Вогонь газоподібної речовини. З чого складається полум'я

Вступ

Актуальність теми. Без вогню неможливе життя Землі. Ми бачимо вогонь щодня – плита, багаття, піч тощо. Він усюди – у будинках та школах, на заводах та фабриках, у двигунах космічних кораблів. Вічний Вогонь горить на площі Слави, у храмах завжди горять свічки.

Усі літо по телевізору показували лісові пожежі. Згоріла безповоротно велика кількість дерев, які давали нам повітря. Могли б стати цікавими книгами та нашими шкільними зошитами. Загинули тварини. Згоріли цілі села, люди залишилися без житла.

Цікавий та загадковий цей вогонь!

Для дітей про пожежі та заходи безпеки написано чимало книг, у тому числі літературних творів (“Дядько степу” С. Міхалкова, “Плутанина” К. Чуковського, “Кошкін дім” С. Маршака тощо). Але такі джерела, в яких докладно описуються і властивості вогню, і його користь зустрічаються рідко. Наша робота – це спроба заповнити таку прогалину.

Ціль роботи: Дослідження значення вогню для людини.

Завдання. У цій роботі ми вивчаємо властивості вогню та відповідаємо на запитання: Що таке вогонь? Також знаємо, як ці властивості використовують люди. Як і чому вогонь може допомогти та нашкодити людям? (Додаток 1).

Ми використовували довідкову літературу: словник, енциклопедію, деякі книги для дорослих та інформацію з мережі Інтернет.

1. Що таке вогонь? Основні властивості вогню

У дитячій енциклопедії є таке визначення вогню та горіння: "це хімічна реакція, в якій одна з речовин настільки нагрівається, що з'єднується з киснем повітря". У тлумачному словнику російської читаємо: “Вогонь – палаючі гази високої температури” . Після прочитання цієї інформації, автор даної роботи так і не зрозумів, що таке вогонь і вирішив дати таке йому визначення, яке було б зрозуміло учням початкової школи. Для цього необхідно виявити основні його властивості.

Основні властивості вогню вивчаємо за допомогою методів експерименту (дослідів) та спостереження. Зробимо кілька дослідів.

Примітка. Всі досліди проводилися в присутності і за допомогою дорослих, при цьому були дотримані правила безпеки: використовували поверхню (скляну дошку), що непоганювала, і приготували глечик з водою.

Опис дослідів:

Досвід №1. темний часдіб вимкнули у кімнаті світло. Стало темно, нічого не видно. Запалили свічку, стали видно обриси предметів та людей.

Висновок: 1 властивість: Вогонь випромінює світло! (Див.: Додаток, слайд 4)

Навіть невелике полум'я свічки може освітлювати кімнату. Ось чому у запасі у мами завжди є свічки – на випадок відключення електрики.

Досвід №2. Дуже обережно спробуємо піднести руку до полум'я свічки. На відстані 20 см стає дуже тепло, нижче – через печіння опустити руку не можна.

Висновок: 2 Властивість: Вогонь виділяє багато тепла! (Див.: Додаток, слайд 5).

Досвід № 3. Накриємо свічку, що горить, скляною банкою. За кілька секунд полум'я гасне. Те саме відбувається і з газовою конфоркою. Для вірогідності ми повторили досвід тричі. Результат завжди один – полум'я припиняє горіти.

Висновок: 3 властивість: для того, щоб вогонь горів, потрібне повітря, а точніше кисень, який він містить. (Див.: Додаток, слайд 6).

Отже, ми з'ясували основні властивості вогню і можемо відповісти питанням: що таке вогонь?

Вогонь - це такий процес, при якому поглинається кисень і виділяється світло та тепло.

Продовжимо вивчення властивостей вогню.

1) Спостерігаємо за полум'ям свічки. Форма спокійного полум'я, загострена вгору схожа на конус. Якщо потихеньку подути на полум'я свічки, форма змінюється, воно відхиляється від потоку повітря. Те ж відбувається, якщо піднести свічку до відкритого вікна.

Висновок: форму полум'я можна змінити потоком повітря. Цю властивість використовують при розпалюванні багаття. (Див.: Додаток, слайди 9,10,11).

2) Розглянемо колір полум'я. Колір не скрізь однаковий, полум'я має шари: нижній шар блакитнуватого відтінку, потім світло-жовтий шар, після нього - верхній червонувато-оранжевий. (Див.: Додаток, слайд 13).

Але це ще не все про колір.

Ми помітили, що газ на кухні завжди горить блакитним кольором, а дерево – жовто-жовтогарячим. Спостерігаючи за горінням тонку тяганину з міді, від електричного шнура, ми виявили, що полум'я при цьому забарвлюється в зелений колір. (Див.: Додаток, слайди 14, 17, 18, 19).

Висновки: 1. Різні речовини та матеріали горять із різним кольором полум'я. Так от як виходить такий гарний феєрверк! 2. Значить можна визначити, чи невідома речовина за кольором полум'я, треба тільки підпалити (як один із способів).

Досвід №5. Температура полум'я. Візьмемо ту ж тонку мідну тяганину. Кінчик такої тяганини, тримаючи її впоперек полум'я, поміщаємо в різних місцях і на різній висоті в полум'я і спостерігаємо дію полум'я на тяганину. Спостереження виявляють таке:

• У нижній частині полум'я тяганина не світиться, не горить, тільки вкрилася чорним нальотом.
• У середній частині тяганина розжарюється, починає світитися червоним кольором.
• У самій верхній частині полум'я тяганина спалахує, забарвлюючи полум'я в зелений відтінок.

Значить, температура різних шарах полум'я різна. Це підтверджується і досвідом із піднесенням до полум'я руки. Ми пам'ятаємо, що зверху можна піднести руку лише на 20 см. Якщо піднести палець до нижньої частини полум'я, тепло відчувається лише на відстані 1 см.

Висновок: полум'я має кілька шарів, що відрізняються не лише за кольором, а й температурою. У нижній частині полум'я найхолодніше, а у верхній – найгаряче. (Див.: Додаток, слайд 20).

2. Значення вогню: користь та шкода

В результаті проведених дослідів, власних спостережень, а також із прочитаного матеріалу ми переконалися, що люди постійно використовують вогонь у своєму житті, і він приносить їм велику користь.

