Встраиваемая техника

Температура горения спички и зажигалки. Температура огня при горении древесины в костре

Температура горения спички и зажигалки. Температура огня при горении древесины в костре

Китайская палка-зажигалка неизвестного назначения. Зачем купил, не знаю. Соответственно, получил непонятно что.

Характеристики:

  • газ - бутан
  • температура пламени 1300 градусов
  • максимальное время непрерывной работы - 8 минут
  • кнопка-поджигатель на пьезоэлементе
  • регулировка потока
  • режимы свечи и струи
  • размеры 16,5 * 2,5 * 2,0 см



Ограничение на тип газа довольно существенное. В магазинах больше всего представлены смеси, температура горения которых из-за наличия в них пропана немного больше. Возможно, это не критично, но при наличии выбора учитывать стоит. Также существенно влияет на пламя качество газа, газ из разных чисто бутановых баллонов может давать очень разное по силе пламя. Из-за некачественного газа на со пле образуется нагар.


Заправка осуществляется обычным для зажигалок методом через типичный для них клапан. Это также минус, так как здесь экономически более уместно использование баллонов для горелок, которые имеют другой тип выходного клапана, так что нужен переходник. В продаже я такого переходника не нашел, так что пришлось делать самому, но надежного решения я все равно не получил.


В местных магазинах бутан примерно одинакового качества в баллонах для горелок обходится минимум в два раза дешевле. На фото слева - газ для зажигалок (бутан, 250 мл, 120 руб.), справа - газ для горелок (бутан, 220 г, 400 мл, 55 руб.). Баллон справа существенно тяжелее и дешевле, при этом качество газа одинаковое. Баллоны для зажигалок, продающиеся в мелкой таре, лучше вообще не брать, пробовал несколько, все плохо горят, оставляют нагар, быстро заканчиваются, стоят дорого. И это при том что подобный газ для горелок (справа на фото) заведомо низкого качества. То есть найти подходящий газ несложно, но газ для зажигалок лучше даже не пробовать.




Заявленная температура горения есть только на кончике пламени, что вполне естественно. Плохо то, что размер этого горячего пятна очень мал, и им очень сложно сварить даже пару алюминиевых проводов на 2,5 при том, что температура плавления алюминия всего 660 градусов. Если очень хорошо прицелиться, то можно даже оплавить тонкий медный провод (температура плавления около 1350 градусов), но это только на смеси с пропаном, на чистом бутане эксперимент повторить не удается. Максимальная длина пламени - около 7 см в обоих режимах.

Возможно, единственный плюс данной зажигалки - долгое время непрерывной работы. С другой стороны, это почти никогда не нужно из-за остальных недостатков. На самом деле я никогда не оставлял горелку включенной на такое долгое время, и не уверен, что она столько проработает, просто потому, что контейнер для газа, несмотря на большой размер горелки, крохотный, на уровне обычных зажигалок.




Следующий минус данного изделия - кнопка-поджигатель. Проблема в том, что она не работает в режиме свечи - искра есть, поджига нет. То есть данная горелка здесь уступает даже самым дешевым пьезозажигалкам.

Регулировка потока работает. И пользоваться ей приходится постоянно, так как с потерей газа горелка начинает гореть все хуже. Рычажок жесткий и неудобный, но ногти не ломает.

Переключателем режимов также приходится пользоваться постоянно, так как поджиг возможен только в струйном режиме, тогда как я часто использую режим свечи. Переключатель имеет промежуточные положения, так что можно получить некоторое промежуточное между свечей и струей пламя, хотя и придется повозиться. Несмотря на наличие режима свечи, поставить горелку свечкой не получится, будет мешать кнопка, разве что использовать стакан или другой подходящий держатель.


Горелка имеет выдвигающуюся подставку, открывается одним движением ногтя. Удобно поставить горелку на нее остывать, чтобы нагретая голова горелки не испортила поверхность. Оставлять горелку на подставке горящей я бы не стал, слишком близко к поверхности.

В итоге получилась некая зажигалка-переросток с небольшим уклоном в горелку. В основном использую для термоусадки, особенно в труднодоступных для обычной зажигалки местах, но только из-за отсутствия фена. Пайка проводов с этой горелкой довольно затруднительна. Если нужна зажигалка, лучше взять зажигалку. Если нужна горелка, то надо брать горелку побольше.

Найти в магазинах можно по фразе «503 torch» или чему-то вроде «gas butane pencil torch», цена порядка 4-5 долларов.

