Пламя
Пламя часть (от лат. flamma ) — видимая, газообразная огня . Это вызвано сильно экзотермической химической реакцией, происходящей в тонкой зоне. [ 1 ] Когда пламя достаточно горячее, чтобы иметь ионизированные газообразные компоненты достаточной плотности, оно считается плазмой . [ нечеткий ] [ 2 ]
Механизм
[ редактировать ]
Внутри светящейся зоны может быть намного жарче, выше 1500 °C. [ 3 ]
Цвет и температура пламени зависят от типа топлива, участвующего в горении, например, когда подносят зажигалку к свече . Под действием тепла молекулы топлива в воске свечи испаряются (если этот процесс происходит в инертной атмосфере без окислителя , он называется пиролизом ). В этом состоянии они могут легко реагировать с кислородом воздуха, который выделяет достаточно тепла в последующей экзотермической реакции для испарения еще большего количества топлива, поддерживая таким образом постоянное пламя. Высокая температура пламени приводит к разложению испаренных молекул топлива с образованием различных продуктов неполного сгорания и свободных радикалов , которые затем вступают в реакцию друг с другом и с окислителем, участвующим в реакции последующего пламени (пожара).
Все части пламени свечи можно исследовать холодной металлической ложкой: [ 4 ] Высшие части — водяной пар, результат сгорания; желтые части посередине — сажа; Рядом с фитилем свечи лежит несгоревший воск. Ювелиры используют высокие части пламени с металлической паяльной трубкой для плавления золота и серебра. Достаточная энергия пламени будет возбуждать электроны в некоторых переходных промежуточных продуктах реакции, таких как метилидиновый радикал (CH) и двухатомный углерод (C 2 ), что приводит к излучению видимого света, поскольку эти вещества высвобождают свою избыточную энергию (см. спектр). ниже для объяснения того, какие конкретные радикальные виды производят какие конкретные цвета). По мере увеличения температуры горения пламени (если пламя содержит мелкие частицы несгоревшего углерода или другого материала) увеличивается и средняя энергия электромагнитного излучения, испускаемого пламенем (см. Черное тело ).
Помимо кислорода, для получения пламени можно использовать и другие окислители. При горении водорода в хлоре образуется пламя, при этом выделяется газообразный хлористый водород (HCl). в качестве продукта сгорания [ 5 ] Еще одной из многих возможных химических комбинаций является гидразин и четырехокись азота , которая является гиперголической и обычно используется в ракетных двигателях. Фторполимеры можно использовать для подачи фтора в качестве окислителя металлических топлив, например, в композиции магний/тефлон/витон .
Химическая кинетика, происходящая в пламени, очень сложна и обычно включает большое количество химических реакций и промежуточных соединений, большинство из которых являются радикалами . Например, известная схема химической кинетики GRI-Mech, [ 6 ] использует 53 вида и 325 элементарных реакций для описания сгорания биогаза .
Существуют разные способы распределения необходимых компонентов горения в пламени. В диффузионном пламени кислород и топливо диффундируют друг в друга; пламя возникает там, где они встречаются. В пламени предварительно смешанной смеси кислород и топливо предварительно смешиваются, что приводит к другому типу пламени. Пламя свечи (диффузионное пламя) работает за счет испарения топлива, которое поднимается в ламинарном потоке горячего газа, который затем смешивается с окружающим кислородом и сгорает.
Цвет
[ редактировать ]
Цвет пламени зависит от нескольких факторов, наиболее важными из которых обычно являются излучение черного тела и излучение спектральных полос , причем как излучение спектральных линий , так и поглощение спектральных линий играют меньшую роль. В наиболее распространенном типе пламени, углеводородном пламени, наиболее важным фактором, определяющим цвет, является подача кислорода и степень предварительного смешивания топлива с кислородом, что определяет скорость горения и, следовательно, температуру и пути реакции, создавая тем самым различные цветовые оттенки. .
В лаборатории при нормальных условиях гравитации и с закрытым воздухозаборником горелка Бунзена горит желтым пламенем (также называемым безопасным пламенем) с максимальной температурой около 2000 К (3100 °F). Желтый цвет возникает в результате накаливания очень мелких частиц сажи, образующихся в пламени. Кроме того, окись углерода образуется , и пламя имеет тенденцию забирать кислород с поверхностей, которых оно касается. Когда воздухозаборник открыт, образуется меньше сажи и угарного газа. При подаче достаточного количества воздуха сажа и угарный газ не образуются, а пламя становится синим. (Большая часть этого синего цвета ранее была скрыта ярко-желтыми выбросами.) Спектр пламени предварительно смешанного (полного сгорания) бутана справа показывает, что синий цвет возникает именно из-за излучения возбужденных молекулярных радикалов в пламени, которые испускают большая часть их света находится значительно ниже ≈565 нанометров в синей и зеленой областях видимого спектра.