1. У побуті: для опалення приміщень, приготування їжі, нагрівання води, освітлення – якщо електрика не працює. Ще вогонь слугує для затишку. Наприклад, камін чи ароматичні свічки.
2. Як виявилося, корисні властивості вогню використовують на багатьох заводах та фабриках. Вогонь плавить метал, після чого йому надають якоїсь форми. Також вогнем ріжуть метал чи навпаки, зварюють його. Таким чином, його використовують, наприклад, для того, щоб робити різні машини та механізми.

Ще вогонь використовується при:

• Виготовлення скляного та глиняного посуду.
• Виробництво пластмас, фарб.
• Виготовлення ліків.
• Переробки відходів.

І це ще не весь перелік “добрих” справ вогню.

Висновок: Вогонь дуже потрібний людям. Він зігріває, годує та освітлює. Сучасна людина використовує вогонь постійно. Неможливо уявити життя без вогню.

Але вогонь дуже небезпечний! Його завжди слід контролювати. Він може і дуже нашкодити. Йдеться про пожежі. Пожежа – коли вогонь горить без бажання людини і все руйнує.

Велику шкоду нашій державі та населенню завдають пожежі. Пожежа – явище дуже страшне, жорстоке, вороже до всього живого. (Див.: Додаток, слайд 26).

Пожежа шкідлива тим, що: від пожеж гинуть люди і одержують сильні опіки, люди позбавляються вдома, від пожеж зникають ліси і гинуть усі їхні жителі: тварини, птахи, пожежа може знищити все, що людина творила своєю працею.

Небагато статистики. Тільки уявіть, що щорічно у світі відбувається близько 5 мільйонів пожеж! Щогодини у вогні гине одна людина, дві отримують травми та опіки. Кожен третій загиблий – дитина.

Як вони з'являються? Через необережне поводження з вогнем, несумлінне ставлення до заходів безпеки.

Про пожежі, про біди, які приносить вогонь, написано багато книг. У тому числі дитячих. Чому ж для дітей написано багато книг про пожежі? Ми думаємо, що тому що пожежі часто виникають з вини дітей.

Хочемо нагадати всім хлопцям:

Ніколи не грайте із вогнем!

Розпалювати вогонь можна лише у присутності дорослих та під їх наглядом.

У місцях розведення багать, іншого використання вогню мають бути під рукою засоби гасіння.

Не можна залишати вогонь без нагляду.

Коли вогонь вже не потрібен, він має бути добре згашений.

Висновок

Таким чином, в результаті проведеної роботи ми дали зрозуміле для дітей визначення вогню: "Вогонь - це такий процес, при якому поглинається кисень і виділяється світло та тепло".

А також з'ясували: Полум'я має певну форму, кілька шарів, що відрізняються не лише за кольором, а й температурою. При цьому форму полум'я можна змінити потоком повітря. Знання цих властивостей допомагає людям використовувати вогонь ефективніше.

Різні речовини та матеріали горять із різним кольором полум'я. Значить можна визначити, якась речовина за кольором полум'я треба лише підпалити (як один із способів).

Взагалі, вогонь дуже потрібний людям, він зігріває, годує, освітлює. Сучасна людина використовує вогонь постійно. Неможливо уявити життя без вогню.

Але вогонь дуже небезпечний! Його завжди потрібно контролювати, не можна залишати без нагляду. Він може і дуже нашкодити. Пожежа – явище дуже страшне, жорстоке, вороже до всього живого.

Звичайно, ми досліджували не все про таке дивовижне явище, як вогонь. Тому надалі можна дослідити такі питання: як люди навчилися розпалювати вогонь, якими були перші способи? Які речовини не горять та чому? Як роблять фокуси із вогнем? Також цікава тема "Вогонь та зброя".

Результати цієї роботи можна використовувати як допоміжний матеріал на заняттях про світ навколо нас (навколишній світ) в дитячому садкута початковій школі. Для дітей, що цікавляться вогнем, такий матеріал буде корисний, тому що він наочний і досить простий.

Список джерел та літератури

1. Джон Фарндон, Ян Джеймс, Джіні Джонсон, Анжела Ройстон та ін. Енциклопедія “Питання та відповіді”. Переклад з англ.: Є. Куликова, Д. Біленька та ін. ТОВ "Видавнича група Аттікус", 2008. 255 с.
2. Кайданова О.В (упорядник) Вогонь та людина. Москва, 1912. 98 з.
3. Ожегов С.І. Словник російської: М.: Рус. яз., 1984. 797 с.
4. Сафронов М.А., Вакуров А.Д. Вогонь у лісі. Новосибірськ: наука, 1991. 130 с.
5. Інтернет ресурси:

Стихія вогню. http://salamand.ru/sootvetstviya-stixii-ognya

Російська статистика. http://www.statp.ru

Провівши цей нескладний досвід, ти переконаєшся, що без кисню полум'я гасне. Візьми свічку та зміцни її на тарілці. Попроси дорослих запалити свічку, потім накрий її скляною банкою. Через деякий час ти побачиш, що полум'я згасло, тому що кисень у банку закінчився.

Полум'я утворюється при горінні речовин, що знаходяться в різних станах - вони можуть бути і твердими, і рідкими, і навіть газоподібними. Утворюється полум'я лише за наявності пального речовини, кисню та тепла. Розглянемо процес на прикладі сірника: сірка і сам сірник, є горючою речовиною, тертя про коробки; енергія, що виникає в результаті тертя - стає теплом, і входячи в реакцію з киснем - сірник починає горіти. Дунувши на сірник, що горить, температура знижується і горіння припиняється.

Як вимірюють температуру?

Для вимірювання температури використовують різні шкали. Кожна шкала має ім'я свого творця: Цельсія, Фаренгейта, Кельвіна і Ранкіна. У багатьох країнах користуються шкалою Цельсія (°С).
Ось деякі приклади температур:
250 ° С - температура займання деревини;
100 ° С - температура кипіння води;
37 ° С - температура людського тіла;
Про °С - температура замерзання води;
- 39 ° С - температура затвердіння ртуті;
- 273 ° С - абсолютний нуль температура, при якій атоми перестають рухатися.