Дополнение

Прошло больше года, а горелка всё ещё работает. Я всё так же использую её почти исключительно для термоусадки, иногда ещё подплавляю термопластичный клей. За год сжёг газа грамм 300-400.

Привет всем. Сегодня я хочу сравнить 3 турбо зажигалки из одной ценовой категории. Куплены они были в разных магазинах, выбирал я их по отзывам на сайтах-продавцах. Если коротко, советую к покупке первую как карманную горелку c большим запасом газа и большим пламенем, последнюю - как красивую и качественную зажигалку. Далее - под катом.

Итак, начну я с самой большой и самой дешевой зажигалки в обзоре.

Была куплена на BIC, пришла она красного цвета и наполовину заправленая газом.


Горелка достаточно большая. Зажигается круглой кнопкой, почти всегда с первого раза (9 из 10). Кнопка со стрелками - блокирует подачу газа в последнем положении. То есть можно сделать газ постоянно включенным или постоянно выключеным. Также есть кольцо-предохранитель под кнопкой.




Часть зажигалки вокруг сопла - металлическая и очень сильно нагревается во время работы. Весь остальной корпус сделан из пластика и поэтому часть на стыке металла и пластика начинает плавиться где-то после 1 минуты использования на самом сильном огне.


Клапан заправки и регулировка пламени.


К минусам могу отнести регулировку подачи газа только отверткой (в отличии от других участников обзора). Если отпустить кнопку при сильном пламени, огонь не потушится сразу, а медленно затухнет (около 2-4 секунд). Если открыть подачу газа слишком сильно, зажигалка тухнет через некоторое время после начала работы. Топлива помещается много. Я использую максимально возмозную силу пламени при которой зажигалка не тухнет и одной заправки в сумме хватает минут на 20 горения.
аккумулятор 18650, горелка, батарейка AAA.


Максимально возможное пламя горелки, самое большое из 3 участников теста.


Итог: Очень хорошая горелка по соотношению цена/качество. Надежный механизм поджигания. Большое количество топлива и длинный язык пламени. Очень удобная фиксация пламени «всегда включено». Минусы: Сильно греется, только часть «головы» сделана из металла, регулировка пламени только отверткой, предполагаю что может лопнуть пластик емкости с газом от падения.

Видео. Здесь я нагреваю до красна толстую жестяную банку из-под чая:


Здесь делаю отверстие в жестяной банке из-под пива:

Следующей в моем обзоре будет зажигалка с DX.


Средняя по размеру из трех участников обзора. «Голова» полностью металлическая, сильно греется.


Качество сборки плохое. У моей зажигалки поламались ползунки пластиковой кнопки, затем согнулся алюминиевый рычаг для подачи газа. В итоге зажигалка не работает, думаю починить в ближайшем будущем. Могу предположить что мне попался неудачный экземпляр, потому что на DX все ее сильно хвалят.


Регулировка пламени осуществляется пластиковой насадкой на клапане заправки. Насадка эта с ограничителем, откручивать подачу газа можно до определенного момента. Диапазон регулировки достаточен. Газа помещается где-то в два раза меньше чем в предыдущей. При сильном пламени подача газа в данной зажигалке не прекращается мгновенно после отпускания кнопки, но пламя тушится моментально. То есть некоторое количество газа выходит впустую.

И последняя, явно карманная турбо зажигалка с TD. Другой обзор .


Самая маленькая, качественная и дорогая зажигалка из трех. В комплекте был шнурок с надписью «smile», который я снял. «Голова» полностью металлическая, хорошо рассеивает тепло. Корпус из прочного и грубого пластика болотного цвета. Предположу, что повредить ее будет очень сложно.


Регулировка пламени работает как и в предыдущей зажигалке, но ограничителя здесь нет. Газа заправляется мало. Хватает минут на 6 непрерывного горения на максимальном огне. Также есть проблема с «утечкой» газа при выключении как и в предыдущей зажигалке, но можно найти баланс когда и пламя достаточное и подача газа прекращается моментально.


Колпачек регулировки мешает при заправке зажигалки, поэтому его нужно снимать. Держится он крепко, разбалтываться со временем не должен.


Самое сильное пламя при котором подача газа прекращается моментально. В таком режиме пламя где-то на 1.5мм короче, чем у первого участника обзора.