Более холодная часть диффузионного (неполного сгорания) пламени будет красной, переходящей в оранжевый, желтый и белый по мере повышения температуры, о чем свидетельствуют изменения в спектре излучения черного тела. Для данной области пламени, чем ближе к белому цвету по этой шкале, тем горячее эта часть пламени. Переходы часто очевидны при пожарах, при которых цвет, излучаемый ближе всего к топливу, — белый, с оранжевой частью над ним, а красноватый цвет пламени — самый высокий из всех. [ 7 ] Голубое пламя появляется только тогда, когда количество сажи уменьшается и синее излучение возбужденных молекулярных радикалов становится преобладающим, хотя синий цвет часто можно увидеть возле основания свечей, где сажа в воздухе менее сконцентрирована. [ 8 ]
Особый цвет пламени можно придать введением возбудимых веществ с яркими линиями спектра излучения . В аналитической химии этот эффект используется в испытаниях на пламя (или эмиссионной спектроскопии пламени ) для определения присутствия некоторых ионов металлов. В пиротехнике пиротехнические красители используются для создания ярких фейерверков.
Температура
[ редактировать ]
При рассмотрении температуры пламени существует множество факторов, которые могут измениться или примениться. Важным из них является то, что цвет пламени не обязательно определяет сравнение температур, поскольку излучение черного тела — не единственное, что создает или определяет видимый цвет; поэтому это всего лишь оценка температуры. Другими факторами, определяющими его температуру, являются:
- Адиабатическое пламя ; т. е. отсутствие потерь тепла в атмосферу (может отличаться в некоторых частях)
- Атмосферное давление
- Процентное содержание кислорода в атмосфере
- Вид используемого топлива (т.е. зависит от того, насколько быстро происходит процесс; насколько бурным является горение)
- Любое окисление топлива
- Температура атмосферы связана с адиабатической температурой пламени (т. е. тепло будет быстрее передаваться в более холодную атмосферу).
- Насколько стехиометричен процесс горения (стехиометричность 1:1) при условии отсутствия диссоциации, будет самая высокая температура пламени; избыток воздуха/кислорода понизит его, как и недостаток воздуха/кислорода.
- Расстояние от источника пламени (т.е. чем дальше от источника пламени, тем ниже температура)
- При пожарах (особенно домашних) более холодное пламя часто бывает красным и производит больше всего дыма. Здесь красный цвет по сравнению с типичным желтым цветом пламени предполагает, что температура ниже. Это связано с тем, что в помещении не хватает кислорода, поэтому происходит неполное сгорание, а температура пламени низкая, часто всего от 600 до 850 ° C (от 1112 до 1562 ° F). Это означает, что образуется много угарного газа (горючего газа), и именно в этот момент существует наибольший риск возникновения обратной тяги . Когда это происходит, горючие газы с температурой вспышки самовозгорания или выше подвергаются воздействию кислорода, окись углерода и перегретые углеводороды воспламеняются, и возникают временные температуры до 2000 ° C (3630 ° F). [ нужна ссылка ]
Общие температуры пламени
[ редактировать ] | Возможно, этот раздел содержит оригинальные исследования . ( декабрь 2019 г. ) |
Это приблизительный показатель температуры пламени для различных распространенных веществ (при температуре воздуха 20 °C (68 °F) и давлении 1 атм.):
| Материал сгорел | Температура пламени |
|---|---|
| Бутан | ~300 °C (~600 °F) ( прохладное пламя при низкой гравитации) [ 9 ] |
| Угольный огонь | 750–1200 ° C (1382–2192 ° F) |
| Метан (природный газ) | 900–1500 ° C (1652–2732 ° F) |
| горелки Бунзена Пламя | 900–1600 °C (1652–2912 °F) [в зависимости от воздушного клапана, открыт или закрыт.] |
| Пламя свечи | ≈1100 °C (≈2012 °F) [большинство]; горячие точки могут составлять 1300–1400 ° C (2372–2552 ° F). |
| Пропановая паяльная лампа | 1200–1700 ° C (2192–3092 ° F) |
| обратной тяги Пик пламени | 1700–1950 ° C (3092–3542 ° F) |
| Магний | 1900–2300 ° C (3452–4172 ° F) |
| Водородная горелка | До ≈2000 °C (≈3632 °F) |
| ПАПКА газ | 2020 ° С (3668 ° F) |
| Ацетиленовая паяльная лампа/ паяльная лампа | До ≈2300 °C (≈4172 °F) |
| оксиацетилен | До 3300 °C (5972 °F) |
| Материал сгорел | Макс. температура пламени (на воздухе, диффузионное пламя) [ 7 ] |
|---|---|
| Животный жир | 800–900 ° C (1472–1652 ° F) |
| Керосин | 990 ° С (1814 ° F) |
| Бензин | 1026 ° C (1878,8 ° F) |
| Древесина | 1027 ° C (1880,6 ° F) |
| Метанол | 1200 ° С (2192 ° F) |
| Древесный уголь (принудительная тяга) | 1390 ° C (2534 ° F) |
Самая высокая температура
[ редактировать ]Дицианацетилен , соединение углерода и азота с химической формулой C 4 N 2, горит в кислороде ярким сине-белым пламенем при температуре 5260 К (4990 °C; 9010 °F), а при температуре до 6000 К (5730 °F). С; 10340 °F) в озоне . [ 10 ] Такая высокая температура пламени частично обусловлена отсутствием в топливе водорода (дицианацетилен не является углеводородом), поэтому среди продуктов сгорания нет воды.
