا منفی است، و بنابراین √λ معمولاً خیالی است، فرکانس مربوطه خواهد بود

ω = c√(-λ)

چنین فرکانس زمانی V λ کم رخ می دهد، که در آن V λ مقدار ویژه λ لاپلاسی است.

ما شرایط را با استفاده از یک حجم با شرایط مرزی تناوبی ساده می کنیم، زیرا در این مورد نوشتن تمام توابع ویژه لاپلاسی بسیار آسان است. اگر از اعداد مختلط برای سادگی استفاده کنیم، آنها به صورت تعریف می شوند

υ k (x) = e i k x

جایی که k = (k 1 , k 2 , k 3) ∈ 2 π / L * ℤ 3 , بردار موج . مقدار ویژه مربوط به لاپلاسی خواهد بود

λ k = - | k | 2 = - k 2 1 - k 2 2 - k 2 3

فرکانس مربوطه خواهد بود

و انرژی مربوطه (یک فوتون از این فرکانس)

E k = ℏ ω k = ℏ c |k|

در اینجا توزیع احتمال را بر فرکانس‌های ممکن ω k که کاملاً گسسته هستند، با یک توزیع احتمال پیوسته تقریب می‌کنیم و چگالی متناظر حالت‌های g(ω) را محاسبه می‌کنیم. ایده این است که g(ω) dω باید با تعداد حالت های موجود با فرکانس های متفاوت از ω تا ω + dω مطابقت داشته باشد. سپس چگالی حالت ها را ادغام می کنیم و ثابت نرمال کننده نهایی را می گیریم.

چرا این تقریب منطقی است؟ ثابت نرمال سازی کامل را می توان به صورت زیر توصیف کرد. برای هر عدد موج k ∈ 2 π / L * ℤ 3 یک عدد n k ∈ ℤ ≥0 وجود دارد که تعداد فوتون های دارای این عدد موج را توصیف می کند. تعداد کل فوتون ها n = ∑ n k محدود است. هر فوتون ℏ ω k = ℏ c |k| را به انرژی اضافه می کند، که به این معنی است که

Z(β) = ∏ k Z ω k (β) = ∏ k 1 / (1 - e -βℏc|k|)

بنابراین، بر روی تمام اعداد موج k، لگاریتم آن به صورت مجموع نوشته می شود

Log Z(β) = ∑ k log 1 / (1 - e -βℏc|k|)

و می خواهیم این مجموع را با یک انتگرال تقریب کنیم. معلوم می شود که برای دماهای معقول و حجم زیاد، انتگرال با k بسیار آهسته تغییر می کند، بنابراین این تقریب بسیار نزدیک خواهد بود. فقط در دماهای بسیار پایین، جایی که میعانات بوز-انیشتین رخ می دهد، کار نمی کند.

چگالی حالت ها به صورت زیر محاسبه می شود. بردارهای موج را می توان به عنوان نقاط شبکه یکنواختی که در "فضای فاز" زندگی می کنند، نشان داد، یعنی تعداد بردارهای موج در یک منطقه خاص از فضای فاز متناسب با حجم آن است، حداقل برای مناطق بزرگ در مقایسه با مرحله شبکه 2π/L. . اساساً، تعداد بردارهای موج در ناحیه فضای فاز V/8π 3 است که در آن V = L 3، حجم محدود ما است.

باقی مانده است که حجم ناحیه فضای فاز برای همه بردارهای موج k با فرکانس ω k = c |k| در محدوده ω تا ω + dω. این یک پوسته کروی با ضخامت dω/c و شعاع ω/c، بنابراین حجم آن است

2πω 2 /c 3 dω

بنابراین، چگالی حالات برای یک فوتون

G(ω) dω = V ω 2 / 2 π 2 c 3 dω

در واقع، این فرمول دو برابر کمتر است: ما فراموش کردیم که قطبش فوتون ها (یا به طور معادل، اسپین فوتون) را در نظر بگیریم که تعداد حالت ها را برای یک عدد موج معین دو برابر می کند. چگالی صحیح:

G(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω

این واقعیت که چگالی حالت ها در حجم V خطی است نه تنها در یک چنبره صاف کار می کند. این خاصیت مقادیر ویژه لاپلاسی توسط قانون ویل است. این بدان معنی است که لگاریتم ثابت نرمال کننده

Log Z = V / π 2 c 3 ∫ ω 2 log 1 / (1 - e - βℏω) dω

مشتق با توجه به β میانگین انرژی گاز فوتون را می دهد

< E >= - ∂/∂β log Z = V / π 2 c 3 ∫ ℏω 3 / (e βℏω - 1) dω

اما آنچه برای ما مهم است انتگرال است که "چگالی انرژی" را می دهد.

E(ω) dω = Vℏ / π 2 c 3 * ω 3 / (e βℏω - 1) dω

توصیف مقدار انرژی گاز فوتونی که از فوتون‌هایی با فرکانس‌های بین ω تا ω + dω می‌آید. نتیجه فرمول پلانک است، اگرچه برای تبدیل آن به فرمول جسم سیاه و نه فرمول گاز فوتون، کمی بازی می‌طلبد (برای بدست آوردن چگالی در واحد حجم، باید بر V تقسیم کنید و برای اندازه‌گیری مقدار بیشتری انجام دهید. از تشعشعات).

