Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Пламя (значения) .

Пламя древесного угля

Пламя (от латинского Flamma ) является видимой , газообразной частью огня . Это вызвано сильно экзотермической реакцией , протекающей в тонкой зоне. [1] Очень горячее пламя достаточно горячее, чтобы содержать ионизированные газообразные компоненты достаточной плотности, чтобы считаться плазмой . [ расплывчато ] [ необходима ссылка ]

Механизм [ править ]

Зоны в пламени свечи

Цвет и температура пламени зависят от типа топлива, участвующего в горении , например, когда зажигалка подносится к свече . Приложенное тепло вызывает топливные молекулы в свечной воск на испаряются (Если этот процесс происходит в инертной атмосфере без окислителя , это называется пиролиз ). В этом состоянии они могут затем легко вступают в реакцию с кислородом в воздухе , который испускает достаточно теплав последующей экзотермической реакции для испарения еще большего количества топлива, таким образом поддерживая постоянное пламя. Высокая температура пламени заставляет молекулы испаренного топлива разлагаться , образуя различные продукты неполного сгорания и свободные радикалы , и эти продукты затем вступают в реакцию друг с другом и с окислителем, участвующим в реакции. Можно исследовать все различные части пламени свечи с помощью холодной металлической ложки: [2] Более высокие части - это водяной пар, конечный результат горения; желтые части посередине - копоть ; рядом с фитилем свечи лежит несгоревший воск. Достаточная энергия в пламени возбудитто электроны в некоторых переходных промежуточных продуктов реакции , таких как methylidyne радикала (СН) и диуглерод (С 2 ), что приводит к излучению видимого света , так как эти вещества выпускают их избыток энергии (см спектр ниже для объяснения , какие конкретные радикальные виды, которые производят определенные цвета). По мере того, как температура горения пламени увеличивается (если пламя содержит мелкие частицы несгоревшего углерода или другого материала), то же самое происходит и со средней энергией электромагнитного излучения, испускаемого пламенем (см. Черное тело ).

Для получения пламени можно использовать другие окислители, кроме кислорода. При сжигании водорода в хлоре образуется пламя, и в процессе сгорания выделяется газообразный хлористый водород (HCl). [3] Еще одно из многих возможных химических сочетаний - это гидразин и тетроксид азота, который является гиперголичным и обычно используется в ракетных двигателях . Фторполимеры можно использовать для подачи фтора в качестве окислителя металлических топлив, например, в композиции магний / тефлон / витон .

В химической кинетике , происходящая в пламени является очень сложной и обычно включает в себя большое количество химических реакций и промежуточных видов, большинство из них радикалов . Например, хорошо известная схема химической кинетики GRI-Mech [4] использует 53 вида и 325 элементарных реакций для описания горения биогаза .

Существуют разные методы распределения необходимых компонентов горения до пламени. В диффузионном пламени кислород и топливо диффундируют друг в друга; пламя возникает там, где они встречаются. В предварительно смешанном пламени предварительно смешивают кислород и топливо, что приводит к другому типу пламени. Пламя свечи (диффузионное пламя) действует за счет испарения топлива, которое поднимается в ламинарном потоке горячего газа, который затем смешивается с окружающим кислородом и сгорает.

Цвет [ править ]

См. Также: Испытание пламенем
Спектр голубого (предварительно перемешанного, т.е. полного сгорания) пламени бутановой горелки, показывающий испускание полосы молекулярных радикалов и полосы Свана . Обратите внимание, что практически весь излучаемый свет находится в синей и зеленой области спектра ниже примерно 565 нанометров, что объясняет голубоватый цвет бесшумного углеводородного пламени.

Пламя цвет зависит от нескольких факторов, наиболее важным является , как правило , излучение черного тела и спектральный диапазон излучения, как с спектральной линии излучения и поглощения спектральной линии играет меньшие роли. В наиболее распространенном типе пламени, углеводородном пламени, наиболее важным фактором, определяющим цвет, является подача кислорода и степень предварительного смешивания топлива с кислородом, которая определяет скорость горения и, следовательно, температуру и пути реакции, тем самым создавая разные цветовые оттенки. .