Итог: Отличная карманная зажигалка, именно зажигалка. Должна подойти курильщикам (сам не курю, не испытывал). Хорошо смотрится, высокое качество сборки, металлическая «голова» хорошо рассеивает тепло, удобный регулятор пламени. К минусам можно отнести только то, что нельзя следить за уровнем газа.

Планирую купить +27 Добавить в избранное Обзор понравился +37 +90

Первые химики считали, что огонь вызывается выделением из тел вещества «флогистон», который содержат все взрывчатые и горючие материалы. Но в XVIII веке было доказано, что причиной горения является менее таинственный элемент - кислород. Согласно этой модели явления, пламя указывает на место взаимодействия окислителя с горючим материалом, а его цвет - на температуру огня.

Костёр - контролируемый огонь, разведённый на открытом воздухе

Огонь и древние люди

Контролируемое использование огня для обеспечения себя теплом и светом - одно из первых великих достижений человечества. Это дало возможность древним людям освоить места с более суровым климатом, готовить пищу, защищаться от хищников и обрабатывать некоторые материалы. Доказано, что предки современных людей знали, как пользоваться огнём по меньшей мере 790 тысяч лет. Некоторые археологические данные свидетельствуют об использовании его значительно раньше:

  1. 1,6 млн лет назад - анализ сгоревших костей антилоп в одной из пещер Южной Африки подтверждает, что их сожгли австралопитеки в рукотворном костре.
  2. 1,9 млн лет назад - в другой пещере на границе пустыни Калахари были найдены следы старейшего контролируемого огня. Предварительные данные говорят о том, что гомо эректус готовили пищу на костре с момента своего появления.

    Огонь является очень важным для человеческого развития, так как позволил нашим предкам готовить пишу и обогреваться

    Многие культуры не одну тысячу лет поклонялись открытому пламени и использовали его в религиозных обрядах.

    Роль важного элемента во многих церемониях огонь сохранил и до настоящих дней. Его значение для людей было настолько велико, что он стал героем мифов и основой мировоззренческих систем: Прометей похитил огонь у богов, чтобы отдать его людям; Аристотель определил его в качестве одного из четырёх природных элементов; китайские философы дали ему роль одной из пяти сущностей, из которых состоит всё живое.

    Физика процесса

    Огнём называют бурное окисление материалов в процессе необратимой экзотермической реакции с выделением энергии в виде тепла и света. Огонь возникает как результат воспламенения горючего при достаточном количестве кислорода, позволяющем поддерживать скорость окисления на уровне цепной реакции. Пламя - видимая газообразная часть огня. Над жидкостью оно возникает в результате её испарения, над твёрдым топливом благодаря выделению из него горючего газа в процессе пиролиза.


    Огонь – бурное окисление материалов в процессе необратимой экзотермической реакции с выделением энергии в виде тепла и света

    Доминирующий цвет пламени меняется с температурой открытого огня. Хорошей иллюстрацией этого явления может быть горение традиционного костра. Рядом с дровами, где происходит самая бурная реакция, огонь белый, переходящий в жёлтый. Над этой областью цвет меняется на оранжевый, маркирующий зону, в которой холоднее. Следующий, ещё более холодный участок - красный. Над ним реакция практически не происходит, а выше можно наблюдать такие несгоревшие частицы углерода как дым. Диапазон температур горения костра в соответствии с цветовой гаммой выглядит так:

    • едва заметный красный - 500°C;
    • вишнёвый тёмный - 800°C;
    • вишнёво-красный яркий -1000°C;
    • глубокий красно-оранжевый - 1100°C;
    • яркий оранжево-жёлтый - 1200°C;
    • белесовато-жёлтый - 1300°C;
    • яркий белый 1400°C;
    • ослепительно белый - 1500°C.

    Фазы горения

    По сути, деревья - концентрат энергии излучения Солнца. Листья растений работают как небольшие солнечные панели, поглощающие световую энергию, чтобы с её помощью преобразовать воду, углекислый газ и минералы в органические вещества. Горение можно рассматривать как процесс обратный фотосинтезу. Поджигание дров освобождает накопленную за время жизни растения энергию, реализуя её в виде высокой температуры огня в костре. Горение древесины проходит три фазы:

    1. Испарение влаги под воздействием температуры открытого пламени. Любая древесина содержит влагу, после поджигания вода в ней закипает и испаряется через трещины. Поскольку значительная часть подводимого тепла затрачивается на испарение, успешное поджигание либо требует сухих дров, либо большого количества тепла. Первая фаза завершается при достижении древесиной 100°C.
    2. Повышение температуры и газификация древесины. При 150 °C дерево начинает разлагаться на угли и летучие горючие вещества, оптимальная температура для этого процесса - от 280°C. Воспламенение газов происходит при температурах между 260 и 315°C с дальнейшим заметным пламенным горением. При 700°C и выше начинается процесс выделения и сжигания газов с высокой теплотворной способностью. Фаза заканчивается с прекращением образования летучих горючих веществ.
    3. Углеродное горение. После выделения первичных и вторичных газов остаются углеродные цепи и несгораемые вещества. Углерод, или древесный уголь, горит долго и без видимого пламени. Стадия заканчивается полным сгоранием твёрдых веществ в древесине до негорючей золы.

    Искусство истопника или разжигателя костров состоит в знаниях и навыках, необходимых для обеспечения благоприятных условий протекания горения во всех трёх фазах: от поддержания температуры пламени костра до подачи необходимого количества кислорода.

    Виды древесины

    Есть несколько закономерностей, обуславливающих разницу в горении различных пород дерева. Прежде всего это наличие смол - они заметно добавляют теплотворной способности дровам. Мягкий лес горит легче из-за низкой плотности. Тяжёлые породы долго поддерживают горение.

    В то время как плотность древесины существенно варьируется от вида к виду, теплотворная способность их на единицу массы практически одинакова (за исключением хвойных смолистых пород). Независимо от того, какие виды деревьев пошли на дрова, влажность - основной фактор, влияющий как на процесс горения, так и на тепловой результат.


    Знание разных пород древесины позволяет получить комфортное горение с меньшим расходом дров

    Перечень особенностей древесины некоторых пород:

    • акация - горит медленно и даёт много тепла, быстро сохнет, в кострище издаёт характерный треск;
    • берёза - сгорает быстро, легко воспламеняется даже влажной, даёт ровный и устойчивый огонь;
    • бук - калорийное топливо, оставляет мало золы;
    • дуб - высокая теплотворная способность, выделяет при горении приятный запах, очень долго сохнет;
    • тополь - невысокая теплота сгорания;
    • фруктовые деревья - горят медленно и равномерно;
    • хвойные - ароматный дым, могут стрелять смолой, образуют много копоти.

    Знание основ обращения с древесиной как топливом позволяет получить комфортное горение с меньшим расходом дров.

    Важно только не забывать главное: неконтролируемое открытое пламя может быть очень опасным для живых существ. Помимо ожогов от пламени и тлеющих углей, огонь может принести несравненно больше беды разгоревшись в пожар.

Температура огня заставляет в новом свете увидеть привычные вещи - вспыхнувшую белым спичку, голубое свечение горелки газовой печки на кухне, оранжево-красные язычки над пылающим деревом. Человек не обращает внимания на огонь, пока не обожжёт кончики пальцев. Или не спалит картошку на сковороде. Или не прожжёт подошву кроссовок, сохнущих над костром.

Когда первая боль, испуг и разочарование проходят, наступает время философских размышлений. О природе, цветовой гамме, температуре огня.

Горит, как спичка

Кратко о строении спички. Она состоит из палочки и головки. Палочки изготавливают из дерева, картона и хлопчатобумажного жгута, пропитанного парафином. Дерево выбирают мягких пород - тополь, сосну, осину. Сырьё для палочек называют спичечной соломкой. Чтобы избежать тления соломки, палочки пропитывают фосфорной кислотой. Российские заводы мастерят соломку из осины.

Головка спички проста по форме, но сложна по химическому составу. Темно-коричневая голова спички содержит семь компонентов: окислители - бертолетова соль и дихромат калия; стекляннюу пыль, сурик свинцовый, серу, цинковые белила.

Головка спички при трении воспламеняется, нагреваясь до полутора тысяч градусов. Порог воспламенения, в градусах Цельсия:

  • тополь - 468;
  • осина - 612;
  • сосна - 624.

Температура огня спички равна Поэтому белая вспышка серной головки сменяется желто-оранжевым язычком спички.

Если пристально разглядывать горящую спичку, то взгляду предстают три зоны пламени. Нижняя - холодная голубая. Средняя в полтора раза теплее. Верхняя - горячая зона.

Огненный художник

При слове «костёр» вспыхивают не менее ярко ностальгические воспоминания: дым костра, создающий доверительную обстановку; красные и желтые огни, летящие к ультрамариновому небу; переливы язычков с голубого до рубиново-красного цвета; багровые остывающие угли, в которых печётся «пионерская» картошка.