فرمول پلانک دو محدودیت دارد. در حالتی که βℏω ← 0، مخرج به βℏω تمایل دارد و ما دریافت می کنیم

E(ω) dω ≈ V / π 2 c 3 * ω 2 / β dω = V k B T ω 2 / π 2 c 3 dω

برچسب ها:

• آتش
• فیزیک کوانتومی

افزودن برچسب

در هنگام احتراق، شعله ای تشکیل می شود که ساختار آن به دلیل مواد واکنش دهنده است. ساختار آن بسته به شاخص های دما به مناطق تقسیم می شود.

تعریف

شعله گازی است به شکل داغ که در آن اجزا یا مواد پلاسما به صورت پراکنده جامد وجود دارند. آنها دگرگونی هایی از نوع فیزیکی و شیمیایی را انجام می دهند که همراه با لومینسانس، انتشار انرژی حرارتی و گرمایش است.

وجود ذرات یونی و رادیکال در یک محیط گازی، هدایت الکتریکی و رفتار خاص آن در یک میدان الکترومغناطیسی را مشخص می کند.

شعله ها چیست

معمولاً این نام فرآیندهای مرتبط با احتراق است. در مقایسه با هوا، چگالی گاز کمتر است، اما دمای بالا باعث افزایش گاز می شود. به این ترتیب شعله های آتش بلند و کوتاه به وجود می آیند. مکرر اتفاق می افتد و انتقال آرامیک شکل به شکل دیگر

شعله: ساختار و ساختار

برای تعیین ظاهرشعله ور شدن پدیده توصیف شده کافی است شعله غیر نورانی که ظاهر شده را نمی توان همگن نامید. از نظر بصری، سه حوزه اصلی قابل تشخیص است. به هر حال، مطالعه ساختار شعله نشان می دهد که مواد مختلف با تشکیل می سوزند انواع مختلفمشعل ها

هنگامی که مخلوطی از گاز و هوا می سوزد، ابتدا مشعل کوتاهی تشکیل می شود که رنگ آن دارای رنگ های آبی و بنفش است. هسته در آن قابل مشاهده است - سبز-آبی، شبیه یک مخروط. این شعله را در نظر بگیرید. ساختار آن به سه منطقه تقسیم می شود:

1. یک منطقه آماده سازی را اختصاص دهید که در آن مخلوط گاز و هوا در خروجی سوراخ مشعل گرم شود.
2. پس از آن منطقه ای که احتراق در آن رخ می دهد، قرار می گیرد. بالای مخروط را اشغال می کند.
3. وقتی کمبودی وجود دارد جریان هوا، گاز کاملا نمی سوزد. اکسید کربن دو ظرفیتی و بقایای هیدروژن آزاد می شوند. پس سوزی آنها در ناحیه سوم، جایی که دسترسی به اکسیژن وجود دارد، صورت می گیرد.

اکنون به طور جداگانه فرآیندهای احتراق مختلف را در نظر خواهیم گرفت.

شمع سوزی

سوزاندن شمع شبیه سوزاندن کبریت یا فندک است. و ساختار شعله شمع شبیه یک جریان گاز داغ است که در اثر نیروهای شناور به سمت بالا کشیده می شود. این فرآیند با گرم شدن فتیله و سپس تبخیر پارافین آغاز می شود.

پایین ترین ناحیه که در داخل و مجاور نخ قرار دارد، ناحیه اول نامیده می شود. به دلیل حجم زیاد سوخت، درخشندگی کمی دارد، اما حجم کمی دارد مخلوط اکسیژن. در اینجا، فرآیند احتراق ناقص مواد انجام می شود که با آزاد شدن آنها بیشتر اکسید می شود.

منطقه اول توسط یک پوسته دوم نورانی احاطه شده است که ساختار شعله شمع را مشخص می کند. حجم بیشتری از اکسیژن وارد آن می شود که باعث ادامه واکنش اکسیداتیو با مشارکت مولکول های سوخت می شود. شاخص های دما در اینجا بالاتر از منطقه تاریک خواهد بود، اما برای تجزیه نهایی کافی نیست. در دو ناحیه اول است که وقتی قطرات سوخت نسوخته و ذرات زغال سنگ به شدت گرم می شوند، یک اثر نورانی ظاهر می شود.

منطقه دوم توسط یک پوسته نامحسوس با مقادیر دمای بالا احاطه شده است. بسیاری از مولکول های اکسیژن وارد آن می شوند که به احتراق کامل ذرات سوخت کمک می کند. پس از اکسیداسیون مواد، اثر نورانی در ناحیه سوم مشاهده نمی شود.

نمایش شماتیک

برای وضوح تصویری از یک شمع در حال سوختن را در اختیار شما قرار می دهیم. طرح شعله شامل:

1. اولین یا منطقه تاریک.
2. دومین منطقه نورانی.
3. سومین پوسته شفاف.

