в какой части пламени самая высокая температура

Пламя

Пламя – это газообразная среда, в которой происходит взаимодействие горючего и окислителя, выделяется тепло и развиваются высокие температуры.

Классификация

Пламя классифицируют по:

В ламинарном диффузионном пламени можно выделить 3 зоны (оболочки).

Внутри конуса пламени имеются:

Температура

Температура пламени зависит от природы горючего вещества и интенсивности подвода окислителя. Например:

Наиболее высокие известные температуры горения:

Так как вода обладает очень большой теплоёмкостью, отсутствие водорода в горючем исключает потери тепла на образование воды и позволяет развить большую температуру.

Скорость распространения

Распространение пламени по предварительно перемешанной среде (невозмущенной), происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к поверхности пламени. Величина такой нормальной скорости распространения пламени (далее – НСРП) является основной характеристикой горючей среды. Она представляет собой минимальную возможную скорость пламени. Значения НСРП отличаются у различных горючих смесей – от 0,03 до 15 м/с.

Распространение пламени по реально существующим газовоздушным смесям всегда осложнено внешними возмущающими воздействиями, обусловленными силами тяжести, конвективными потоками, трением и т.д. Поэтому реальные скорости распространения пламени всегда отличаются от нормальных. В зависимости от характера горения скорости распространения пламени имеют следующие диапазоны величин при:

Источник: Тидеман Б.Е., Сциборский Д.Б. Химия горения. –Л., 1935.

Источник

Что мы знаем о парафиновых свечах и температуре пламени?

Продолжаю и заканчиваю тему огня и свечей, начатую в недавних статьях. Сегодняшняя статья будет теоретической – как появились свечи, как они устроены и работают, что из себя представляет парафин, какая температура пламени свечи – все это будем разбирать сегодня.

Немного истории

Прежде, чем начать, хочу посоветовать тем, кто заинтересовался темой свечей и огня, почитать замечательную книгу английского ученого Майкла Фарадея «История свечи». Ее легко можно найти и бесплатно скачать в интернете. Именно на эту книгу я буду опираться в своем сегодняшнем рассказе об устройстве свечи и пламени.

Есть предположения, что впервые свечи появились в Древнем Египте. Материалом для них служили растительные и животные жиры, например, говяжье или баранье сало. Именно поэтому на Руси такие свечи называли сальными.

Фитили поначалу делали из щепок, затем стали использовать вымоченную сердцевину тростника. В том же Египте для изготовления фитиля использовали папирус, свернутый в трубочку и смоченный животным жиром.

Позже, уже в Средние века, фитили стали делать из туго скрученных или плетеных растительных волокон. Чтобы они лучше горели, их смачивали растворами селитры или хлористого аммония.

В настоящее время фитиль делают из хлопчатобумажных нитей, которые пропитывают растворами солей фосфорной и борной кислот. Это нужно для того, чтобы фитиль сгорал полностью, без остатка, без образования нагара или хотя бы с как можно меньшим его количеством.

Сами свечи внешне были совершенно далеки от нынешних – плошки с налитым в них жиром. Чуть позже появились и более-менее похожие на нынешние формы свечей – когда стали использовать обрезки того же тростника, бамбука или камыша. В общем, кто во что горазд. Конец этому беспределу положили древние римляне, которые догадались, как использовать свойства животного жира. Раз он очень быстро застывает, то не использовать ли его как форму, не заморачиваясь с плошками и сосудами из камыша?

Сказано – сделано. Так появились свечи, которые стали называть моканными или макаными. Для их изготовления фитиль опускали в растопленный жир и ждали, пока он застынет, покрыв фитиль тонким слоем. Затем снова опускали (макали) в растопленный жир, получая таким образом второй слой. И снова, и снова… Такая технология изготовления свечей просуществовала аж до 15-го века.