Циан с формулой (CN) 2 образует второе по горячему известное природное пламя с температурой более 4525 °C (8177 °F) при горении в кислороде. [ 11 ] [ 12 ]
Холодное пламя
[ редактировать ]При температуре всего 120 °C (248 °F) топливно-воздушные смеси могут вступать в химическую реакцию и образовывать очень слабое пламя, называемое холодным пламенем. Это явление было обнаружено Хамфри Дэви в 1817 году. Процесс зависит от точного баланса температуры и концентрации реагирующей смеси, и при подходящих условиях он может начаться без какого-либо внешнего источника воспламенения. Циклические изменения баланса химических веществ, особенно промежуточных продуктов реакции, приводят к колебаниям пламени с типичным изменением температуры около 100 ° C (212 ° F) или между «холодным» и полным воспламенением. Иногда изменение может привести к взрыву. [ 9 ] [ 13 ]
В условиях микрогравитации
[ редактировать ]
В 2000 году эксперименты НАСА подтвердили, что гравитация играет косвенную роль в формировании и составе пламени. [ 14 ] Обычное распространение пламени в условиях нормальной гравитации зависит от конвекции , поскольку сажа имеет тенденцию подниматься к верхушке пламени (например, в свече в условиях нормальной гравитации), делая его желтым. В условиях микрогравитации или невесомости , например, на орбите, естественная конвекция больше не возникает, и пламя становится сферическим, с тенденцией становиться более синим и более эффективным. Существует несколько возможных объяснений этой разницы, из которых наиболее вероятной является гипотеза о том, что температура распределяется достаточно равномерно, чтобы не образовывалась сажа и происходило полное сгорание. [ 15 ] Эксперименты НАСА показывают, что диффузионное пламя в условиях микрогравитации позволяет полностью окислить больше сажи после того, как оно образовалось, чем диффузное пламя на Земле, из-за ряда механизмов, которые ведут себя по-разному в условиях микрогравитации по сравнению с нормальными гравитационными условиями. [ 16 ] Эти открытия имеют потенциальное применение в прикладной науке и частной промышленности, особенно в области топливной эффективности .
Термоядерное пламя
[ редактировать ]Пламя не обязательно должно поддерживаться только за счет выделения химической энергии. В звездах в виде пламени распространяются дозвуковые фронты горения, вызванные горением легких ядер (например, углерода или гелия) к тяжелым ядрам (вплоть до группы железа). Это важно в некоторых моделях сверхновых типа Ia . В термоядерном пламени теплопроводность доминирует над диффузией частиц, поэтому скорость и толщина пламени определяются термоядерным энерговыделением и теплопроводностью (часто в виде вырожденных электронов ). [ 17 ]
См. также
[ редактировать ]- Детектор пламени
- Международный фонд исследования пламени
- Олимпийский огонь
- Окислительное и восстановительное пламя
- Институт горения
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Закон, СК (2006). «Ламинарное предварительно смешанное пламя» . Физика горения . Кембридж, Англия: Издательство Кембриджского университета. п. 300. ИСБН 0-521-87052-6 .
- ^ «Содержит ли пламя плазму?» . Научные вопросы с неожиданными ответами . Проверено 26 июня 2022 г.