نخ شمع تحت احتراق قرار نمی گیرد، بلکه فقط زغال شدن انتهای خم شده رخ می دهد.

چراغ روح سوزان

از مخازن کوچک الکل اغلب برای آزمایشات شیمیایی استفاده می شود. به آنها لامپ الکلی می گویند. فتیله مشعل آغشته به سوخت مایع است که از طریق سوراخ ریخته می شود. این با فشار مویرگی تسهیل می شود. با رسیدن به بالای آزاد فتیله، الکل شروع به تبخیر می کند. در حالت بخار، مشتعل شده و در دمایی که بیش از 900 درجه سانتیگراد نباشد می سوزد.

شعله چراغ روح شکل معمولی دارد، تقریباً بی رنگ است، با کمی رنگ آبی. مناطق آن به وضوح قابل مشاهده نیستند.

به نام دانشمند بارتل، شروع آتش در بالای شبکه رشته ای مشعل قرار دارد. این عمیق شدن شعله منجر به کاهش مخروط تیره داخلی می شود و بخش میانی از سوراخ خارج می شود که داغ ترین محسوب می شود.

مشخصه رنگ

تابش های مختلف توسط انتقال های الکترونیکی ایجاد می شود. به آنها حرارتی نیز می گویند. بنابراین، در نتیجه احتراق جزء هیدروکربنی موجود در هوا، شعله آبی به دلیل آزاد شدن است. اتصالات H-C. و هنگامی که ذرات C-C ساطع می شوند، مشعل نارنجی مایل به قرمز می شود.

در نظر گرفتن ساختار شعله، که ترکیب شیمیایی آن شامل ترکیبات آب، دی اکسید کربن و مونوکسید کربن، پیوند OH است، دشوار است. زبان آن عملا بی رنگ است، زیرا ذرات فوق در هنگام سوختن، اشعه ماوراء بنفش و مادون قرمز ساطع می کنند.

رنگ شعله با نشانگرهای دما، با حضور ذرات یونی در آن، که به یک طیف تابشی یا نوری خاص تعلق دارند، در ارتباط است. بنابراین، سوختن برخی از عناصر منجر به تغییر رنگ آتش در مشعل می شود. تفاوت در رنگ آمیزی ستون با آرایش عناصر در گروه های مختلف سیستم تناوبی مرتبط است.

آتش برای حضور تشعشعات مربوط به طیف مرئی با یک طیف سنجی بررسی می شود. در همان زمان، مشخص شد که مواد ساده از زیر گروه عمومی نیز رنگ مشابهی از شعله دارند. برای وضوح، سوزاندن سدیم به عنوان آزمایشی برای این فلز استفاده می شود. وقتی داخل شعله می‌روند، زبان‌ها زرد روشن می‌شوند. بر اساس ویژگی های رنگ، خط سدیم در طیف انتشار ایزوله می شود.

برای ویژگی مشخصه تحریک سریع تابش نور ذرات اتمی. هنگامی که ترکیبات کم فرار چنین عناصری به آتش سوزی بونسن وارد می شود، رنگی می شود.

معاینه طیف سنجی خطوط مشخصی را در ناحیه قابل مشاهده با چشم انسان نشان می دهد. سرعت برانگیختگی تابش نور و ساختار طیفی ساده ارتباط نزدیکی با ویژگی الکتروپوزیتیو بالای این فلزات دارد.

مشخصه

طبقه بندی شعله بر اساس ویژگی های زیر است:

• حالت کل ترکیبات در حال سوختن آنها در اشکال گازی، هوا پراکنده، جامد و مایع هستند.
• نوع تشعشع که می تواند بی رنگ، درخشان و رنگی باشد.
• سرعت توزیع گسترش سریع و آهسته وجود دارد.
• ارتفاع شعله ساختار می تواند کوتاه و بلند باشد.
• ماهیت حرکت مخلوط های واکنش دهنده تخصیص حرکت ضربانی، آرام، متلاطم.
• ادراک بصری مواد با انتشار شعله دودی، رنگی یا شفاف می سوزند.
• نشانگر دما. شعله می تواند دمای پایین، سرد و دمای بالا باشد.
• وضعیت سوخت فاز - عامل اکسید کننده.

احتراق در نتیجه انتشار یا پیش اختلاط اجزای فعال رخ می دهد.

منطقه اکسیداسیون و احیا

فرآیند اکسیداسیون در یک منطقه نامحسوس انجام می شود. او داغ ترین است و در بالا قرار دارد. در آن، ذرات سوخت در معرض احتراق کامل. و وجود اکسیژن اضافی و کمبود سوخت منجر به فرآیند اکسیداسیون شدید می شود. این ویژگی باید هنگام گرم کردن اجسام روی مشعل استفاده شود. به همین دلیل ماده در قسمت بالایی شعله فرو می رود. چنین احتراق بسیار سریعتر انجام می شود.