Изменяющийся колер пылающего дерева сообщает о колебаниях температуры огня в костре. Тление дерева (потемнение) начинается со 150°. Возгорание (задымление) происходит в интервале 250-300°. При одинаковом поступлении кислорода породы при несовпадающих температурах. Соответственно, градус костра тоже будет отличаться. Берёза горит при 800 градусах, ольха - при 522°, а ясень и бук - при 1040°.

Но цвет огня также определяется химическим составом горящего вещества. Желтый и оранжевый вносят соли натрия. Химический состав целлюлозы содержит и соли натрия, и соли калия, придающие пылающим углям дерева красный оттенок. Романтические в древесном костре возникают из-за недостатка кислорода, когда вместо СО 2 образуется СО - угарный газ.

Энтузиасты научных опытов измеряют температуру огня в костре прибором под названием пирометр. Изготовляют три типа пирометров: оптические, радиационные, спектральные. Это бесконтактные приборы, разрешающие оценивать мощность теплового излучения.

Изучаем огонь на собственной кухне

Кухонные газовые плиты работают на двух видах топлива:

  1. Магистральный природный газ метан.
  2. Пропан-бутановая сжиженная смесь из баллонов и газгольдеров.

Химический состав топлива определяет температуру огня газовой плиты. Метан, сгорая, образует огонь мощностью 900 градусов в верхней точке.

Сжигание сжиженной смеси даёт жар до 1950°.

Внимательный наблюдатель отметит неравномерность раскраски язычков горелки газовой плиты. Внутри огненного факела происходит деление на три зоны:

  • Тёмный участок, расположенный возле конфорки: здесь нет горения из-за недостатка кислорода, а температура зоны равна 350°.
  • Яркий участок, лежащий в центре факела: горящий газ разогревается до 700°, но топливо сгорает не до конца из-за недостатка окислителя.
  • Полупрозрачный верхний участок: достигает температуры 900°, и сгорание газа полноценное.

Цифры температурных зон огневого факела приведены для метана.

Правила безопасности при огневых мероприятиях

Разжигая спички, плиту, позаботьтесь о вентиляции помещения. Обеспечьте приток кислорода к топливу.

Не пытайтесь самостоятельно ремонтировать газовое оборудование. Газ не терпит дилетантов.

Хозяйки отмечают, что горелки светятся голубым цветом, но иногда огонь становится оранжевым. Это не глобальное изменение температуры. Изменение цвета связано с изменением состава топлива. Чистый метан горит без цвета и без запаха. В целях безопасности в бытовой газ добавляют серу, которая при сгорании окрашивает газ в голубые оттенки и сообщает продуктам сгорания характерный запах.

Появление оранжевых и желтых оттенков в огне конфорки сообщает о необходимости профилактических манипуляций с плитой. Мастера прочистят оборудование, удалят пыль и сажу, горение которых и изменяет привычный цвет огня.

Иногда огонь в горелке становится красным. Это сигнал опасного содержания угарного газа в Поступления кислорода к топливу настолько мало, что плита даже тухнет. Угарный газ без вкуса и запаха, и человек рядом с источником выделения вредного вещества заметит слишком поздно, что отравился. Поэтому красный цвет газа требует немедленного вызова мастеров для профилактики и наладки оборудования.

Чем проклинать тьму,
лучше зажечь хотя бы
одну маленькую свечу.
Конфуций

В начале

Первые попытки понять механизм горения связаны с именами англичанина Роберта Бойля, француза Антуана Лорана Лавуазье и русского Михаила Васильевича Ломоносова. Оказалось, что при горении вещество никуда не «исчезает», как наивно полагали когда-то, а превращается в другие вещества, в основном газообразные и потому невидимые. Лавуазье в 1774 году впервые показал, что при горении из воздуха уходит примерно пятая его часть. В течение XIX века ученые подробно исследовали физические и химические процессы, сопровождающие горение. Необходимость таких работ была вызвана прежде всего пожарами и взрывами в шахтах.

Но только в последней четверти ХХ века были выявлены основные химические реакции, сопровождающие горение, и по сей день в химии пламени осталось немало темных пятен. Их исследуют самыми современными методами во многих лабораториях. У этих исследований несколько целей. С одной стороны, надо оптимизировать процессы горения в топках ТЭЦ и в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, предотвратить взрывное горение (детонацию) при сжатии в цилиндре автомобиля воздушно-бензиновой смеси. С другой стороны, необходимо уменьшить количество вредных веществ, образующихся в процессе горения, и одновременно - искать более эффективные средства тушения огня.