Именно в 15 веке неугомонные французы придумали использовать литые формы для свечей. Фитиль пропускали через форму конусовидной формы, заливали ее свечной массой (кроме воска, он не подходил для этого), ждали, пока застынет, после чего вытряхивали полученный продукт, в результате получалась коническая свеча, стоящая на устойчивом широком основании.

Не забываем, что до сих пор речь шла о сальных свечах. Их явным недостатком было то, что они воняли (сами знаете, какой неприятный запах издает нагретый животный жир) и нещадно чадили, покрывая все в жилище копотью.

История свечей из жира закончилась только в начале 19 века, когда французский химик Мишель Эжен Шевроль синтезировал стеарин. С его появлением закончилась эра копоти и неприятного запаха. Зато появилась проблема изготовления — технологии макания и литья не годилась из-за своей невысокой производительности.

Извечные противники французов – англичане – придумали новую технологию изготовления свечей, где свечи из формы вынимались автоматически. Благодаря этой придумке производство свечей резко увеличилось.

А когда в 1850 году был получен парафин, для огня настал настоящий праздник – все жилища осветились чистыми, непахнущими свечами. Их недостаток, правда, был в том, что парафин имеет низкую температуру плавления, и такие свечи быстро оплывали, поэтому их стали делать из смеси парафина со стеарином, получив замечательное средство для освещения жилищ.

Но это оказалось лебединой песней свечи – технологии на месте не стояли, сначала появились керосиновые лампы, а в конце 19 века – и электрические. В 1879 году Эдисон поразил мир лампой накаливания.

Чем закончилось дело, мы знаем. Электрическое освещение сейчас везде. Больше всего свечей, пожалуй, используется церковью. Также свечи остались как атрибут романтических вечеров и дань энергетикам с внезапными отключениями света.

Когда-то, года три назад, я писала небольшой рассказ, с которым участвовала в интернет-конкурсе фантастических рассказов. Я не прошла даже в отборочный тур, так как мой рассказ не вписался в условия конкурса, ну да ладно. Все равно это был лишь случайный, совершенно спонтанный всплеск моих литературных способностей, который затих также быстро, как и начался. Больше я даже и не пыталась ничего писать.

Чтобы рассказ не валялся просто так «в столе» (на жестком диске компьютера то есть), выкладываю его сюда, не пропадать же добру . Загляните, если интересно, он как раз частично связан со свечами.

Как «работает» свеча

Если у вас дома есть свечка, попробуйте, зажгите парафин, из которого она сделана. Я имею ввиду, не подожгите фитиль, а попробуйте поджечь сам парафин, то есть твердое вещество, «тело» свечи. Получилось?

А теперь подожгите фитиль. Парафин, соприкасающийся с ним, тает, образуя вокруг фитиля углубление, заполненное жидким парафином. А теперь наклоните свечку так, чтобы лужица жидкого парафина потекла и попала на фитиль. Что получилось?

Такой опыт мы проделывали с сыном, когда «играли с огнем», о чем я писала в двух предыдущих статьях. Жидкий парафин потушил огонь, как обычная вода. Почему так происходит?

Дело в том, что фитиль, как я уже писала выше, сделан из скрученных или плетеных нитей. Вот смотрите, я специально разобрала обычную магазинную свечу. В ней фитиль выполнен плетеной «косичкой».

Таким образом, площадь поверхности у фитиля достаточно большая. Расплавленный у основания фитиля жидкий парафин пропитывает фитиль и по его капиллярам поднимается вверх, в зону горения. Там температура достаточно высокая, парафин начинает испаряться, и вот как раз эти пары и горят.

Таким образом, те, кто думают, что горит фитиль, ошибаются, это горят пары парафина. Фитиль служит своеобразным транспортом, доставляющим парафин в зону горения – расплавленный от тепла парафин поднимается по капиллярам фитиля вверх и горит.