واکنش های کاهشی در قسمت های مرکزی و پایینی شعله صورت می گیرد. آن شامل سهام بزرگمواد قابل احتراق و مقدار کمی مولکول O 2 که احتراق را انجام می دهند. هنگامی که به این مناطق وارد می شود، عنصر O قطع می شود.

به عنوان نمونه ای از شعله کاهنده، از فرآیند تقسیم سولفات آهن استفاده می شود. هنگامی که FeSO 4 وارد می شود قسمت مرکزیمشعل مشعل، ابتدا گرم می شود و سپس به اکسید آهن، انیدرید و دی اکسید گوگرد تجزیه می شود. در این واکنش کاهش S با بار از 6+ به 4+ مشاهده می شود.

شعله جوشکاری

این نوع آتش در نتیجه احتراق مخلوط گاز یا بخار مایع با اکسیژن در هوای پاک ایجاد می شود.

به عنوان مثال، تشکیل شعله اکسی استیلن است. برجسته می کند:

• منطقه هسته؛
• متوسط ​​منطقه بازیابی؛
• منطقه انتهایی شعله ور

این همان مقداری است که مخلوط گاز و اکسیژن می سوزد. تفاوت در نسبت استیلن و اکسیدان منجر به نوع مختلفشعله. این می تواند ساختار نرمال، کربور کننده (استیلن) ​​و اکسید کننده باشد.

از نظر تئوری، فرآیند احتراق ناقص استیلن در اکسیژن خالص را می توان با معادله زیر مشخص کرد: HCCH + O 2 → H 2 + CO + CO (یک مول O 2 برای واکنش مورد نیاز است).

هیدروژن مولکولی و مونوکسید کربن حاصل با اکسیژن هوا واکنش می دهند. محصولات نهایی آب و مونوکسید کربن چهار ظرفیتی هستند. معادله به این صورت است: CO + CO + H 2 + 1½O 2 → CO 2 + CO 2 + H 2 O. این واکنش به 1.5 مول اکسیژن نیاز دارد. هنگام جمع O 2 ، معلوم می شود که 2.5 مول روی 1 مول HCCH صرف می شود. و از آنجایی که در عمل یافتن اکسیژن خالص ایده آل دشوار است (اغلب آلودگی جزئی با ناخالصی ها دارد)، نسبت O 2 به HCCH 1.10 به 1.20 خواهد بود.

هنگامی که نسبت اکسیژن به استیلن کمتر از 1.10 باشد، شعله کربورسازی رخ می دهد. ساختار آن دارای یک هسته بزرگ است، خطوط آن تار می شود. دوده از چنین آتش سوزی به دلیل کمبود مولکول های اکسیژن منتشر می شود.

اگر نسبت گازها بیشتر از 1.20 باشد، شعله اکسید کننده با اکسیژن اضافی به دست می آید. مولکول های اضافی آن اتم های آهن و سایر اجزای مشعل فولادی را از بین می برند. در چنین شعله ای قسمت هسته کوتاه می شود و دارای نقطه می شود.

نشانگرهای دما

هر منطقه آتش یک شمع یا مشعل به دلیل تامین مولکول های اکسیژن معنای خاص خود را دارد. دمای شعله باز در قسمت های مختلف آن از 300 درجه سانتی گراد تا 1600 درجه سانتی گراد متغیر است.

به عنوان مثال شعله انتشاری و آرام است که توسط سه پوسته تشکیل می شود. مخروط آن شامل یک منطقه تاریک با دمای تا 360 درجه سانتیگراد و عدم وجود عامل اکسید کننده است. بالای آن یک منطقه درخشندگی است. شاخص دمای آن از 550 تا 850 درجه سانتیگراد است که به تجزیه حرارتی کمک می کند. مخلوط قابل احتراقو سوزش او

ناحیه بیرونی به سختی قابل مشاهده است. در آن دمای شعله به 1560 درجه سانتی گراد می رسد که به دلیل ویژگی های طبیعی مولکول های سوخت و سرعت ورود عامل اکسید کننده است. در اینجا احتراق پرانرژی است.

مواد در شرایط دمایی مختلف مشتعل می شوند. بنابراین، منیزیم فلزی تنها در دمای 2210 درجه سانتی گراد می سوزد. برای بسیاری از مواد جامد، دمای شعله حدود 350 درجه سانتیگراد است. احتراق کبریت و نفت سفید در دمای 800 درجه سانتیگراد امکان پذیر است، در حالی که چوب - از 850 درجه سانتیگراد تا 950 درجه سانتیگراد.

سیگار با شعله ای می سوزد که دمای آن از 690 تا 790 درجه سانتی گراد و در مخلوط پروپان بوتان - از 790 درجه سانتی گراد تا 1960 درجه سانتی گراد متغیر است. بنزین در دمای 1350 درجه سانتیگراد مشتعل می شود. شعله الکل در حال سوختن دمایی بیش از 900 درجه سانتیگراد ندارد.