Различные типы пламени горелки Бунзена зависят от подачи кислорода. Слева богатое топливо без предварительной смеси кислорода дает желтое дымчатое диффузионное пламя; справа бедное пламя, полностью смешанное с кислородом, не дает сажи, а цвет пламени создается молекулярными радикалами, особенно излучением полос CH и C2 .

В лаборатории в условиях нормальной силы тяжести и с закрытым входным отверстием для воздуха горелка Бунзена горит желтым пламенем (также называемым безопасным пламенем) с пиковой температурой около 2000 K (3100 ° F). Желтый цвет возникает из-за накала очень мелких частиц сажи, образующихся в пламени. При открытии воздухозаборника образуется меньше сажи. Когда подается достаточно воздуха, сажа не образуется и пламя становится синим. (Большая часть этого синего цвета ранее была скрыта из-за ярко-желтого излучения.) Спектр пламени предварительно смешанного (полного сгорания) бутана справа показывает, что синий цвет возникает именно из-за излучения возбужденных молекулярных радикалов.в пламени, которые излучают большую часть своего света 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 цвет по мере повышения температуры, о чем свидетельствуют изменения в спектре излучения черного тела. Для данной области пламени, чем ближе к белому цвет на этой шкале, тем горячее эта часть пламени. Переходы часто видны при пожарах, при которых цвет, излучаемый ближе всего к топливу, - белый, с оранжевой полосой над ним, а красноватое пламя - самое яркое. [5] Голубое пламя появляется только тогда, когда количество сажи уменьшается и синие выбросы возбужденных молекулярных радикалов становятся доминирующими, хотя синий цвет часто можно увидеть у основания свечей, где сажа в воздухе менее концентрирована. [6]

Определенные цвета можно придать пламени путем введения возбудимых веществ с яркими линиями спектра излучения . В аналитической химии этот эффект используется при испытаниях пламенем для определения присутствия некоторых ионов металлов. В пиротехнике , что пиротехнические красители используются для производства яркого фейерверка .

Температура [ править ]

Тест пламени для натрия . Обратите внимание, что желтый цвет в этом газовом пламени не возникает из -за излучения черного тела частиц сажи (поскольку пламя явно представляет собой синее предварительно смешанное пламя полного сгорания), а вместо этого возникает из-за излучения спектральной линии атомов натрия, в частности очень интенсивного натриевые линии D.

Если посмотреть на температуру пламени, есть много факторов, которые можно изменить или применить. Важным является то, что цвет пламени не обязательно определяет сравнение температуры, потому что излучение черного тела - не единственное, что производит или определяет видимый цвет; следовательно, это только оценка температуры. Другими факторами, определяющими его температуру, являются:

  • Адиабатическое пламя ; т.е. без потери тепла в атмосферу (в некоторых частях может отличаться)
  • Атмосферное давление
  • Процентное содержание кислорода в атмосфере
  • Тип используемого топлива (т.е. зависит от того, как быстро происходит процесс; насколько интенсивно горение)
  • Любое окисление топлива
  • Температура атмосферы связана с температурой адиабатического пламени (т.е. тепло быстрее передается в более прохладную атмосферу)
  • Насколько стехиометрический процесс горения (стехиометрия 1: 1) при условии, что при отсутствии диссоциации будет самая высокая температура пламени; избыток воздуха / кислорода снизит его, как и недостаток воздуха / кислорода

При пожаре (особенно при пожаре в доме ) более прохладное пламя часто бывает красным и выделяет 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 и, следовательно, происходит неполное сгорание и температура пламени низкая, часто всего от 600 до 850 ° C (от 1112 до 1562 ° F). Это означает, что образуется много окиси углерода (легковоспламеняющегося газа), когда существует наибольший риск возникновения обратной тяги . Когда это происходит, горючие газы с температурой вспышки или выше.самовозгорания подвергаются воздействию кислорода, окиси углерода и перегретых углеводородов, и возникают временные температуры до 2000 ° C (3630 ° F). [ необходима цитата ]

Общие температуры [ править ]

Это приблизительное руководство по температуре пламени для различных распространенных веществ (в воздухе 20 ° C (68 ° F) при давлении 1 атм.):