Продукти горіння

Дим, попіл та сажа – це продукти горіння. Коли речовина згоряє, вона не зникає, а перетворюється на інші речовини та тепло.

Форма полум'я

Полум'я має подовжену форму, тому що гаряче повітря, легший, ніж холодний, прямує вгору.

Що таке пальне чи паливо

Речовини, що згоряють у присутності кисню з виділенням великої кількості тепла, називаються горючими та використовуються для виробництва різного видуенергії. Деревина та вугілля – це тверде пальне. Бензин, солярка та гас — рідке пальне, його одержують із нафти. Природний газ, Що складається з метану, етану, пропану та бутану, - газоподібне паливо.

Яке є екзотермічну реакцію, в якій окислювач, зазвичай кисень, окислює пальне, зазвичай вуглець, в результаті чого виникають продукти згоряння, такі як діоксид вуглецю, вода, тепло і світло. Типовий приклад- Горіння метану:

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O

Тепло, що виникає при горінні, може використовуватися для живлення самого горіння, і якщо цього достатньо і додаткової енергії для підтримки горіння не потрібно, виникає вогонь. Щоб зупинити вогонь, можна видалити пальне (відключити пальник на плиті), окислювач (накрити вогонь) спеціальним матеріалом), Тепло (збризкати вогонь водою) або саму реакцію.

Горіння, в певному сенсі, протилежне фотосинтезу, ендотермічної реакції, в яку вступають світло, вода та діоксид вуглецю, внаслідок чого виникає вуглець.

Є спокуса припустити, що з спалюванні дерева використовуються вуглець, що у целюлозі . Однак, зважаючи на все, відбувається щось складніше. Якщо дерево піддати впливу тепла, воно піддається піролізу (на відміну від горіння, що не вимагає кисню), що перетворює її на більш горючі речовини, такі, як гази, і саме ці речовини загоряються при пожежах.

Якщо дерево горить досить довго, полум'я зникне, але тління продовжиться, зокрема дерево продовжить світитися. Тління – це неповне горіння, у результаті якого, на відміну повного горіння, виникає монооксид вуглецю.

Повсякденні об'єкти постійно випромінюють тепло, більшість якого знаходиться в інфрачервоному діапазоні. Його довжина хвилі більша, ніж у видимого світла, тому без спеціальних камер його не побачити. Вогонь досить яскравий для того, щоб видавати видиме світло, хоч і інфрачервоного випромінювання у нього вистачає.

Інший механізм виникнення кольору біля вогню – спектр випромінювання об'єкта, що спалюється. На відміну від випромінювання АЧТ спектр випромінювання має дискретні частоти. Це відбувається тому, що електрони породжують фотони на певних частотах, переходячи з високоенергетичного в низькоенергетичний стан. Ці частоти можна використовувати визначення присутніх у пробі елементів. Така ідея (яка використовує спектр поглинання) використовується визначення складу зірок. Спектр випромінювання також відповідає за колір феєрверків та кольорового вогню.

Форма полум'я Землі залежить від гравітації. Коли вогонь розігріває навколишнє повітря, відбувається конвекція: гаряче повітря, що містить, крім іншого, гарячу золу, піднімається, а холодний (кисень, що містить), опускається, підтримуючи вогонь і надаючи полум'я його форму. При низькій гравітації, наприклад, на космічній станції, цього немає. Вогонь живиться дифузією кисню, тому горить повільніше і у вигляді сфери (оскільки горіння відбувається тільки там, де вогонь стикається з повітрям, що містить кисень. Усередині сфери кисню не залишається).

Випромінювання абсолютно чорного тіла

Випромінювання АЧТ описує формула Планка, що відноситься до квантової механіки. Історично вона була одним із перших застосувань квантової механіки. Її можна вивести із квантової статистичної механіки в такий спосіб.

Ми підраховуємо розподіл частот у фотонному газі при температурі T. Те, що воно збігається з розподілом частот фотонів, що випускаються абсолютно чорним тілом тієї ж температури, випливає із закону випромінювання Кірхгофа. Ідея в тому, що АЧТ можна привести до температурної рівноваги з фотонним газом (оскільки вони мають однакову температуру). Фотонний газ поглинається ЧТ, що також випромінює фотони, так що для рівноваги необхідно, щоб для кожної частоти, на якій ЧТ випускає випромінювання, воно і поглинало б його з тією ж швидкістю, що визначається розподілом частот у газі.

У статистичній механіці ймовірність знаходження системи у мікростані s, якщо вона знаходиться в тепловій рівновазі при температурі T, пропорційна

Де E s – енергія стану s, а β = 1/k B T, або термодинамічна бета (Т – температура, k B – постійна Больцмана). Це розподіл Больцмана. Одне з пояснень цього дано в блогу Теренса Тао. Це означає, що ймовірність дорівнює

P s = (1/Z(β)) * e - β E s

Де Z(β) – нормалізуюча константа

Z(β) = ∑ s e - β E s

Для опису стану фотонного газу потрібно знати щось щодо квантової поведінки фотонів. При стандартному квантуванні електромагнітного поля поле можна розглядати як набір гармонійних квантових осциляцій , кожна з яких осцилює з різними кутовими частотами ω. Енергії власних станів гармонійного осцилятора позначаються невід'ємним цілим n ∈ ℤ ≥ 0 , яке можна інтерпретувати як кількість фотонів частоти ω. Енергії власних станів (з точністю до константи):

У свою чергу, квантова нормалізуюча константа передбачає, що на низьких частотах (щодо температури) класична відповідь приблизно вірна, але на високих середня енергія експоненційно падає, при цьому падіння виходить більшим за менших температур. Це відбувається тому, що на високих частотахі низьких температурахквантовий гармонійний осцилятор більшу частину часу проводить в основному стані, і не переходить так легко на наступний рівень, що ймовірність чогось експоненційно нижча. Фізики говорять, що більшість цього ступеня свободи (свободи осцилятора коливатися на певній частоті) «заморожується».

Щільність станів та формула Планка

Тепер, знаючи, що відбувається на певній частоті, необхідно підсумувати по всіх можливих частотах. Ця частина класична обчислень і ніяких квантових поправок робити не треба.