چگونه تاریکی را نفرین کنیم
بهتر است آن را روشن کنید
یک شمع کوچک
کنفوسیوس

در ابتدا

اولین تلاش ها برای درک مکانیسم احتراق با نام های رابرت بویل انگلیسی، آنتوان لوران لاووازیه فرانسوی و میخائیل واسیلیویچ لومونوسوف روسی مرتبط است. معلوم شد که در هنگام احتراق، این ماده در هیچ کجا "ناپدید" نمی شود، همانطور که زمانی ساده لوحانه تصور می شد، بلکه به مواد دیگری تبدیل می شود، عمدتا گازی و در نتیجه نامرئی. Lavoisier در سال 1774 برای اولین بار نشان داد که حدود یک پنجم هوا هنگام احتراق هوا را ترک می کند. در طول قرن نوزدهم، دانشمندان فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی همراه با احتراق را با جزئیات مورد مطالعه قرار دادند. نیاز به چنین کاری در درجه اول ناشی از آتش سوزی و انفجار در معادن بود.

اما تنها در ربع آخر قرن بیستم بود که واکنش های شیمیایی اصلی همراه با احتراق شناسایی شد و تا به امروز بسیاری از نقاط تاریک در شیمی شعله باقی مانده اند. آنها با مدرن ترین روش ها در بسیاری از آزمایشگاه ها مورد بررسی قرار می گیرند. این مطالعات چندین هدف دارند. از یک طرف، بهینه سازی فرآیندهای احتراق در کوره های CHP و سیلندرهای موتور ضروری است. احتراق داخلی، برای جلوگیری از احتراق انفجاری (انفجار) هنگامی که مخلوط هوا و بنزین در سیلندر ماشین فشرده می شود. از سوی دیگر، لازم است مقدار مواد مضر تشکیل شده در حین احتراق کاهش یابد و در عین حال - به دنبال موارد بیشتری باشید. وسیله موثراطفای حریق.

دو نوع شعله وجود دارد. سوخت و اکسیدان (اغلب اکسیژن) می توانند به طور جداگانه به منطقه احتراق یا به طور خود به خود وارد شوند و از قبل در شعله مخلوط شوند. و آنها را می توان از قبل مخلوط کرد - چنین مخلوط هایی قادر به سوزاندن یا حتی انفجار در غیاب هوا هستند، مانند باروت، مخلوط های آتش بازی برای آتش بازی، سوخت موشک. احتراق می تواند هم با مشارکت اکسیژنی که با هوا وارد منطقه احتراق می شود و هم با کمک اکسیژن موجود در ماده اکسید کننده رخ دهد. یکی از این مواد نمک برتوله (کلرات پتاسیم KClO 3) است. این ماده به راحتی اکسیژن می دهد. یک عامل اکسید کننده قوی اسید نیتریک HNO 3 است: در شکل خالص آن، بسیاری از مواد آلی را مشتعل می کند. نیترات ها، نمک های اسید نیتریک (به عنوان مثال، به شکل کود - نیترات پتاسیم یا آمونیوم)، اگر با مواد قابل احتراق مخلوط شوند، بسیار قابل اشتعال هستند. یکی دیگر از عوامل اکسید کننده قوی، تتروکسید نیتروژن N 2 O 4، جزء سوخت موشک است. اکسیژن را می توان با عوامل اکسید کننده قوی مانند کلر که بسیاری از مواد در آن می سوزند یا فلوئور جایگزین کرد. فلوئور خالص یکی از قوی ترین عوامل اکسید کننده است که آب در جت آن می سوزد.

واکنش های زنجیره ای

پایه های تئوری احتراق و انتشار شعله در اواخر دهه 1920 گذاشته شد. در نتیجه این مطالعات، واکنش های زنجیره ای شاخه ای کشف شد. برای این کشف، نیکلای نیکولایویچ سمنوف، فیزیکوشیمیدان داخلی و سیریل هینشلوود، محقق انگلیسی، جایزه نوبل شیمی را در سال 1956 دریافت کردند. واکنش‌های زنجیره‌ای ساده‌تر بدون شاخه در سال 1913 توسط شیمی‌دان آلمانی ماکس بودنشتاین با استفاده از واکنش هیدروژن با کلر به عنوان مثال کشف شد. در مجموع، واکنش با معادله ساده H 2 + Cl 2 = 2HCl بیان می شود. در واقع، با مشارکت قطعات بسیار فعال مولکول ها - به اصطلاح رادیکال های آزاد - می آید. تحت تأثیر نور در نواحی فرابنفش و آبی طیف یا با درجه حرارت بالامولکول‌های کلر به اتم‌ها تجزیه می‌شوند که زنجیره‌ای طولانی (گاهی تا یک میلیون حلقه) از تبدیل را آغاز می‌کنند. هر یک از این تبدیل ها یک واکنش ابتدایی نامیده می شود:

Cl + H 2 → HCl + H،
H + Cl 2 → HCl + Cl و غیره

در هر مرحله (حلقه واکنش)، یک مرکز فعال (اتم هیدروژن یا کلر) ناپدید می شود و در همان زمان یک مرکز فعال جدید ظاهر می شود که زنجیره را ادامه می دهد. هنگامی که دو گونه فعال به هم می رسند، زنجیره ها خاتمه می یابند، برای مثال Cl + Cl → Cl 2. هر زنجیره خیلی سریع منتشر می شود، بنابراین اگر ذرات فعال "ابتدای" را با سرعت بالا، واکنش آنقدر سریع پیش خواهد رفت که می تواند منجر به انفجار شود.