Существуют два вида пламени. Топливо и окислитель (чаще всего кислород) могут принудительно или самопроизвольно подводиться к зоне горения порознь и смешиваться уже в пламени. А могут смешиваться заранее - такие смеси способны гореть или даже взрываться в отсутствие воздуха, как, например, пороха, пиротехнические смеси для фейерверков, ракетные топлива. Горение может происходить как с участием кислорода, поступающего в зону горения с воздухом, так и при помощи кислорода, заключенного в веществе-окислителе. Одно из таких веществ - бертолетова соль (хлорат калия KClO 3); это вещество легко отдает кислород. Сильный окислитель - азотная кислота HNO 3: в чистом виде она воспламеняет многие органические вещества. Нитраты, соли азотной кислоты (например, в виде удобрения - калийной или аммиачной селитры), легко воспламеняются, если смешаны с горючими веществами. Еще один мощный окислитель, тетраоксид азота N 2 O 4 - компонент ракетных топлив. Кислород могут заменить и такие сильные окислители, как, например, хлор, в котором горят многие вещества, или фтор. Чистый фтор - один из самых сильных окислителей, в его струе горит вода.

Цепные реакции

Основы теории горения и распространения пламени были заложены в конце 20-х годов прошлого столетия. В результате этих исследований были открыты разветвленные цепные реакции. За это открытие отечественный физикохимик Николай Николаевич Семенов и английский исследователь Сирил Хиншельвуд были в 1956 году удостоены Нобелевской премии по химии. Более простые неразветвленные цепные реакции открыл еще в 1913 году немецкий химик Макс Боденштейн на примере реакции водорода с хлором. Суммарно реакция выражается простым уравнением H 2 + Cl 2 = 2HCl. На самом деле она идет с участием очень активных осколков молекул - так называемых свободных радикалов. Под действием света в ультрафиолетовой и синей областях спектра или при высокой температуре молекулы хлора распадаются на атомы, которые и начинают длинную (иногда до миллиона звеньев) цепочку превращений; каждое из этих превращений называется элементарной реакцией:

Cl + H 2 → HCl + H,
H + Cl 2 → HCl + Cl и т. д.

На каждой стадии (звене реакции) происходит исчезновение одного активного центра (атома водорода или хлора) и одновременно появляется новый активный центр, продолжающий цепь. Цепи обрываются, когда встречаются две активные частицы, например Cl + Cl → Cl 2 . Каждая цепь распространяется очень быстро, поэтому, если генерировать «первоначальные» активные частицы с высокой скоростью, реакция пойдет так быстро, что может привести к взрыву.

Н. Н. Семенов и Хиншельвуд обнаружили, что реакции горения паров фосфора и водорода идут иначе: малейшая искра или открытое пламя могут вызвать взрыв даже при комнатной температуре. Эти реакции - разветвленно-цепные: активные частицы в ходе реакции «размножаются», то есть при исчезновении одной активной частицы появляются две или три. Например, в смеси водорода и кислорода, которая может спокойно храниться сотни лет, если нет внешних воздействий, появление по той или иной причине активных атомов водорода запускает такой процесс:

H + O 2 → OH + O,
O + H 2 → OH + H.

Таким образом, за ничтожный промежуток времени одна активная частица (атом H) превращается в три (атом водорода и два гидроксильных радикала OH), которые запускают уже три цепи вместо одной. В результате число цепей лавинообразно растет, что моментально приводит к взрыву смеси водорода и кислорода, поскольку в этой реакции выделяется много тепловой энергии. Атомы кислорода присутствуют в пламени и при горении других веществ. Их можно обнаружить, если направить струю сжатого воздуха поперек верхней части пламени горелки. При этом в воздухе обнаружится характерный запах озона - это атомы кислорода «прилипли» к молекулам кислорода с образованием молекул озона: О + О 2 = О 3 , которые и были вынесены из пламени холодным воздухом.