Материал сгорелТемпература пламени
Уголь огонь750–1200 ° C (1,382–2,192 ° F)
Метан (природный газ)900–1 500 ° C (1,652–2,732 ° F)
Пламя горелки Бунзена900–1600 ° C (1,652–2,912 ° F) [в зависимости от воздушного клапана, открытого или закрытого].
Пламя свечи≈1 100 ° C (≈2 012 ° F) [большинство]; горячие точки могут иметь температуру 1300–1400 ° C (2372–2,552 ° F)
Пропан паяльной лампы1200–1700 ° C (2192–3 092 ° F)
Пик пламени обратного течения1,700–1,950 ° C (3,092–3,542 ° F)
Магний1 900–2 300 ° C (3 452–4 172 ° F)
Водородная горелкаДо ≈2000 ° C (≈3,632 ° F)
МАПП газ2,020 ° C (3,668 ° F)
Ацетиленовая паяльная лампа / паяльная лампаДо ≈2 300 ° C (≈4 172 ° F)
Окси ацетиленДо 3300 ° C (5972 ° F)
Материал сгорелМаксимум. температура пламени (на воздухе, диффузионное пламя) [5]
Животный жир800–900 ° C (1,472–1,652 ° F)
Керосин990 ° С (1814 ° F)
Бензин1026 ° С (1878,8 ° F)
Дерево1027 ° С (1880,6 ° F)
Метанол1200 ° C (2192 ° F)
Древесный уголь (наддув)1390 ° С (2534 ° F)

Самая высокая температура [ править ]

Дицианоацетилен , соединение углерода и азота с химической формулой C 4 N 2, горит в кислороде ярким бело-голубым пламенем при температуре 5260  K (4990 ° C; 9010 ° F) и температуре до 6000 K (5730 ° F). C; 10340 ° F) в озоне . [7] Такая высокая температура пламени частично объясняется отсутствием водорода в топливе (дицианоацетилен не является углеводородом), поэтому среди продуктов сгорания нет воды.

Цианоген , имеющий формулу (CN) 2 , при горении в кислороде дает второе по величине известное естественное пламя с температурой выше 4525 ° C (8177 ° F). [8] [9]

Холодное пламя [ править ]

Основная статья: Холодное пламя

При температурах всего 120 ° C (248 ° F) топливно-воздушные смеси могут вступать в химическую реакцию с образованием очень слабого пламени, называемого холодным пламенем. Это явление было открыто Хэмфри 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 колебания баланса химических веществ, особенно промежуточных продуктов реакции, вызывают колебания пламени с типичным изменением температуры около 100 ° C (212 ° F) или между «холодным» и полным воспламенением. Иногда вариация может привести к взрыву. [10] [11]

В условиях микрогравитации [ править ]

«Пожар в космосе» перенаправляется сюда. Для эпизода Звездного крейсера Галактика см. Пожар в космосе .
В невесомости , конвекции не несут горячие продукты сгорания от источника топлива, в результате чего сферического фронта пламени.

В 2000 году эксперименты НАСА подтвердили, что гравитация играет косвенную роль в образовании и составе пламени. [12] Обычное распространение пламени в условиях нормальной силы тяжести зависит от конвекции , поскольку сажа имеет тенденцию подниматься к вершине пламени (например, в свече в условиях нормальной силы тяжести), делая его желтым. В условиях микрогравитации или невесомости , например, на орбите , естественная конвекциябольше не возникает, и пламя становится сферическим, с тенденцией становиться синим и более эффективным. Есть несколько возможных объяснений этой разницы, наиболее вероятным из которых является гипотеза о том, что температура достаточно равномерно распределена, чтобы не образовывалась сажа и происходило полное сгорание. [13] Эксперименты НАСА показывают, что диффузионное пламя в условиях микрогравитации позволяет большему количеству сажи полностью окиситься после того, как оно образовалось, чем диффузионное пламя на Земле , из-за ряда механизмов, которые ведут себя в микрогравитации иначе, чем в условиях нормальной гравитации. [14] Эти открытия имеют потенциальное применение в прикладной науке и промышленности., особенно в отношении топливной экономичности .