N. N. Semenov و Hinshelwood کشف کردند که واکنش های احتراق فسفر و بخار هیدروژن متفاوت است: کوچکترین جرقه یا شعله باز می تواند باعث انفجار حتی در دمای اتاق شود. این واکنش‌ها زنجیره‌ای هستند: ذرات فعال در طول واکنش "تکثیر" می‌شوند، یعنی وقتی یک ذره فعال ناپدید می‌شود، دو یا سه ذره ظاهر می‌شوند. به عنوان مثال، در مخلوطی از هیدروژن و اکسیژن، که می تواند به طور ایمن برای صدها سال ذخیره شود، اگر تأثیرات خارجی وجود نداشته باشد، ظهور اتم های هیدروژن فعال به دلایلی باعث ایجاد فرآیند زیر می شود:

H + O 2 → OH + O،
O + H 2 → OH + H.

بنابراین، در یک دوره زمانی ناچیز، یک ذره فعال (اتم H) به سه (اتم هیدروژن و دو رادیکال هیدروکسیل OH) تبدیل می‌شود که در حال حاضر به جای یک زنجیره، سه زنجیره را راه‌اندازی می‌کنند. در نتیجه، تعداد زنجیره‌ها مانند بهمن رشد می‌کند که فوراً منجر به انفجار مخلوطی از هیدروژن و اکسیژن می‌شود، زیرا انرژی حرارتی زیادی در این واکنش آزاد می‌شود. اتم های اکسیژن در شعله و در احتراق مواد دیگر وجود دارند. آنها را می توان با هدایت جت شناسایی کرد هوای فشردهدر بالای شعله مشعل در عین حال، بوی مشخصی از ازن در هوا پیدا می شود - اینها اتم های اکسیژن هستند که با تشکیل مولکول های ازن به مولکول های اکسیژن چسبیده اند: O + O 2 \u003d O 3 که از شعله خارج شده اند. توسط هوای سرد

احتمال انفجار مخلوطی از اکسیژن (یا هوا) با بسیاری از گازهای قابل احتراق - هیدروژن، مونوکسید کربن، متان، استیلن - به شرایط، عمدتاً به دما، ترکیب و فشار مخلوط بستگی دارد. بنابراین، اگر در نتیجه نشت گاز خانگی در آشپزخانه (که عمدتاً متان است)، محتوای آن در هوا بیش از 5٪ باشد، مخلوط از شعله کبریت یا فندک منفجر می شود و حتی از جرقه کوچکی که با روشن شدن چراغ از سوییچ سر خورد. اگر زنجیرها سریعتر از آن که بتوانند منشعب شوند، منفجر نمی شود. به همین دلیل است که یک لامپ معدنچی ایمن وجود داشت که شیمیدان انگلیسی هامفری دیوی در سال 1816 آن را توسعه داد و چیزی در مورد شیمی شعله نمی دانست. در این لامپ، آتش باز از اتمسفر بیرونی (که می تواند انفجاری باشد) توسط یک توری فلزی ریز جدا می شد. در سطح فلز، ذرات فعال به طور موثر ناپدید می شوند و به مولکول های پایدار تبدیل می شوند و بنابراین نمی توانند به محیط خارجی نفوذ کنند.

مکانیسم کامل واکنش های زنجیره ای شاخه ای بسیار پیچیده است و ممکن است بیش از صد واکنش ابتدایی را شامل شود. واکنش های زنجیره ای شامل بسیاری از واکنش های اکسیداسیون و احتراق ترکیبات معدنی و آلی است. همین واکنش شکافت هسته ای عناصر سنگین مانند پلوتونیوم یا اورانیوم، تحت تأثیر نوترون ها است که به عنوان آنالوگ ذرات فعال در واکنش های شیمیایی عمل می کنند. نوترون ها با نفوذ به هسته یک عنصر سنگین باعث شکافت آن می شوند که با آزاد شدن انرژی بسیار زیادی همراه است. همزمان نوترون های جدیدی از هسته ساطع می شود که باعث شکافت هسته های مجاور می شود. فرآیندهای زنجیره انشعاب شیمیایی و هسته ای با مدل های ریاضی مشابه توصیف می شوند.

شما برای شروع به چی نیاز دارید

برای شروع احتراق، یکسری شرایط باید رعایت شود. اول از همه، دمای ماده قابل احتراق باید از یک مقدار محدود کننده خاص تجاوز کند که به آن دمای احتراق می گویند. رمان معروف ری بردبری فارنهایت 451 به این دلیل نامگذاری شده است که کاغذ در این دما (233 درجه سانتیگراد) می سوزد. این "نقطه اشتعال" است که در بالای آن سوخت جامد بخارات قابل اشتعال یا محصولات تجزیه گازی را به مقدار کافی برای سوختن پایدار آزاد می کند. دمای احتراق تقریباً یکسان برای چوب کاج خشک.