Свойства пламени

Как я уже рассказывала в одной их предыдущих статей, пламя свечи состоит из трех достаточно хорошо видимых зон разного цвета. Приведу фото, взятое мной из интернета:

Нижняя часть пламени имеет сине-фиолетовый цвет. Здесь находятся тяжелые пары парафина, которые смешаны с воздухом. Если вы внесете в эту часть спичку, то она загорится лишь спустя некоторое время, не сразу. Эта часть наименее горячая, она имеет температуру 300-350 градусов. Некоторые ловкачи даже демонстрируют залихватское тушение свечи пальцами именно в этой части пламени.

Во второй части температура пламени достигает 500-800 градусов. Здесь самое яркое пламя из-за того, что именно здесь происходит разложение углеводородов, образующиеся частицы чистого угля сильно накаляются и излучают свет. Именно из-за этого образующегося угля свеча иногда может коптить – если он сгорает не полностью по каким-то причинам. Например, мало кислорода или фитиль сделан из неподходящего материала. Тогда углерод и выпадает в виде сажи – копоти.

Самая горячая часть – верхняя. Если помните, на уроках химии в школе учитель наверняка говорил вам во время практических и лабораторных работ, что пробирку нужно нагревать в верхней части пламени, так она быстрее нагреется. Здесь температура 900-1500 градусов. В этой внешней части пламени полностью сгорают углеводороды с образованием углекислого газа и воды. Это пламя практически не видно, оно почти не светится.

Почему такой разброс температур, например 900-1500 градусов? Это зависит от природы сгорающего вещества, а также концентрации и скорости подвода к нему окислителя, например, кислорода воздуха или же чистого кислорода (например, в лабораторных условиях).

Не путаем!

Не будем путать воск, стеарин и парафин. Это три разных вещества.

Воск состоит из сложных эфиров жирных кислот растительного и животного происхождения.

Стеарин – это воскоподобная смесь пальмитиновой и стеариновой кислот (иногда еще есть олеиновая), содержащая примеси некоторых других насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. Стеарин жирный на ощупь (отсюда и произошло название – от греческого слова stear – сало, жир), белого или желтоватого цвета, плавится при температуре 50-65 градусов.

Парафин – смесь насыщенных углеводородов, также имеет воскоподобную консистенцию, бесцветный. Он легче воды, плавится в интервале температур 45-65 градусов.

Получают его, в основном, при переработке нефти. При комнатной температуре он химически инертен, а при высокой температуре сгорает с образованием углекислого газа и воды.

Именно из него в настоящее время готовят свечи в промышленном масштабе. Если же вы хотите сделать свечу самостоятельно, то можете найти и купить для этого в разных интернет-магазинах и воск, и стеарин, и парафин. В общем, все, что пожелаете.

О том, как сделать свечу своими руками, я сейчас рассказывать не буду. Возможно, чуть позже напишу об этом отдельную статью.

Еще немного похимичим

Какие еще эксперименты можно провести с обычной парафиновой свечкой?

Задуйте ее. Смотрите, от фитиля идет шлейф дыма с достаточно сильным запахом. Попробуйте быстро поджечь эту дымящуюся ленту. Вы увидите, как пламя побежит по ней к фитилю, и тот снова загорится.

Так происходит потому, что вот этот белый шлейф, идущий от задутой свечи, это пары парафина, которые не успели сгореть.

Вот и все на сегодня. Надеюсь, эта статья была интересна для вас.

А я немного похвастаюсь: недавно участвовала в конкурсе по вязанию домашних тапочек на блоге Ольги Смирновой и совершенно неожиданно получила приз за свой небольшой мастер-класс по вязанию тапочек-следков. Было очень приятно

Удачи! До встречи в следующей статье!

Источник

И это ОГОНЬ

Когда люди говорят об огне, они представляют простую светящуюся капельку тепла. А что если посмотреть глубже, наконец, разобраться что же это за теплая капля, почему светится, да еще и разными цветами, в общем, понять огонь.

