Опубликовано: 26 Марта 2013
Пламя — постоянный спутник энергичного горения обычных горючих веществ. Характеристикой пламени могут служить его paзмеры, изменение формы в зависимости от количества горючего вещества и большая или меньшая способность свечения.
Пламя представляет собой раскаленный газ, что легко подтверждается тем, что при зажигании струи газа образуется пламя. Твердое вещество, не выделяющее при нагревании воспламеняющихся газообразных продуктов, при своем горении не образует пламени в общепринятом понимании этого слова. Например, при горении угля реакция распространяется по поверхности, которая накаляется; при горении же газа получается не только большая «поверхность» соприкосновения с кислородом воздуха, но и создается во всех направлениях теснейший контакт между горючим веществом и пособником горения.
Газы могут светиться лишь во время самого горения или лишь немного спустя. Твердый углерод при горении дает достаточное количество газов, но они так быстро теряют свою теплоту и высокий накал, что перестают светиться, едва лишь потеряют Связь с его поверхностью, где происходит реакция. Если твердое вещество окисляется очень быстро, как например, сгорающий в кислороде углерод, то сгорающие в непосредственном контакте с горящим углеродом газы светятся и количество тепла, образующегося при горении, достаточно для образования «пламени».
Пламя бывает двух видов — светящееся и несветящееся и, хотя почти всякое пламя является видимым, не всякое испускает достаточное количество света.
Свечение пламени обусловлено: a) наличием в нем твердого вещества, b) плотностью его, т. е. давлением и плотностью участвующих в реакции газов, и c) его температурой.
Присутствие твердого вещества в пламени — наиболее общая причина свечения, В качестве примера пламени мы возьмем пламя cвечи.
Пламя свечи описано было неоднократно. Воск (смесь твердых углеводородов и жирных кислот) плавится под действием теплоты (получающейся в достаточном количестве в результате горения фитиля свечи) и всасывается фитилем. Поскольку фитиль непосредственно связан с пламенем, температура оказывается достаточной для превращения расплавленного воска в газ путем разложения или возгонки. Глазу на первый взгляд пламя кажется состоящим из нижней темной или слабо светящейся части и верхней светящейся части. На самом же деле вокруг нижней темной части имеется тонкая полоска светящегося пламени, а вокруг всего пламени находится как бы оболочка из совершенно незаметных для глаза газов. Темная часть состоит из несгоревших газов. В верхней части, где всосанный воздух благодаря конвекции вступает в контакт с горючими парами, происходит процесс горения; часть паров сгорает. Такое же явление имеет место и в узкой полоске, окружающей ядро пламени, куда также частично всасывается воздух. В наружной, едва заметной части, происходит полное сгорание. Свечение своим происхождением обязано отдельным частицам твердого углерода, накаленным добела; некоторые из них сгорают в светящейся части пламени, остальные в других частях.В пламени правильной формы, образуемом свечей, лампой или старинной газовой горелкой, лишь небольшое количество углерода не подвергается окислению. В пламени, имеющем неправильную форму, например в пламени, получающемся при сжигании обычных горючих материалов — дерева, бумаги, тканей и т. п., — воздуха, входящего в пламя, оказывается недостаточно, чтобы образовать надлежащую смесь с горючими газами, потребную для полного сгорания, и несгоревшие частицы углерода отлагаются в виде сажи и дыма.
Образование частиц углерода в пламени горящих углеродистых веществ (в частности углеводородов) в течение долгого времени приписывали «преимущественному горению». Считалось, что кислород воздуха быстрее соединяется с водородом горючего, чем с углеродом, и следовательно часть последнего выделяется в той части пламени, где воздуха для полного горения недостаточно. При выходе же его наружу он сгорает. В результате же произведенных опытов со взрывом смеси углеводородов с водородом обнаружено, что кислород распределяется между водородом и углеродом, образуя воду и окись углерода, причем углерод стремился превратиться в окись углерода прежде, чем водород, сгорая, превращался в воду. Развивалась теория, что в пламени образовывался ацетилен, который экзотермически разлагался на составные элементы. Такая теория однако оказалась неудовлетворительной, так как ацетилен образовывался лишь иногда. Во время процесса разложения углеводорода кислород поглощался и образовывались кислородсодержащие соединения углерода, например альдегиды, которые в пламени разлагались, выделяя углерод. Таким образом процессы, протекающие при горении, оказались сложными.