Ми використовуємо стандартне спрощення, що фотонний газ укладено в об'єм зі стороною довжиною L з періодичними граничними умовами (тобто, реально це буде плоский тор T = ℝ 3 / L ℤ 3). Можливі частоти класифікуються за рішеннями рівняння електромагнітних хвиль для стоячих хвиль в обсязі із зазначеними граничними умовами, які, у свою чергу, відповідають, з точністю до множника, власним значенням лапласіану. Точніше, якщо Δ υ = λ υ де υ(x) – гладка функція T → ℝ, тоді відповідне рішення рівняння електромагнітної хвилі для стоячої хвилі буде

υ(t, x) = e c √λ t υ(x)

І тому, враховуючи, що λ зазвичай негативна, і значить, √λ зазвичай уявний, відповідна частота дорівнюватиме

ω = c √(-λ)

Така частота зустрічається dim V λ разів, де V λ - λ-власне значення лапласіана.

Спрощуємо умови за допомогою об'єму з періодичними граничними умовами тому, що в цьому випадку дуже просто записати всі власні функції лапласіана. Якщо використовувати для простоти комплексні числа, то вони визначаються як

υ k (x) = e i k x

Де k = (k 1, k 2, k 3) ∈ 2 π / L * ℤ 3, хвильовий вектор. Відповідне власне значення лапласіану буде

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

Відповідною частотою буде

І відповідною енергією (одного фотона цієї частоти)

E k = ℏ k = ℏ c |k|

Тут ми апроксимуємо імовірнісний розподіл за можливими частотами k, які, строго кажучи, дискретні, безперервним імовірнісним розподілом, і підраховуємо відповідну щільність станів g(ω). Ідея в тому, що g(ω) dω має відповідати кількості доступних станів із частотами в діапазоні від ω до ω + dω. Потім ми проінтегруємо щільність станів і отримаємо остаточну нормалізуючу константу.

Чому ця апроксимація розумна? Повну нормалізуючу константу можна описати так. Для кожного хвильового числа k ∈ 2 π / L * ℤ 3 існує число n k ∈ ℤ ≥0 , що описує кількість фотонів з таким хвильовим числом. Загальна кількість фотонів n = n k звичайно. Кожен фотон додає енергії ℏ ω k = ℏ c |k|, з чого випливає, що

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

За всіма хвильовими числами k, отже, його логарифм записується, як сума

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

І цю суму ми хочемо апроксимувати інтегралом. Виявляється, що для розумних температур і великих обсягів підінтегральний вираз змінюється дуже повільно зі зміною k, тому така апроксимація буде дуже близькою. Вона перестає працювати лише за наднизьких температур, де виникає конденсат Бозе-Ейнштейна.

Щільність станів обчислюється в такий спосіб. Хвильові вектори можна як рівномірних точок грати, що у «фазовому просторі», тобто, кількість хвильових векторів у якомусь регіоні фазового простору пропорційно його обсягу, по крайнього заходу, для регіонів, великих проти кроком решітки 2π/L. По суті, кількість хвильових векторів у регіоні фазового простору дорівнює V/8π 3 де V = L 3 наш обмежений обсяг.

Залишається обчислити обсяг регіону фазового простору всім хвильових векторів k з частотами ω k = c |k| у діапазоні від ω до ω + dω. Це сферична оболонка товщиною dω/c та радіусом ω/c, тому її об'єм

2πω 2 /c 3 dω

Тому щільність станів для фотона

G(ω) dω = V ω 2 / 2 π 2 c 3 dω

Насправді ця формула вдвічі занижена: ми забули врахувати поляризацію фотонів (або, що еквівалентно, спин фотона), яка подвоює кількість станів для хвильового числа. Правильна щільність:

G(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω

Те, що щільність станів лінійна обсягом V працює у плоскому торі. Це властивість своїх значень лапласіана за законом Вейла. Це означає, що логарифм нормалізує константи

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

Похідна β дає середню енергію фотонного газу

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

Але для нас важливим є підінтегральний вираз, що дає «щільність енергій»

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

Описує кількість енергії фотонного газу, що походить від фотонів з частотами діапазону від ω до ω + dω. У результаті вийшла форма формули Планка, хоча з нею потрібно трохи пограти, щоб перетворити на формулу, що відноситься до АЧТ, а не до фотонних газів (потрібно поділити на V, щоб отримати щільність в одиниці об'єму, і зробити ще дещо, щоб отримати міру випромінювання).

Формула Планка має два обмеження. У випадку, коли βℏω → 0, знаменник прагне βℏω, і ми отримуємо

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

Теги:

• вогонь
• квантова фізика

Додати теги

У процесі горіння утворюється полум'я, будова якого обумовлена ​​речовинами, що реагують. Його структура поділена області залежно від температурних показників.

Визначення

Полум'ям називають гази в розжареному вигляді, у яких присутні складові плазми або речовини у твердій дисперсній формі. У них здійснюються перетворення фізичного та хімічного типу, що супроводжуються світінням, виділенням теплової енергії та розігрівом.

Наявність в газоподібному середовищі іонних і радикальних частинок характеризує його електричну провідність і особливу поведінку в електромагнітному полі.

Що таке язики полум'я

Зазвичай так називають процеси, пов'язані з горінням. Порівняно з повітрям, газова щільність менша, але високі температурні показники зумовлюють підняття газу. Так і утворюються язики полум'я, які бувають довгими та короткими. Часто відбувається і плавний перехідодних форм до інших.

Полум'я: будова та структура

Для визначення зовнішнього виглядуописуваного явища досить запалити полум'я, що з'явилося, не світиться не можна назвати однорідним. Візуально можна виділити три його основні сфери. До речі, вивчення будови полум'я показує, що різні речовини горять із заснуванням різного типуфакела.