Возможность взрыва смеси кислорода (или воздуха) со многими горючими газами - водородом, угарным газом, метаном, ацетиленом - зависит от условий, в основном от температуры, состава и давления смеси. Так, если в результате утечки бытового газа на кухне (он состоит в основном из метана) его содержание в воздухе превысит 5%, то смесь взорвется от пламени спички или зажигалки и даже от маленькой искры, проскочившей в выключателе при зажигании света. Взрыва не будет, если цепи обрываются быстрее, чем успевают разветвляться. Именно поэтому была безопасной лампа для шахтеров, которую английский химик Хэмфри Дэви разработал в 1816 году, ничего не зная о химии пламени. В этой лампе открытый огонь был отгорожен от внешней атмосферы (которая могла оказаться взрывоопасной) частой металлической сеткой. На поверхности металла активные частицы эффективно исчезают, превращаясь в стабильные молекулы, и потому не могут проникнуть во внешнюю среду.

Полный механизм разветвленно-цепных реакций очень сложен и может включать более сотни элементарных реакций. К разветвленно-цепным относятся многие реакции окисления и горения неорганических и органических соединений. Таковой же будет и реакция деления ядер тяжелых элементов, например плутония или урана, под воздействием нейтронов, которые выступают аналогами активных частиц в химических реакциях. Проникая в ядро тяжелого элемента, нейтроны вызывают его деление, что сопровождается выделением очень большой энергии; одновременно из ядра вылетают новые нейтроны, которые вызывают деление соседних ядер. Химические и ядерные разветвленно-цепные процессы описываются сходными математическими моделями.

Что надо для начала

Чтобы началось горение, нужно выполнить ряд условий. Прежде всего, температура горючего вещества должна превышать некое предельное значение, которое называется температурой воспламенения. Знаменитый роман Рэя Брэдбери «451 градус по Фаренгейту» назван так потому, что примерно при этой температуре (233°C) загорается бумага. Это «температура воспламенения», выше которой твердое топливо выделяет горючие пары или газообразные продукты разложения в количестве, достаточном для их устойчивого горения. Примерно такая же температура воспламенения и у сухой сосновой древесины.

Температура пламени зависит от природы горючего вещества и от условий горения. Так, температура в пламени метана на воздухе достигает 1900°C, а при горении в кислороде - 2700°C. Еще более горячее пламя дают при сгорании в чистом кислороде водород (2800°C) и ацетилен (3000°C). Недаром пламя ацетиленовой горелки легко режет почти любой металл. Самую же высокую температуру, около 5000°C (она зафиксирована в Книге рекордов Гиннесса), дает при сгорании в кислороде легкокипящая жидкость - субнитрид углерода С 4 N 2 (это вещество имеет строение дицианоацетилена NC–C=C–CN). А по некоторым сведениям, при горении его в атмосфере озона температура может доходить до 5700°C. Если же эту жидкость поджечь на воздухе, она сгорит красным коптящим пламенем с зелено-фиолетовой каймой. С другой стороны, известны и холодные пламена. Так, например, горят при низких давлениях пары фосфора. Сравнительно холодное пламя получается и при окислении в определенных условиях сероуглерода и легких углеводородов; например, пропан дает холодное пламя при пониженном давлении и температуре от 260–320°C.

Только в последней четверти ХХ века стал проясняться механизм процессов, происходящих в пламени многих горючих веществ. Механизм этот очень сложен. Исходные молекулы обычно слишком велики, чтобы, реагируя с кислородом, непосредственно превратиться в продукты реакции. Так, например, горение октана, одного из компонентов бензина, выражается уравнением 2С 8 Н 18 + 25О 2 = 16СО 2 + 18Н 2 О. Однако все 8 атомов углерода и 18 атомов водорода в молекуле октана никак не могут одновременно соединиться с 50 атомами кислорода: для этого должно разорваться множество химических связей и образоваться множество новых. Реакция горения происходит многостадийно - так, чтобы на каждой стадии разрывалось и образовывалось лишь небольшое число химических связей, и процесс состоит из множества последовательно протекающих элементарных реакций, совокупность которых и представляется наблюдателю как пламя. Изучать элементарные реакции сложно прежде всего потому, что концентрации реакционно-способных промежуточных частиц в пламени крайне малы.

Внутри пламени

Оптическое зондирование разных участков пламени с помощью лазеров позволило установить качественный и количественный состав присутствующих там активных частиц - осколков молекул горючего вещества. Оказалось, что даже в простой с виду реакции горения водорода в кислороде 2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О происходит более 20 элементарных реакций с участием молекул О 2 , Н 2 , О 3 , Н 2 О 2 , Н 2 О, активных частиц Н, О, ОН, НО 2 . Вот, например, что написал об этой реакции английский химик Кеннет Бэйли в 1937 году: «Уравнение реакции соединения водорода с кислородом - первое уравнение, с которым знакомится большинство начинающих изучать химию. Реакция эта кажется им очень простой. Но даже профессиональные химики бывают несколько поражены, увидев книгу в сотню страниц под названием «Реакция кислорода с водородом», опубликованную Хиншельвудом и Уильямсоном в 1934 году». К этому можно добавить, что в 1948 году была опубликована значительно большая по объему монография А. Б. Налбандяна и В. В. Воеводского под названием «Механизм окисления и горения водорода».