На самом деле это очень просто. Огонь – это совокупность раскаленных газов, которые выделяются в результате горения. В свою очередь горение – это процесс превращения веществ в продукты сгорания, сопровождающийся интенсивным выделением тепла.

Итак, разобрались, что огонь – это раскаленные газы, но почему мы их видим? А это как раз потому, что газы раскалены до определенной температуры, при которой они начинают светиться. Если разобрать все по полочкам, то высокая температура пламени дает возможность атомам перескакивать на некоторое время в более высокое энергетическое состояние. Когда атомы возвращаются в исходное состояние, они излучают свет с определённой длиной волны, по-разному воспринимаемую нашим зрением, отсюда и разный цветовой спектр свечения. Конечно же, цвет пламени определяется главным образом не различной температурой горения вещества, а именно самим веществом. Самые известные цвета – это голубой и желто-оранжевый, как раз те цвета, которые мы встречаем всегда и везде. Голубой огонек дает при горении природный газ, а желто-оранжевый – соли натрия, которыми богата древесина, поэтому старый добрый лесной костер дает именно такой цвет. Существуют и другие цвета, вспомните например пламя из выхлопной трубы крутых гоночных машин: малиновый, ярко-зеленый, фиолетовый, розово-фиолетовый, а это горят металлы, входящие в соединение с горящим веществом. Малиновый цвет дает горение лития, ярко-зеленый – медь, фиолетовый – калий, розово-фиолетовый – цезий.

В разном цвете может показать себя огонь, но увы его нельзя потрогать, ведь газы раскалены, а обычный огонь газовой горелки имеет температуру 15600C в самой горячей точке, а именно где-то в середине, чуть ниже ¼ части пламени. Как есть самая горячая точка, так есть и самая холодная, внизу пламени, температура которой 3500C.

Температура в центре пламени газовой горелки – это не самая высокая температура огня, которая существует, в пламени метана на воздухе она 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 С4N2, а по некоторым сведениям, при горении его в атмосфере озона температура может доходить до 5700°C. С другой стороны, известно и так называемое холодное пламя. Сравнительно холодное пламя получается при окислении в определенных условиях сероуглерода и легких углеводородов; например, пропан дает холодное пламя при пониженном давлении и температуре от 260–320°C.

Огонь – это конечно хорошо, красиво и тепло, но он имеет свойство к самораспространению по затронутым им другим горючим материалам. Поэтому надо знать, как от него избавиться. Понятно, для того чтобы горение образовалось, должны быть соблюдены условия горения – это: горючее вещество, окислитель (кислород) и источник зажигания. Исходя из этого, потушить огонь можно тремя способами. В первом случае избавиться от топлива. Во втором – прекратить доступ воздуха, то есть кислорода. Третий способ – это когда ликвидируется жар, температура снижается ниже температуры горения, огонь затухает.

Таким образом, вода гасит горящие материалы, охлаждая их до температуры ниже точки горения, пена изолирует очаги огня от кислорода, газ вытесняет воздух, лишая огонь поддерживающего горение кислорода (как и порошок, который при нагревании выделяет негорючие газы).

Ну и в конце стоит разобраться с тем, почему огонь выглядит как капля и горит вверх. Такую форму и направление придают огню гравитация и конвекция. Сгораемый газ легче основной материи, он выталкивается вверх, как и нагретый воздух, тоже стремящийся подняться все выше, забирая с собой огонь. Но если такое пламя получается из-за гравитации, то что будет если гравитация отсутствует как в космосе. Ученые столкнулись со странным явлением. В условиях микрогравитации, пламя горит по-другому, оно образует маленькие шарики. Это явление было ожидаемым, поскольку в отличие от пламени на Земле, в невесомости кислород и топливо встречаются в тонком слое на поверхности сферы. Это простая схема, которая отличается от земного огня. Тем не менее, обнаружилась странность: ученые наблюдали продолжение горения огненных шариков даже после того, как по всем расчетам горение должно было прекратиться. При этом огонь перешел в так называемую холодную фазу – он горел очень слабо, настолько, что пламя невозможно было увидеть. Тем не менее, это было горение, и пламя могло мгновенно вспыхнуть с большой силой при контакте с топливом и кислородом.