При горінні суміші з газу та повітря спочатку відбувається формування короткого факела, колір якого має блакитні та фіолетові відтінки. У ньому проглядається ядро ​​- зелено-блакитне, що нагадує конус. Розглянемо це полум'я. Будова його поділяється на три зони:

1. Виділяють підготовчу ділянку, в якій відбувається нагрівання суміші з газу та повітря при виході з отвору пальника.
2. За нею слідує зона, в якій відбувається горіння. Вона займає верхівку конуса.
3. Коли є недолік повітряного потоку, газ згоряє не повністю. Виділяється вуглецю двовалентний оксид та водневі залишки. Їхнє догоряння протікає в третій області, де є кисневий доступ.

Тепер окремо розглянемо різні горіння.

Горіння свічки

Горіння свічки подібне до горіння сірника або запальнички. А будова полум'я свічки нагадує розпечений газовий потік, який витягується вгору за рахунок сил, що виштовхують. Процес починається з нагрівання гніт, за яким слідує випаровування парафіну.

Саму нижню зону, що знаходиться всередині та прилеглу до нитки, називають першою областю. Вона має невелике світіння через велику кількість палива, але малого обсягу кисневої суміші. Тут здійснюється процес неповного згоряння речовин із виділенням який надалі окислюється.

Першу зону оточує друга оболонка, що світиться, що характеризує будову полум'я свічки. До неї надходить більший кисневий обсяг, що зумовлює продовження окисної реакції за участю паливних молекул. Температурні показники тут будуть вищими, ніж у темній зоні, але недостатні для кінцевого розкладання. Саме в перших двох областях при сильному нагріванні крапель незгорілого палива і вугільних частинок з'являється ефект, що світиться.

Друга зона оточена слабопомітною оболонкою з високими температурними значеннями. До неї входить багато кисневих молекул, що сприяє повному догоранню паливних частинок. Після окислення речовин, у третій зоні ефект, що світиться, не спостерігається.

Схематичне зображення

Для наочності подаємо вашій увазі зображення горіння свічки. Схема полум'я включає:

1. Першу чи темну область.
2. Другу зону, що світиться.
3. Третю прозору оболонку.

Нитка свічки не піддається горінню, лише відбувається обвугливание загнутого кінця.

Горіння спиртування

Для хімічних експериментів часто використовують невеликі резервуари із спиртом. Їх називають спиртівками. Гнот пальника просочується залитим через отвір рідким паливом. Цьому сприяє тиск капілярний. При досягненні вільної верхівки гніт спирт починає випаровуватися. У пароподібному стані він підпалюється і горить при температурі трохи більше 900 °C.

Полум'я спиртування має звичайну форму, воно практично безбарвне, з невеликим відтінком блакитного. Його зони не так чітко видно, як у свічки.

У названої на честь вченого Бартеля, початок вогню розташовується над гартальною сіткою пальника. Таке заглиблення полум'я призводить до зменшення внутрішнього темного конуса, а з отвору виходить середня ділянка, яка вважається гарячою.

Колірна характеристика

Випромінювання різних викликається електронними переходами. Їх ще називають тепловими. Так, в результаті горіння вуглеводневого компонента в повітряному середовищі, синє полум'я обумовлено виділенням з'єднання H-C. А при випромінюванні частинок C-C факел забарвлюється в оранжево-червоний колір.

Важко розглянути будову полум'я, хімія якого включає сполуки води, вуглекислого та чадного газу, зв'язок OH. Його мови майже безбарвні, оскільки вищезазначені частинки при горінні виділяють випромінювання ультрафіолетового та інфрачервоного діапазону.

Забарвлення полум'я взаємопов'язане з температурними показниками, з наявністю в ньому іонних частинок, які належать до певного емісійного або оптичного спектру. Так, горіння деяких елементів призводить до зміни кольору вогню у пальнику. Відмінності у фарбуванні смолоскипа пов'язані з розташуванням елементів у різних групах системи періодичної.

Вогонь на наявність випромінювань, які стосуються видимого спектру, вивчають спектроскопом. При цьому було встановлено, що прості речовини із загальної підгрупи надають і таке забарвлення полум'я. Для наочності використовують горіння натрію як тест на даний метал. При внесенні його в полум'я язики стають яскраво-жовтими. З кольорових характеристик виділяють натрієву лінію в емісійному спектрі.

Для характерна властивість швидкого збудження світлового випромінювання атомарних частинок. При внесенні важких сполук таких елементів у вогонь пальника Бунзена відбувається його фарбування.

Спектроскопічне дослідження показує характерні лінії в області, видимій для людини. Швидкість збудження світлового випромінювання та проста спектральна будова тісно взаємопов'язані з високою електропозитивною характеристикою даних металів.

Характеристика

В основі класифікації полум'я лежать такі характеристики:

• стан агрегатний згоряючих сполук. Вони бувають газоподібної, аеродисперсної, твердої та рідкої форми;
• тип випромінювання, яке може бути безбарвним, що світиться і забарвленим;
• розподільча швидкість. Існує швидке та повільне поширення;
• висота полум'я. Будова може бути короткою і довгою;
• характер пересування реагуючих сумішей. Виділяють пульсуюче, ламінарне, турбулентне переміщення;
• візуальне сприйняття. Речовини горять із виділенням коптячого, кольорового чи прозорого полум'я;
• температурний показник. Полум'я може бути низькотемпературним, холодним та високотемпературним.
• стан фази паливо – окислюючий реагент.

Займання відбувається в результаті дифузії або попереднього перемішування активних компонентів.

Окислювальна та відновна область

Процес окислення протікає у слабопомітній зоні. Вона найгарячіша і розташовується вгорі. У ній паливні частки піддаються повного згоряння. А наявність у кисневому надлишку та пального недоліку призводить до інтенсивного процесу окислення. Цією особливістю слід користуватися при нагріванні предметів над пальником. Саме тому речовину занурюють у верхню частину полум'я. Таке горіння протікає набагато швидше.

Відновлювальні реакції проходять у центральній та нижній частині полум'я. Тут міститься великий запасгорючих речовин та мала кількість O 2 молекул, що здійснюють горіння. При внесенні до цих областей здійснюється відщеплення O елемента.

Як приклад відновного полум'я використовують процес розщеплення заліза двовалентного сульфату. При попаданні FeSO 4 в центральну частинуфакела пальника відбувається спочатку його нагрівання, а потім розкладання на оксид тривалентного заліза, ангідрид і двоокис сірки. У цій реакції спостерігається відновлення S із зарядом від +6 до +4.