Современные методы исследования позволили изучить отдельные стадии подобных процессов, измерить скорость, с которой различные активные частицы реагируют друг с другом и со стабильными молекулами при разных температурах. Зная механизм отдельных стадий процесса, можно «собрать» и весь процесс, то есть смоделировать пламя. Сложность такого моделирования заключается не только в изучении всего комплекса элементарных химических реакций, но и в необходимости учитывать процессы диффузии частиц, теплопереноса и конвекционных потоков в пламени (именно последние устраивают завораживающую игру языков горящего костра).

Откуда все берется

Основное топливо современной промышленности - углеводороды, начиная от простейшего, метана, и кончая тяжелыми углеводородами, которые содержатся в мазуте. Пламя даже простейшего углеводорода - метана может включать до ста элементарных реакций. При этом далеко не все из них изучены достаточно подробно. Когда горят тяжелые углеводороды, например те, что содержатся в парафине, их молекулы не могут достичь зоны горения, оставаясь целыми. Еще на подходе к пламени они из-за высокой температуры расщепляются на осколки. При этом от молекул обычно отщепляются группы, содержащие два атома углерода, например С 8 Н 18 → С 2 Н 5 + С 6 Н 13 . Активные частицы с нечетным числом атомов углерода могут отщеплять атомы водорода, образуя соединения с двойными С=С и тройными С≡С связями. Было обнаружено, что в пламени такие соединения могут вступать в реакции, которые не были ранее известны химикам, поскольку вне пламени они не идут, например С 2 Н 2 + О → СН 2 + СО, СН 2 + О 2 → СО 2 + Н + Н.

Постепенная потеря водорода исходными молекулами приводит к увеличению в них доли углерода, пока не образуются частицы С 2 Н 2 , С 2 Н, С 2 . Зона сине-голубого пламени обусловлена свечением в этой зоне возбужденных частиц С 2 и СН. Если доступ кислорода в зону горения ограничен, то эти частицы не окисляются, а собираются в агрегаты - полимеризуются по схеме С 2 Н + С 2 Н 2 → С 4 Н 2 + Н, С 2 Н + С 4 Н 2 → С 6 Н 2 + Н и т. д.

В результате образуются частицы сажи, состоящие почти исключительно из атомов углерода. Они имеют форму крошечных шариков диаметром до 0,1 микрометра, которые содержат примерно миллион атомов углерода. Такие частицы при высокой температуре дают хорошо светящееся пламя желтого цвета. В верхней части пламени свечи эти частицы сгорают, поэтому свеча не дымит. Если же происходит дальнейшее слипание этих аэрозольных частиц, то образуются более крупные частицы сажи. В результате пламя (например, горящей резины) дает черный дым. Такой дым появляется, если в исходном топливе повышена доля углерода относительно водорода. Примером могут служить скипидар - смесь углеводородов состава С 10 Н 16 (C n H 2n–4), бензол С 6 Н 6 (C n H 2n–6), другие горючие жидкости с недостатком водорода - все они при горении коптят. Коптящее и ярко светящее пламя дает горящий на воздухе ацетилен С 2 Н 2 (C n H 2n–2); когда-то такое пламя использовали в ацетиленовых фонарях, установленных на велосипедах и автомобилях, в шахтерских лампах. И наоборот: углеводороды с высоким содержанием водорода - метан СН 4 , этан С 2 Н 6 , пропан С 3 Н 8 , бутан С 4 Н 10 (общая формула C n H 2n+2) - горят при достаточном доступе воздуха почти бесцветным пламенем. Смесь пропана и бутана в виде жидкости под небольшим давлением находится в зажигалках, а также в баллонах, которые используют дачники и туристы; такие же баллоны установлены в автомобилях, работающих на газе. Сравнительно недавно было обнаружено, что в копоти часто присутствуют шарообразные молекулы, состоящие из 60 атомов углерода; их назвали фуллеренами, а открытие этой новой формы углерода было ознаменовано присуждением в 1996 году Нобелевской премии по химии.