Похожие типы холодного пламени в лабораториях воспроизводились и на Земле, но в условиях гравитации сам по себе такой огонь неустойчив и всегда быстро затухает. На МКС, однако, холодное пламя может устойчиво гореть несколько минут. Это не очень приятное открытие, так как холодный огонь предоставляет собой повышенную опасность: он легче зажигается, в том числе самопроизвольно, его сложнее обнаружить и, к тому же, он выделяет больше токсичных веществ.

Если ты прочел этот большой и оооооочень интересный текст, ставь лайк)))

Источник

Где самая горячая часть пламени

Люди с незапамятных времен покланялись и будут поклонятся огню в самых разных его ипостасях. На минутку задумайтесь пламя свечи отличается от пламя костра только размером и температурой! Во всем остальном их суть и строение одинаково. Всмотритесь внимательно в пламя свечи и Вы увидите строго определенные зоны пламени. Визуально их выделяют три. Разные зоны окрашены по разному и идентичны от свечи к свече в любом уголке мира в независимости от используемого свечного материала*. Без сомнения такое строение имеет сакральный смысл!

В этой статье мы кратко и просто расскажем о известных физических свойствах пламени свечи, данная информация будет особенно полезна тем, кто хочет стать настоящих профессионалом в изготовлении свечей (см. статью ошибки в горении фитиля).

*Примечание: обычные условия, а не лабораторные условия.

С химической точки зрение горение выглядит так:

В процессе горения происходит расщепление сложных углеводородов (парафин, стеарин, воск и т.д) под действием кислорода до углекислого газа и воды. Процесс горения происходит непрерывно за счет подъема (как в капилляре) по фитилю расплавленного свечного материала с последующим его сжиганием.

Примечание: Пламя – светящаяся зона образующаяся при горении.

Пламя свечи разделено на различные светящиеся и температурные области, которые легко видны невооруженным глазом:

1 – свеча

2 – фитиль, изогнутый к краю пламени со светящимся кончиком

3 – синяя зона горения:

4 – «темная» зона горения:

5 – основная зона реакции (сжигания):

6 – светящаяся зона

Температура пламени свечи (красным выделена самая горячая область)

Примечание: считается, что самое горячее пламя на кончике свечи, это не совсем так. Самая горячая часть пламени в основной зоне реакции или чуть ниже.

Пламя — это явление, которое вызвано свечением газообразной раскалённой среды. В некоторых случаях оно содержит твёрдые диспергированные вещества и (или) плазму, в которых происходят превращения реагентов физико-химического характера. Именно они и приводят к саморазогреву, тепловыделению и свечению. В газообразной среде пламени содержатся заряженные частицы — радикалы и ионы. Это объясняет существование электропроводности пламени и его взаимодействие с электромагнитными полями. На таком принципе построены приборы, которые могут приглушить огонь, изменить его форму или оторвать его от горючих материалов при помощи электромагнитного излучения.

Виды пламени

Свечение огня делится на два вида:

Почти каждое свечение видимо для человеческого глаза, но не каждое способно испускать нужное количество светового потока.

Свечение пламени обуславливается следующими факторами.

Наиболее общая причина свечения — это присутствие в пламени твёрдого вещества.

Температура пламени

Для разных горючих паров и газов температура пламени неодинакова. А ещё неодинакова температура разных частей пламени, а область полного сгорания имеет более высокие показатели температуры.

Некоторое количество горючего вещества при сжигании выделяет определённое количество теплоты. Если строение вещества известно, то можно рассчитать объём и состав полученных продуктов горения. А если знать удельную теплоту этих веществ, то можно рассчитать ту максимальную температуру, которую достигнет пламя.