Зварювальне полум'я

Даний вид вогню утворюється в результаті згоряння суміші з газу або пари рідини з киснем чистого повітря.

Прикладом є формування полум'я киснево-ацетиленового. У ньому виділяють:

• зону ядра;
• середню область відновлення;
• смолоскипну крайню зону.

Так горять багато газокисневих сумішей. Відмінності у співвідношенні ацетилену та окислювача призводять до різного типуполум'я. Воно може бути нормальної, навуглерожуючої (ацетиленістої) та окисної будови.

Теоретично процес неповного згоряння ацетилену в чистому кисні можна охарактеризувати наступним рівнянням: HCCH + O 2 → H 2 + CO + CO (для реакції необхідна одна моль O 2 ).

Отриманий молекулярний водень і чадний газ реагують з повітряним киснем. Кінцевими продуктами є вода та оксид чотиривалентного вуглецю. Рівняння має такий вигляд: CO + CO + H 2 + 1½O 2 → CO 2 + CO 2 +H 2 O. Для цієї реакції необхідно 1,5 моля кисню. При підсумовуванні O 2 виходить, що 2,5 моль витрачається 1 моль HCCH. А так як на практиці важко знайти ідеально чистий кисень (часто він має невелике забруднення домішками), співвідношення O 2 до HCCH буде 1,10 до 1,20.

Коли значення пропорції кисню до ацетилену менше 1,10, виникає полум'я, що вуглерожує. Будова його має збільшене ядро, контури його стають розпливчастими. З такого вогню виділяється кіптяву, внаслідок нестачі кисневих молекул.

Якщо ж співвідношення газів більше 1,20, виходить окислювальне полум'я з кисневим надлишком. Зайві молекули руйнують атоми заліза та інші компоненти сталевого пальника. У такому полум'ї ядерна частина стає короткою і має загострення.

Температурні показники

Кожна зона вогню свічки або пальника має свої значення, зумовлені надходженням кисневих молекул. Температура відкритого полум'я у різних його частинах коливається від 300 до 1600 °C.

Прикладом є полум'я дифузійне і ламінарне, яке утворене трьома оболонками. Конус його складається з темної ділянки з температурою до 360 ° C і недоліком речовини, що окислює. Над ним розташовується зона світіння. Її температурний показник коливається від 550 до 850 °C, що сприяє термічному розкладанню. горючої сумішіта її горіння.

Зовнішня область ледь помітна. У ній температура полум'я сягає 1560 °C, що з природними характеристиками паливних молекул і швидкістю надходження окислюючої речовини. Тут горіння найенергійніше.

Речовини займаються за різних температурних умов. Так, металевий магній горить лише за 2210 °С. Багато твердих речовин температура полум'я близько 350 °З. Займання сірників і гасу можливе при 800 °С, тоді як деревини - від 850 °С до 950 °С.

Сигарета горить полум'ям, температура якого варіюється від 690 до 790 ° С, а пропан-бутановой суміші - від 790 ° С до 1960 ° С. Бензин займається при 1350 °С. Полум'я горіння спирту має температуру трохи більше 900 °З.

Чим проклинати темряву,
краще запалити хоча б
одну маленьку свічку.
Конфуцій

На початку

Перші спроби зрозуміти механізм горіння пов'язані з іменами англійця Роберта Бойля, француза Антуана Лорана Лавуазьє та російського Михайла Васильовича Ломоносова. Виявилося, що при горінні речовина нікуди не «зникає», як наївно вважали колись, а перетворюється на інші речовини, переважно газоподібні і тому невидимі. Лавуазьє в 1774 році вперше показав, що при горінні з повітря йде приблизно п'ята його частина. Протягом ХІХ століття вчені докладно досліджували фізичні та хімічні процеси, що супроводжують горіння. Необхідність таких робіт була викликана насамперед пожежами та вибухами у шахтах.

Але тільки в останній чверті ХХ століття було виявлено основні хімічні реакції, що супроводжують горіння, і до цього дня в хімії полум'я залишилося чимало темних плям. Їх досліджують найсучаснішими методами у багатьох лабораторіях. Ці дослідження мають кілька цілей. З одного боку, треба оптимізувати процеси горіння у топках ТЕЦ та у циліндрах двигунів внутрішнього згоряння, запобігти вибуховому горінню (детонації) при стисканні в циліндрі автомобіля повітряно-бензинової суміші. З іншого боку, необхідно зменшити кількість шкідливих речовин, що утворюються в процесі горіння, і одночасно шукати більше ефективні засобигасіння вогню.

Існують два види полум'я. Паливо та окислювач (найчастіше кисень) можуть примусово або мимоволі підводитися до зони горіння порізно і змішуватися вже в полум'ї. А можуть змішуватися заздалегідь - такі суміші здатні горіти або навіть вибухати без повітря, як, наприклад, пороху, піротехнічні суміші для феєрверків, ракетні палива. Горіння може відбуватися як за участю кисню, що надходить у зону горіння з повітрям, і за допомогою кисню, укладеного в речовині-окислювачі. Одна з таких речовин – бертолетова сіль (хлорат калію KClO 3); цю речовину легко віддає кисень. Сильний окислювач - азотна кислота HNO 3: у чистому вигляді вона займає багато органічних речовин. Нітрати, солі азотної кислоти (наприклад, як добрива - калійної чи аміачної селітри), легко спалахують, якщо змішані з горючими речовинами. Ще один потужний окислювач, тетраоксид азоту N 2 O 4 - компонент ракетного палива. Кисень можуть замінити і такі сильні окислювачі, як, наприклад, хлор, в якому горять багато речовин, або фтор. Чистий фтор - один із найсильніших окислювачів, у його струмені горить вода.