Термоядерное пламя [ править ]

Пламя не обязательно должно быть вызвано только выделением химической энергии. В звездах дозвуковые фронты горения, вызванные горением легких ядер (таких как углерод или гелий) и тяжелых ядер (вплоть до группы железа), распространяются как пламя. Это важно для некоторых моделей сверхновых типа Ia . В термоядерном пламени теплопроводность преобладает над диффузией частиц, поэтому скорость и толщина пламени определяются выделением термоядерной энергии и теплопроводностью (часто в форме вырожденных электронов ). [15]

См. Также [ править ]

  • Детектор пламени
  • Международный фонд изучения пламени
  • Окислительное и редуцирующее пламя
  • Институт горения

Ссылки [ править ]

  1. ^ Закон, CK (2006). «Ламинарное пламя с предварительной смесью». Физика горения . Кембридж, Англия: Издательство Кембриджского университета. п. 300. ISBN 0-521-87052-6.
  2. ^ "Что такое огонь?" . Проверено 27 ноября 2019 года .
  3. ^ «Реакция хлора с водородом» . Архивировано из оригинального 20 -го августа 2008 года.
  4. ^ Грегори П. Смит; Дэвид М. Голден; Майкл Френклах; Найджел В. Мориарти; Борис Эйтенеер; Михаил Гольденберг; К. Томас Боуман; Рональд К. Хэнсон; Сунхо Сонг; Уильям С. Гардинер младший; Виталий В. Лисянский; Чживэй Цинь. «GRI-Mech 3.0» . Архивировано из оригинального 29 октября 2007 года . Проверено 8 ноября 2007 года .
  5. ^ a b Кристофер В. Шмидт; Стив А. Саймс (2008). Анализ сожженных человеческих останков . Академическая пресса. С. 2–4. ISBN 0-12-372510-0.
  6. ^ Юзеф Jarosiński; Бернар Вейсьер (2009). Явления горения: избранные механизмы образования, распространения и угасания пламени . CRC Press. п. 172. ISBN. 0-8493-8408-7.
  7. ^ Киршенбаум, AD; А. В. Гроссе (май 1956 г.). «Сжигание субнитрида углерода NC 4 N и химический способ получения непрерывных температур в диапазоне 5000–6000 ° K». Журнал Американского химического общества . 78 (9): 2020. DOI : 10.1021 / ja01590a075 .
  8. ^ Thomas, N .; Gaydon, AG; Брюэр, Л. (1952). «Пламя цианогена и энергия диссоциации N 2 ». Журнал химической физики . 20 (3): 369–374. Bibcode : 1952JChPh..20..369T . DOI : 10.1063 / 1.1700426 .
  9. ^ JB Conway; RH Wilson Jr .; А. В. Гроссе (1953). «ТЕМПЕРАТУРА ЦИАНОГЕН-КИСЛОРОДНОГО ПЛАМЕНИ». Журнал Американского химического общества . 75 (2): 499. DOI : 10.1021 / ja01098a517 .
  10. ^ Перлман, Ховард; Чапек, Ричард М. (24 апреля 2000 г.). «Холодное пламя и самовоспламенение в условиях микрогравитации» . НАСА . Архивировано из оригинала на 1 мая 2010 года . Проверено 13 мая 2010 года .
  11. ^ Джонс, Джон Клиффорд (сентябрь 2003 г.). «Низкотемпературное окисление». Безопасность углеводородных процессов: текст для студентов и профессионалов . Талса, ОК: PennWell. С. 32–33. ISBN 978-1-59370-004-1.
  12. ↑ Спиральное пламя в условиях микрогравитации. Архивировано 19 марта 2010 года в Wayback Machine , Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства , 2000.
  13. ↑ Candle Flame in Microgravity. Архивировано 26 октября 2011 года в Wayback Machine . НАСА
  14. ^ CH Kim et al. Эксперимент по ламинарным процессам сажи, проливающий свет на пламенное излучение. Архивировано 11 января 2014 года в Wayback Machine . НАСА , HTML , архивная копия от 20 июля 2012 года на Wayback Machine.
  15. ^ Timmes, FX; Woosley, SE (1 сентября 1992 г.). «Кондуктивное распространение ядерного пламени. I - Вырожденные белые карлики C + O и O + Ne + Mg». Астрофизический журнал . 396 : 649–667. Bibcode : 1992ApJ ... 396..649T . DOI : 10.1086 / 171746 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Пламя свечи сильно подвержено влиянию электрического поля и перемещается под действием ионов.
  • Горелка со сверхнизким уровнем выбросов и низким уровнем завихрения
  • 7 оттенков огня
  • Лицензия, Питер. «Цветное пламя» . Периодическая таблица видео . Ноттингемский университет .