Хотя вопрос об «образовании» углерода оказался спорным, все же отложение несгоревших частиц углерода в виде сажи следует отнести или за счет недостатка кислорода (воздуха) или за счет неполного смешения его с горящими газами.
Пламя, свечение которого обусловлено наличием частиц углерода, является наиболее общим типом светящегося пламени и образуется всегда при горении обыкновенных горючих материалов. Свечение пламени, впрочем, может быть обусловлено и наличием в нем других твердых веществ. Так например, при горении легкогорючих металлов, таких например, как магний, пламя получается светящимся вследствие образования твердых окислов (при горении магния пламя получается белое). Твердые вещества, вводимые в пламя, раскаляются, вследствие чего свечение увеличивается. Этот факт легко подметить на обыкновенном газокалильном колпачке, где окислы редких земель накаляются до сильного свечения посредством бунзенского пламени. Так как в данном случае твердые частицы могут быть как введены в пламя, так и выведены из него, то считать самое пламя в этом случае светящимся нельзя.
При повышении температуры пламени повышается и свечение; такое повышение температуры может зачастую и несветящееся пламя сделать светящимся. Повышение температуры может быть достигнуто подогревом воспламеняющихся газов и воздуха. Если трубку горелки Бунзена нагреть докрасна и пропустить через нее смешанный с воздухом газ, пламя становится особенно светящимся.
Замена воздуха кислородом вызывает увеличение свечения. Высокая температура дает возможность нагреть и инертный азот. Углерод в кислороде горит с образованием пламени, так как окислы углерода, находящиеся в соприкосновении с горящим твердым веществом, имеют достаточно высокий накал.
На свечение пламени оказывает большое влияние давление участвующих в реакции газов. Возрастание давления повышает свечение, а понижение давления уменьшает его. Если зажженную свечу поместить под колокол и соединить последний с воздушным насосом, то при частичной откачке воздуха свечение быстро уменьшается. С другой стороны, при увеличении давления газы, горящие обычно несветящимся пламенем (например водород), можно заставить гореть светящимся пламенем.
Густые и плотные пары и газы различных веществ обычно горят более светящимся пламенем, чем образованные продуктами, дающими пары меньшей плотности. Например, пары фосфора и его соединений, выделяющие плотные продукты горения, дают желтое пламя; соединения мышьяка — светящееся пламя. Если некоторые соли (лучше всего хлористые соединения щелочных или щелочноземельных металлов) ввести в малом количестве в пламя горелки Бунзена, то соль улетучивается или разлагается, и пламя принимает окраску, меняющуюся в зависимости от присутствующего металлического радикала. Такие металлические соли выделяют пары высокой плотности и таким образом дают светящееся пламя.
[ads_block_articles]
Многие газы горят несветящимся или очень слабо светящимся пламенем. Из них можно отметить водород, окись углерода (бледно-голубое пламя), метан, аммиак (бледно-желтое) и сероводород (голубое как при горении серы). Пары некоторых летучих жидкостей — сероуглерода и спирта — горят едва светящимся пламенем, а пламя эфира и ацетона, связанное с сравнительно небольшим отделением углерода, становится благодаря этому несколько коптящим.
Коптящее или светящееся пламя может быть превращено в несветящееся путем подмешивания воздуха в горючий пар или газ перед сжиганием. Ближайшим примером может служить горелка Бунзена. В бунзеновской горелке горючий газ поступает через форсунку у дна трубки горелки, воздух всасывается через отверстие благодаря быстрому движению поступающего через форсунку газа. Этого количества воздуха недостаточно для полного горения газа, но его достаточно для образования в соединении с газом горючей смеси, сгорающей вверху горелки. Пламя состоит из внутреннего конуса голубовато-зеленого цвета, окруженного тонкой чуть светящейся оболочкой. Внутренний конус состоит из частично окислившихся газов. Стремительный поток газа всасывает воздух в пламя, и в наружной оболочке происходит полное сгорание.