Стоит помнить о том, что если вещество горит в воздухе, то на каждый объём вступающего в реакцию кислорода приходится четыре объёма инертного азота. А так как в пламени присутствует азот, он нагревается теплотой, которая выделяется при реакции. Исходя из этого можно сделать вывод о том, что температура пламени будет состоять из температуры продуктов горения и азота.

Невозможно точно определить температуру, но можно это сделать приблизительно, так как удельная теплота изменяется с температурой.

Вот некоторые показатели по температуре открытого огня в разных материалах.

Пламя свечи

Пламя, которое каждый человек может наблюдать при горении свечи, спички или зажигалки, представляет из себя поток раскалённых газов, которые вытягиваются вертикально вверх, благодаря силе Архимеда. Фитиль свечи вначале нагревается и начинает испаряться парафин. Для самой нижней части характерно небольшое свечение синего цвета — там мало кислорода и много топлива. Именно из-за этого топливо не полностью сгорает и образуется оксид углерода, который при окислении на самом крае конуса пламени ему придаёт синий цвет.

За счёт диффузии в центр поступает немного больше кислорода. Там происходит последующее окисление топлива и температурный показатель растёт. Но для полного сгорания топлива этого недостаточно. Внизу и в центре содержатся частицы угля и несгоревшие капельки. Они светятся из-за сильного нагревания. А вот испарившееся топливо, а также продукты сгорания, вода и углекислый газ практически не светятся. В самом верху наибольшая концентрация кислорода. Там не догоревшие частицы, которые в центре светились, догорают. Именно по этой причине эта зона практически не светится, хотя там наиболее высокий температурный показатель.

Классификация пламени

Классифицируют свечение огня следующим образом.

В диффузном ламинарном пламени выделяют три оболочки (зоны). Внутри конуса пламени существует:

Температурный параметр пламени зависит от интенсивности подвода окислителя и природы горючего вещества. Пламя распространяется по предварительно перемешанной среде. Происходит распространение по нормали от каждой точки фронта к поверхности пламени.

По реально существующим смесям газовоздушным распространение всегда осложнено возмущающими внешними воздействиями, которые обусловлены трением, конвективными потоками, силами тяжести и прочими факторами.

Именно из-за этого реальная скорость распространения от нормальной всегда отличается. В зависимости от того, какой характер носит скорость распространения, различают такие диапазоны:

Пламя окислительное

Оно располагается в самой верхней части огня, которая имеет наибольший температурный показатель. В этой зоне горючие вещества почти полностью превращены в продукты горения. Здесь наблюдается недостаток топлива и избыток кислорода. Именно по этой причине вещества, которые помещены в эту зону, окисляются интенсивно.

Пламя восстановительное

Эта часть наиболее близка к центру или находится чуть ниже его. Здесь мало кислорода для горения и много топлива. Если в эту область внести вещество, в котором имеется кислород, то он отнимется у вещества.

Температура огня в зажигалке

Зажигалка — это устройство портативное, которое предназначено для получения огня. Она может быть бензиново или газовой, в зависимости от применяемого топлива. Ещё существуют зажигалки, в которых собственного топлива нет. Они предназначаются для поджига газовой плиты. Качественная турбозажигалка — это прибор относительно сложный. Температура огня в ней может достигать 1300 градусов.

Химический состав и цвет пламени

У карманных зажигалок небольшой размер, это позволяет их переносить без каких-либо проблем. Довольно редко можно встретить настольную зажигалку. Ведь они из-за своих больших размеров для переноски не предназначены. Их дизайн разнообразен. Есть зажигалки каминные. Они имеют небольшую толщину и ширину, но довольно длинные.

На сегодняшний день становятся популярными рекламные зажигалки. Если в доме нет электроэнергии, то невозможно ей поджечь газовую плиту. Газ поджигает образующаяся электрическая дуга. Достоинствами этих зажигалок являются следующие качества.