Ланцюгові реакції

Основи теорії горіння та поширення полум'я було закладено наприкінці 20-х років минулого століття. В результаті цих досліджень було відкрито розгалужені ланцюгові реакції. За це відкриття вітчизняний фізикохімік Микола Миколайович Семенов та англійський дослідник Сиріл Хіншельвуд були у 1956 році удостоєні Нобелівської премії з хімії. Простіші нерозгалужені ланцюгові реакції відкрив ще 1913 року німецький хімік Макс Боденштейн з прикладу реакції водню з хлором. Сумарно реакція виражається простим рівнянням H 2 + Cl 2 = 2HCl. Насправді вона йде за участю дуже активних уламків молекул – так званих вільних радикалів. Під дією світла в ультрафіолетовій та синій областях спектру або при високій температурімолекули хлору розпадаються на атоми, які і починають довгий (іноді до мільйона ланок) ланцюжок перетворень; кожне з цих перетворень називається елементарною реакцією:

Cl + H 2 → HCl + H,
H + Cl 2 → HCl + Cl тощо.

На кожній стадії (ланці реакції) відбувається зникнення одного активного центру (атома водню або хлору) і одночасно з'являється новий активний центр, що продовжує ланцюг. Ланцюги обриваються, коли зустрічаються дві активні частинки, наприклад Cl + Cl → Cl 2 . Кожен ланцюг поширюється дуже швидко, тому, якщо генерувати «початкові» активні частинки з високою швидкістю, реакція піде так швидко, що може призвести до вибуху.

Н. Н. Семенов і Хіншельвуд виявили, що реакції горіння парів фосфору та водню йдуть інакше: найменша іскра або відкрите полум'я можуть спричинити вибух навіть за кімнатної температури. Ці реакції - розгалужено-ланцюгові: активні частинки в ході реакції "розмножуються", тобто при зникненні однієї активної частки з'являються дві або три. Наприклад, у суміші водню та кисню, яка може спокійно зберігатися сотні років, якщо немає зовнішніх впливів, поява з тієї чи іншої причини активних атомів водню запускає такий процес:

H + O 2 → OH + O,
O + H 2 → OH + H.

Таким чином, за мізерний проміжок часу одна активна частка (атом H) перетворюється на три (атом водню і два гідроксильні радикали OH), які запускають вже три ланцюги замість одного. В результаті кількість ланцюгів лавиноподібно зростає, що моментально призводить до вибуху суміші водню та кисню, оскільки в цій реакції виділяється багато теплової енергії. Атоми кисню присутні в полум'ї та при горінні інших речовин. Їх можна виявити, якщо направити струмінь стиснутого повітряупоперек верхньої частини полум'я пальника. При цьому в повітрі виявиться характерний запах озону - це атоми кисню «прилипли» до молекул кисню з утворенням молекул озону: О + О 2 = О 3, які були винесені з полум'я холодним повітрям.

Можливість вибуху суміші кисню (або повітря) з багатьма горючими газами – воднем, чадним газом, метаном, ацетиленом – залежить від умов, в основному від температури, складу та тиску суміші. Так, якщо в результаті витоку побутового газу на кухні (він складається в основному з метану) його вміст у повітрі перевищить 5%, то суміш вибухне від полум'я сірника або запальнички і навіть від маленької іскри, що проскочила у вимикачі при запаленні світла. Вибуху не буде, якщо ланцюги обриваються швидше, ніж встигають розгалужуватися. Саме тому була безпечною лампа для шахтарів, яку англійський хімік Хемфрі Деві розробив у 1816 році, нічого не знаючи про хімію полум'я. У цій лампі відкритий вогонь відгородили від зовнішньої атмосфери (яка могла виявитися вибухонебезпечною) частою металевою сіткою. На поверхні металу активні частинки ефективно зникають, перетворюючись на стабільні молекули, і тому не можуть проникнути у зовнішнє середовище.

Повний механізм розгалужено-ланцюгових реакцій дуже складний і може містити більше сотні елементарних реакцій. До розгалужено-ланцюгових відносяться багато реакцій окислення та горіння неорганічних та органічних сполук. Такою ж буде і реакція поділу ядер важких елементів, наприклад, плутонію або урану, під впливом нейтронів, які виступають аналогами активних частинок в хімічних реакціях. Проникаючи в ядро ​​важкого елемента, нейтрони викликають його поділ, що супроводжується виділенням дуже великої енергії; одночасно з ядра вилітають нові нейтрони, які викликають поділ сусідніх ядер. Хімічні та ядерні розгалужено-ланцюгові процеси описуються подібними математичними моделями.

Що треба для початку

Щоб почалося горіння, потрібно виконати низку умов. Насамперед, температура пального речовини має перевищувати якесь граничне значення, яке називається температурою займання. Знаменитий роман Рея Бредбері "451 градус за Фаренгейтом" названий так тому, що приблизно при цій температурі (233 ° C) загоряється папір. Це «температура займання», вище за яку тверде паливо виділяє горючі пари або газоподібні продукти розкладання в кількості, достатньої для їх стійкого горіння. Приблизно така сама температура займання і сухої соснової деревини.

Температура полум'я залежить від природи горючої речовини та умов горіння. Так, температура в полум'ї метану повітря досягає 1900°C, а при горінні в кисні - 2700°C. Ще гаряче полум'я дають при згорянні в чистому кисні водень (2800 ° C) і ацетилен (3000 ° C). Недарма полум'я ацетиленового пальника легко ріже майже будь-який метал. Найвищу температуру, близько 5000°C (вона зафіксована у Книзі рекордів Гіннесса), дає при згорянні в кисні легкокипляча рідина - субнітрид вуглецю З 4 N 2 (ця речовина має будову диціаноацетилену NC-C=C-CN). А за деякими даними, при горінні його в атмосфері озону температура може сягати 5700°C. Якщо ж цю рідину підпалити на повітрі, вона згорить червоним полум'ям, що коптить, з зелено-фіолетовою облямівкою. З іншого боку, відомі і холодні полум'я. Так, наприклад, горять при низький тискпари фосфору. Порівняно холодне полум'я виходить і при окисленні за певних умов сірковуглецю та легких вуглеводнів; наприклад, пропан дає холодне полум'я при зниженому тиску та температурі від 260–320°C.