دمای شعله به ماهیت ماده قابل احتراق و شرایط احتراق بستگی دارد. بنابراین، درجه حرارت در شعله متان در هوا به 1900 درجه سانتیگراد و هنگام سوختن در اکسیژن - 2700 درجه سانتیگراد می رسد. شعله حتی داغتر از احتراق در اکسیژن خالص هیدروژن (2800 درجه سانتیگراد) و استیلن (3000 درجه سانتیگراد) تولید می شود. جای تعجب نیست که شعله مشعل استیلن تقریباً هر فلزی را به راحتی برش می دهد. بالاترین دما، حدود 5000 درجه سانتیگراد (در کتاب رکوردهای گینس ثبت شده است)، هنگامی که در اکسیژن سوزانده می شود، توسط یک مایع کم جوش - زیر نیترید کربن C 4 N 2 (این ماده دارای ساختار دی سیانو استیلن NC- است) داده می شود. C=C–CN). و طبق برخی گزارش ها، هنگامی که در اتمسفر ازن می سوزد، دما می تواند تا 5700 درجه سانتیگراد برسد. اگر این مایع در هوا آتش بگیرد، با شعله دودی قرمز رنگ با حاشیه سبز-بنفش می سوزد. از طرفی شعله های سرد نیز شناخته شده است. پس مثلاً می سوزند فشارهای پایینبخار فسفر شعله نسبتا سرد نیز در طی اکسیداسیون دی سولفید کربن و هیدروکربن های سبک تحت شرایط خاص به دست می آید. به عنوان مثال، پروپان شعله سردی در فشار و دمای کاهش یافته بین 260 تا 320 درجه سانتیگراد تولید می کند.

تنها در ربع آخر قرن بیستم، مکانیسم فرآیندهای رخ داده در شعله بسیاری از مواد قابل احتراق شروع به روشن شدن کرد. این مکانیسم بسیار پیچیده است. مولکول های اولیه معمولاً آنقدر بزرگ هستند که نمی توانند مستقیماً از طریق واکنش با اکسیژن به محصولات واکنش تبدیل شوند. بنابراین، برای مثال، احتراق اکتان، یکی از اجزای بنزین، با معادله 2C 8 H 18 + 25O 2 \u003d 16CO 2 + 18H 2 O بیان می شود. با این حال، تمام 8 اتم کربن و 18 اتم هیدروژن در مولکول اکتان نمی تواند به طور همزمان با 50 اتم اکسیژن ترکیب شود: برای این، بسیاری از پیوندهای شیمیایی باید شکسته شوند و بسیاری از پیوندهای جدید باید تشکیل شوند. واکنش احتراق در مراحل زیادی رخ می دهد - به طوری که در هر مرحله فقط تعداد کمی پیوند شیمیایی شکسته و تشکیل می شود و این فرآیند شامل انبوهی از واکنش های اولیه متوالی است که مجموع آنها به عنوان یک شعله به نظر ناظر می رسد. مطالعه واکنش های اولیه دشوار است، در درجه اول به این دلیل که غلظت ذرات میانی فعال در شعله بسیار کم است.

داخل شعله

کاوش نوری بخش های مختلف شعله با کمک لیزر امکان ایجاد ترکیب کیفی و کمی ذرات فعال موجود در آنجا - قطعات مولکول های سوخت را فراهم می کند. معلوم شد که حتی در یک واکنش به ظاهر ساده از احتراق هیدروژن در اکسیژن 2H 2 + O 2 = 2H 2 O، بیش از 20 واکنش اولیه با مشارکت مولکول های O 2، H 2، O 3، H 2 O 2 رخ می دهد. H 2 O، ذرات فعال H، O، OH، BUT 2. به عنوان مثال، در اینجا چیزی است که شیمیدان انگلیسی کنت بیلی در سال 1937 در مورد این واکنش نوشت: «معادله واکنش ترکیب هیدروژن با اکسیژن اولین معادله ای است که اکثر مبتدیان مطالعه شیمی با آن آشنا می شوند. این واکنش به نظر آنها بسیار ساده است. اما حتی شیمی دانان حرفه ای نیز با دیدن یک کتاب صد صفحه ای به نام واکنش اکسیژن با هیدروژن که توسط Hinshelwood و Williamson در سال 1934 منتشر شد، تا حدودی متحیر می شوند. به این می‌توان اضافه کرد که در سال 1948 تک‌نگاری بسیار بزرگ‌تری از A. B. Nalbandyan و V. V. Voevodsky تحت عنوان «مکانیسم اکسیداسیون و احتراق هیدروژن» منتشر شد.