Температура пламени неодинакова для различных горючих газов и паров; неодинакова также и температура различных частей пламени; область полного сгорания имеет и наиболее высокую температуру.При сжигании некоторого количества горючего вещества выделяется определенное количество теплоты. Если известно строение вещества, можно рассчитать состав и объем получившихся продуктов горения. Зная удельную теплоту этих продуктов, можно высчитать максимальную температуру, достижимую в пламени. Следует помнить, что, если вещество горит в воздухе, на каждый объем кислорода, вступающего в реакцию, приходится 4 объема инертного азота и, поскольку азот присутствует в пламени, он нагревается выделяемой при реакции теплотой, и таким образом температура пламени будет равна температуре продуктов горения плюс азот.
Все данные должны конечно выражаться в единицах одной и той же системы мер. При употреблении британской системы вес должен быть выражен в фунтах, а температура — в градусах Фаренгейта.
Удельная теплота вещества меняется с температурой, так что определить приблизительно температуру возможно; точное же ее определение невозможно.
На практике точный расчет температуры невозможен, так как в продолжение горения имеется непрерывная потеря теплоты. Эта теплота рассеивается различными путями. Часть уходит в виде лучистой теплоты и света и других форм энергии; часть теряется путем конвекции, в результате движения горячих газов пламени, вступающих в контакт с более холодной окружающей атмосферой; наконец, часть теплоты теряется, вследствие проводимости окружающей среды, в воздухе. Направленный вверх стремительный поток горячих газов пламени поглощает большее количество воздуха, чем потребно для горения, — эта «разбавка» также действует охлаждающе. Наибольшие потери теплоты происходят в результате излучения, и, если пренебречь теплом, теряемым вследствие конвекции и теплопроводимости, то получим температуру несколько ниже теоретического максимума.
Повысить температуру пламени, увеличивая количество горючих газов в данный момент, мы не можем, так как при таком увеличении количества горючих газов расходуется и кислород, и таким образом продукты горения будут образовываться в большем количестве.
При тесном смешении определенного количества воздуха, потребного для горения с горючим газом, мы получим наиболее благоприятные условия для получения максимальной температуры пламени. Это достигается путем применения горелки. Если мы попытаемся пропустить полностью потребное количество воздуха через отверстия бунзеновской горелки, то получится «обратный выхлоп» пламени, так как скорость распространения пламени вниз, через взрывчатую смесь, превысит скорость, с которой смесь движется по трубке горелки и выходит в верхнем конце ее. Придав смеси большую скорость посредством дутья или выпуская перед смешиванием воздух из резервуара под большим давлением, мы преодолеем это затруднение и получим довольно правильную подачу смеси в горелку. Вторичное всасывание воздуха будет весьма незначительным, а потому пламя не будет разбавляться избытком воздуха, как это обычно бывает при всасывании воздуха поверхностью пламени. При замене воздуха кислородом полученная температура повысится настолько, что накалит и инертный азот.
Светящееся пламя углеводородов, в котором весь воздух, потребный для горения, всасывается из окружающей атмосферы, не достигает столь высокой температуры, как пламя горючих смесей воздуха, например в горелке Бунзена. Кроме того, в первом случае получается неполное сгорание и образуется сажа. Однако, светящееся пламя излучает гораздо большее количество энергии. Обнаружено, например, что при горении ацетилена светящимся пламенем излучалось 28,2% теплоты, полученной при горении, а при горении того же самого газа несветящимся пламенем — всего 6,9%.
Сильное излучение светящегося пламени играет важную роль в распространении огня и является причиной «живости» и тепла горящего угля. При горении газа нужно нагреть до свечения твердые частицы, которые отнимают значительную часть могущей быть излученной энергии.
Автор: Камерон А.М.
Источник: «Химия. Пожарная опасность. Пожаротушение», 1936
Добавить комментарий