Тільки в останній чверті ХХ століття почав прояснюватися механізм процесів, що відбуваються в полум'ї багатьох горючих речовин. Механізм цей дуже складний. Вихідні молекули зазвичай дуже великі, щоб, реагуючи з киснем, безпосередньо перетворитися на продукти реакції. Так, наприклад, горіння октану, одного з компонентів бензину, виражається рівнянням 2С 8 Н 18 + 25О 2 = 16СО 2 + 18Н 2 О. Однак всі 8 атомів вуглецю і 18 атомів водню в молекулі октану ніяк не можуть одночасно з'єднатися з 50 атомами : для цього має розірватись безліч хімічних зв'язків і утворитися безліч нових. Реакція горіння відбувається багатостадійно - так, щоб на кожній стадії розривалася і утворювалася лише невелика кількість хімічних зв'язків, і процес складається з безлічі елементарних реакцій, що послідовно протікають, сукупність яких і представляється спостерігачеві як полум'я. Вивчати елементарні реакції складно передусім оскільки концентрації реакційно-здатних проміжних частинок в полум'ї вкрай малі.

Всередині полум'я

Оптичне зондування різних ділянок полум'я за допомогою лазерів дозволило встановити якісний та кількісний склад присутніх там активних частинок – уламків молекул паливної речовини. Виявилося, що навіть у простий вид реакції горіння водню в кисні 2Н 2 + О 2 = 2Н 2 Про відбувається більше 20 елементарних реакцій за участю молекул О 2 , Н 2 , О 3 , Н 2 О 2 , Н 2 О, активних частинок Н, О, ВІН, АЛЕ 2 . Ось, наприклад, що написав про цю реакцію англійський хімік Кеннет Бейлі в 1937 році: «Рівняння реакції з'єднання водню з киснем - перше рівняння, з яким знайомиться більшість початківців вивчати хімію. Ця реакція здається їм дуже простою. Але навіть професійні хіміки бувають дещо вражені, побачивши книгу в сотню сторінок під назвою «Реакція кисню з воднем», опубліковану Хіншельвудом та Вільямсоном у 1934 році». До цього можна додати, що в 1948 році була опублікована значно більша за обсягом монографія А. Б. Налбандяна та В. В. Воєводського під назвою «Механізм окислення та горіння водню».

Сучасні методи дослідження дозволили вивчити окремі стадії подібних процесів, виміряти швидкість, з якою різні активні частинки реагують один з одним та зі стабільними молекулами за різних температур. Знаючи механізм окремих стадій процесу, можна зібрати і весь процес, тобто змоделювати полум'я. Складність такого моделювання полягає не тільки у вивченні всього комплексу елементарних хімічних реакцій, але й у необхідності враховувати процеси дифузії частинок, теплоперенесення та конвекційних потоків у полум'ї (саме останні влаштовують гру мов горючого вогнища).

Звідки все береться

Основне паливо сучасної промисловості- вуглеводні, починаючи від найпростішого, метану і закінчуючи важкими вуглеводнями, які містяться в мазуті. Полум'я навіть найпростішого вуглеводню - метану може містити до ста елементарних реакцій. При цьому далеко не всі їх вивчені досить докладно. Коли горять важкі вуглеводні, наприклад ті, що у парафіні, їх молекули що неспроможні досягти зони горіння, залишаючись цілими. Ще на підході до полум'я вони через високу температуру розщеплюються на уламки. При цьому від молекул зазвичай відщеплюються групи, що містять два атоми вуглецю, наприклад З 8 Н 18 → 2 Н 5 + 6 Н 13 . Активні частинки з непарним числом атомів вуглецю можуть відщеплювати атоми водню, утворюючи з'єднання з подвійними З=З і потрійними З зв'язками. Було виявлено, що в полум'ї такі сполуки можуть вступати в реакції, які не були раніше відомі хімікам, оскільки поза полум'ям вони не йдуть, наприклад, С 2 Н 2 + О → СН 2 + СО, СН 2 + О 2 → СО 2 + Н + Н.

Поступова втрата водню вихідними молекулами призводить до збільшення в них частки вуглецю, поки не утворюються частинки 2 Н 2, 2 Н, 2 . Зона синьо-блакитного полум'я обумовлена ​​свіченням у цій зоні збуджених частинок 2 і СН. Якщо доступ кисню в зону горіння обмежений, то ці частинки не окислюються, а збираються в агрегати - полімеризуються за схемою 2 Н + 2 Н 2 → 4 Н 2 + Н, 2 Н + 4 Н 2 → 6 Н 2 + Н і т.д.

В результаті утворюються частинки сажі, що складаються майже виключно з атомів вуглецю. Вони мають форму крихітних куль діаметром до 0,1 мікрометра, які містять приблизно мільйон атомів вуглецю. Такі частки при високій температурі дають полум'я, що добре світиться. жовтого кольору. У верхній частині полум'я свічки ці частки згоряють, тому свічка не димить. Якщо ж відбувається подальше злипання цих аерозольних частинок, то утворюються більші частинки сажі. В результаті полум'я (наприклад, гуми, що горить) дає чорний дим. Такий дим з'являється, якщо у вихідному паливі підвищено частку вуглецю щодо водню. Прикладом можуть бути скипидар - суміш вуглеводнів складу С 10 Н 16 (C n H 2n–4), бензол С 6 Н 6 (C n H 2n–6), інші горючі рідини з нестачею водню - всі вони при горінні коптять. Полум'я, що копить і яскраво світить, дає ацетилен С 2 Н 2 (C n H 2n–2), що горить на повітрі; колись таке полум'я використовували в ацетиленових ліхтарях, встановлених на велосипедах та автомобілях, у шахтарських лампах. І навпаки: вуглеводні з високим змістомводню - метан СН 4 , етан С 2 Н 6 пропан С 3 Н 8 бутан С 4 Н 10 ( загальна формула C n H 2n+2) - горять при достатньому доступі повітря майже безбарвним полум'ям. Суміш пропану та бутану у вигляді рідини під невеликим тиском знаходиться в запальничках, а також у балонах, які використовують дачники та туристи; такі ж балони встановлені у автомобілях, що працюють на газі. Порівняно недавно було виявлено, що в кіптяви часто присутні кулясті молекули, що складаються з 60 атомів вуглецю; їх назвали фулеренами, а відкриття цієї нової формивуглецю було ознаменовано присудженням у 1996 році Нобелівської премії з хімії.