روش‌های تحقیقاتی مدرن مطالعه مراحل فردی چنین فرآیندهایی را امکان‌پذیر کرده است تا میزان واکنش ذرات فعال مختلف با یکدیگر و با مولکول‌های پایدار در دماهای مختلف را اندازه‌گیری کنیم. با دانستن مکانیسم مراحل فردی فرآیند، می توان کل فرآیند را "مجموعه" کرد، یعنی شعله را شبیه سازی کرد. پیچیدگی چنین مدل‌سازی نه تنها در مطالعه کل مجموعه واکنش‌های شیمیایی ابتدایی است، بلکه در نیاز به در نظر گرفتن فرآیندهای انتشار ذرات، انتقال حرارت و جریان‌های همرفتی در شعله است (این دومی است که جادوگری را ترتیب می‌دهد. بازی زبانهای آتش سوزان).

همه چیز از کجا می آید

سوخت اصلی صنعت مدرن- هیدروکربن‌ها، از ساده‌ترین، متان، و ختم به هیدروکربن‌های سنگین که در نفت کوره وجود دارد. شعله حتی ساده ترین هیدروکربن - متان - می تواند تا صد واکنش اولیه را شامل شود. با این حال، همه آنها با جزئیات کافی مورد مطالعه قرار نگرفته اند. هنگامی که هیدروکربن های سنگین، مانند آنهایی که در پارافین موجود است، می سوزند، مولکول های آنها نمی توانند به منطقه احتراق برسند و دست نخورده باقی می مانند. حتی در راه رسیدن به شعله به دلیل دمای بالا به تکه تکه می شوند. در این حالت، معمولاً گروه‌های حاوی دو اتم کربن از مولکول‌ها جدا می‌شوند، به عنوان مثال، C 8 H 18 → C 2 H 5 + C 6 H 13. گونه‌های فعال با تعداد فرد اتم کربن می‌توانند اتم‌های هیدروژن را جدا کرده و ترکیباتی با پیوندهای C=C مضاعف و سه‌گانه C≡C تشکیل دهند. مشخص شد که در یک شعله، چنین ترکیباتی می توانند وارد واکنش هایی شوند که قبلاً برای شیمیدانان شناخته شده نبودند، زیرا آنها خارج از شعله نمی روند، به عنوان مثال، C 2 H 2 + O → CH 2 + CO، CH 2 + O 2 → CO 2 + H + N.

از دست دادن تدریجی هیدروژن توسط مولکول های اولیه منجر به افزایش نسبت کربن در آنها می شود تا زمانی که ذرات C 2 H 2 , C 2 H , C 2 تشکیل شوند. منطقه شعله آبی-آبی به دلیل درخشش ذرات C2 و CH در این ناحیه است. اگر دسترسی اکسیژن به منطقه احتراق محدود باشد، این ذرات اکسید نمی شوند، بلکه در سنگدانه ها جمع آوری می شوند - طبق طرح C 2 H + C 2 H 2 → C 4 H 2 + H، C 2 H پلیمریزه می شوند. + C 4 H 2 → C 6 H 2 + H و غیره.

در نتیجه، ذرات دوده تشکیل می شوند که تقریباً منحصراً از اتم های کربن تشکیل شده است. آنها به شکل گلوله های کوچکی به قطر 0.1 میکرومتر هستند که تقریباً یک میلیون اتم کربن دارند. چنین ذرات در دمای بالا شعله ای درخشان ایجاد می کنند. رنگ زرد. در بالای شعله شمع، این ذرات می سوزند، بنابراین شمع دود نمی کند. اگر چسبندگی بیشتر این ذرات آئروسل اتفاق بیفتد، ذرات دوده بزرگتر تشکیل می شوند. در نتیجه شعله ای (مثلاً سوزاندن لاستیک) دود سیاه تولید می کند. اگر نسبت کربن نسبت به هیدروژن در سوخت اصلی افزایش یابد، چنین دودی ظاهر می شود. به عنوان مثال سقز - مخلوطی از هیدروکربن های ترکیب C 10 H 16 (C n H 2n-4)، بنزن C 6 H 6 (C n H 2n-6)، سایر مایعات قابل احتراق با کمبود هیدروژن - همه آنها دود در هنگام احتراق شعله دودی و درخشان باعث سوختن استیلن C2H2 (CnH2n-2) در هوا می شود. زمانی چنین شعله ای در فانوس های استیلن نصب شده روی دوچرخه ها و اتومبیل ها، در لامپ های معدنچی استفاده می شد. و بالعکس: هیدروکربن ها با محتوای بالاهیدروژن - متان CH4، اتان C2H6، پروپان C3H8، بوتان C4H10 ( فرمول کلی C n H 2n+2) - با دسترسی کافی هوا با شعله تقریباً بی رنگ بسوزانید. مخلوطی از پروپان و بوتان به شکل مایع تحت فشار اندک در فندک ها و همچنین در سیلندرهایی که ساکنان تابستانی و گردشگران استفاده می کنند یافت می شود. همین سیلندرها در خودروهایی که با گاز کار می کنند نصب می شوند. اخیراً مشخص شده است که دوده اغلب حاوی مولکول های کروی است که از 60 اتم کربن تشکیل شده است. آنها فولرن نامیده شدند و کشف این فرم جدیدکربن توسط جایزه نوبل شیمی در سال 1996 گرامی داشته شد.