Первая зажигалка с современным кремнём создана в Австрии в 1903 году после изобретения ферроцериевого сплава бароном Карлом Ауэром фон Вельсбахом.

Ускорилось развитие зажигалок в период Первой мировой войны. Солдаты начали применять спички для того, чтобы видеть в темноте дорогу, но их местоположение выдавала интенсивная вспышка при поджиге. Необходимость в огне без значительной вспышки способствовало развитию зажигалок.

В то время лидерами производства зажигалок «кремнёвых» были Германия и Австрия. Такое портативное устройство, которое предназначено для получения огня, находящиеся в кармане многих курильщиков, при неправильном обращении может таить в себе немало опасностей.

Зажигалка в период работы не должна вокруг себя разбрызгивать искры. Огонь должен быть стабильным и ровным. Температура огня в зажигалках карманных достигает примерно 800−1000 градусов. Свечение красного или оранжевого цвета вызвано частицами углерода, которые раскалились. Для бытовых горелок и турбозажигалок применяется в основном газ бутан, который легко сжигается, не имеет запаха и цвета. Бутан получают путём переработки при высоких температурах нефти, а также её фракций. Бутан — это легковоспламенимые углеводороды, но он абсолютно безопасен в конструкциях современных зажигалок.

Подобные зажигалки в быту очень полезны. Ими можно поджечь любой воспламеняющийся материал. В комплект турбозажигалок входит настольная подставка. Цвет пламени зависит от горючего материала и температуры горения. Пламя костра или камина в основном имеет пёстрый вид. Температура горения дерева ниже температуры горения фитиля свечи. Именно из-за этого цвет костра не жёлтый, а оранжевый.

Медь, натрий и кальций при высоких температурных показателях светятся различными цветами.

Электрическая зажигалка была изобретена в 1770 году. В ней водородная струя воспламенялась от искры машины электрофорной. Со временем бензиновые зажигалки уступили место газовым, которые более удобные. В них обязательно должна находиться батарейка — источник энергии.

Не очень давно появились зажигалки сенсорные, в которых без механического воздействия происходит зажигание газа воздействием на сенсорный датчик. Сенсорные зажигалки карманного типа. В основном, в них содержится информация рекламного типа, которая нанесена при помощи тампонной или шелкотрафаретной печати.

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.

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 KClO₃); это вещество легко отдает кислород. Сильный окислитель — азотная кислота HNO₃: 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 N₂O₄ — 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 H₂ + Cl₂ = 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 + H₂ → HCl + H,
H + Cl₂ → 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 → Cl₂. Каждая цепь распространяется очень быстро, поэтому, если генерировать «первоначальные» активные частицы с высокой скоростью, реакция пойдет так быстро, что может привести к взрыву.

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 + О₂ = О₃, 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 С₄N₂ (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 2С₈Н₁₈ + 25О₂ = 16СО₂ + 18Н₂О. 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 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О происходит более 20 элементарных реакций с участием молекул О₂, Н₂, О₃, Н₂О₂, Н₂О, активных частиц Н, О, ОН, НО₂. 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 С₈Н₁₈ → С₂Н₅ + С₆Н₁₃. 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 С₂Н₂ + О → СН₂ + СО, СН₂ + О₂ → СО₂ + Н + Н.

Постепенная потеря водорода исходными молекулами приводит к увеличению в них доли углерода, пока не образуются частицы С₂Н₂, С₂Н, С₂. Зона сине-голубого пламени обусловлена свечением в этой зоне возбужденных частиц С₂ и СН. Если доступ кислорода в зону горения ограничен, то эти частицы не окисляются, а собираются в агрегаты — полимеризуются по схеме С₂Н + С₂Н₂ → С₄Н₂ + Н, С₂Н + С₄Н₂ → С₆Н₂ + Н и т. д.

Источник