- ^ Чжэн, Шу; Ни, Ли; Лю, Huawei; Чжоу, Хуайчунь (1 апреля 2019 г.). «Измерение распределения температуры и излучательной способности пламени свечи с использованием метода гиперспектральной визуализации» . Оптик . 183 : 222–231. Бибкод : 2019Оптик.183..222Z . дои : 10.1016/j.ijleo.2019.02.077 . ISSN 0030-4026 . S2CID 126553613 .
- ^ Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine : «Что такое огонь?» . Ютуб . Проверено 27 ноября 2019 г. .
- ^ «Реакция хлора с водородом» . Архивировано из оригинала 20 августа 2008 года.
- ^ Грегори П. Смит; Дэвид М. Голден; Майкл Френклах; Найджел В. Мориарти; Борис Эйтенер; Михаил Гольденберг; К. Томас Боуман; Рональд К. Хэнсон; Сунхо Сон; Уильям К. Гардинер младший; Виталий Лисянский; Живэй Цинь. «ГРИ-Мех 3.0» . Архивировано из оригинала 29 октября 2007 года . Проверено 8 ноября 2007 г.
- ^ Перейти обратно: а б Кристофер В. Шмидт; Стив А. Саймс (2008). Анализ сгоревших человеческих останков . Академическая пресса. стр. 2–4. ISBN 978-0-12-372510-3 .
- ^ Юзеф Яросинский; Бернар Вейсьер (2009). Явления горения: отдельные механизмы образования, распространения и угасания пламени . ЦРК Пресс. п. 172. ИСБН 978-0-8493-8408-0 .
- ^ Перейти обратно: а б Перлман, Ховард; Чапек, Ричард М. (24 апреля 2000 г.). «Холодное пламя и самовоспламенение в условиях микрогравитации» . НАСА . Архивировано из оригинала 1 мая 2010 года . Проверено 13 мая 2010 г.
- ^ Киршенбаум, А.Д.; А. В. Гроссе (май 1956 г.). «Горение субнитрида углерода NC 4 N и химический метод получения непрерывных температур в диапазоне 5000–6000 К». Журнал Американского химического общества . 78 (9): 2020. doi : 10.1021/ja01590a075 .
- ^ Томас, Н.; Гейдон, AG; Брюэр, Л. (1952). «Цианогенное пламя и энергия диссоциации N 2 ». Журнал химической физики . 20 (3): 369–374. Бибкод : 1952ЖЧФ..20..369Т . дои : 10.1063/1.1700426 .
- ^ Дж. Б. Конвей; Р. Х. Уилсон младший; А. В. Гроссе (1953). «Температура цианогенно-кислородного пламени». Журнал Американского химического общества . 75 (2): 499. doi : 10.1021/ja01098a517 .
- ^ Джонс, Джон Клиффорд (сентябрь 2003 г.). «Низкотемпературное окисление». Безопасность процессов добычи углеводородов: текст для студентов и специалистов . Талса, ОК: PennWell. стр. 32–33. ISBN 978-1-59370-004-1 .
- ^ Спиральное пламя в условиях микрогравитации. Архивировано 19 марта 2010 года в Wayback Machine , Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства , 2000 год.
- ↑ Пламя свечи в условиях микрогравитации. Архивировано 26 октября 2011 года в Wayback Machine . НАСА
- ^ CH Ким и др. Эксперимент по процессам ламинарной сажи, проливающий свет на излучение пламени. Архивировано 11 января 2014 года в Wayback Machine . НАСА , HTML. Архивировано 20 июля 2012 г. на Wayback Machine.
- ^ Тиммс, Форекс; Вусли, ЮВ (1 сентября 1992 г.). «Кондуктивное распространение ядерного пламени. I — Вырожденные C+O и O+Ne+Mg белые карлики» . Астрофизический журнал . 396 : 649–667. Бибкод : 1992ApJ...396..649T . дои : 10.1086/171746 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Пламя свечи сильно подвержено влиянию и перемещению электрического поля из-за того, что пламя содержит ионы. (архивировано 30 сентября 2011 г.)
- Горелка со сверхнизким уровнем выбросов и низким вихревым потоком. Архивировано 13 июня 2017 г. в Wayback Machine.
- 7 оттенков огня (архивировано 31 августа 2017 г.)
- Лицензия, Питер. «Цветное пламя» . Периодическая таблица видео . Университет Ноттингема .
| История | |
|---|---|
| Наука | |
| Компоненты | |
| Индивидуальные пожары | |
| Преступление | |
| Люди | |
| Культура | |
| Организации | |
| Другой | |
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
