Płomień - Flame

Płomienie węgla drzewnego

Płomień (łac Flamma ) jest widoczne, część gazową z ogniem . Jest to spowodowane silnie egzotermiczną reakcją chemiczną zachodzącą w cienkiej strefie. Bardzo gorące płomienie są na tyle gorące, że zawierają zjonizowane składniki gazowe o wystarczającej gęstości, aby można je było uznać za plazmę .

Mechanizm

Strefy w płomieniu świecy

Barwa i temperatura płomienia zależą od rodzaju paliwa biorącego udział w spalaniu, np. gdy zapalniczka jest trzymana przy świecy. Zastosowane ciepło powoduje odparowanie cząsteczek paliwa w wosku świecy (jeśli ten proces zachodzi w atmosferze obojętnej bez utleniacza , nazywa się to pirolizą ). W tym stanie mogą wtedy łatwo reagować z tlenem w powietrzu, który wydziela wystarczającą ilość ciepła w późniejszej reakcji egzotermicznej, aby odparować jeszcze więcej paliwa, utrzymując w ten sposób stały płomień. Wysoka temperatura płomienia powoduje rozkład cząsteczek odparowanego paliwa , tworząc różne produkty niecałkowitego spalania i wolne rodniki , które następnie reagują ze sobą oraz z utleniaczem biorącym udział w reakcji kolejnego płomienia (pożaru). Można zbadać wszystkie części płomienia świecy za pomocą zimnej metalowej łyżki: Wyższe części to para wodna, końcowy rezultat spalania; żółte części w środku to sadza; tuż obok knota świecy leży niespalony wosk. Złotnicy używają wyższych części płomienia z metalową dmuchawą do topienia złota i srebra. Wystarczająca energia w płomieniu wzbudzi elektrony w niektórych przejściowych produktach pośrednich reakcji, takich jak rodnik metylidynowy (CH) i węgiel dwuatomowy (C 2 ), co skutkuje emisją światła widzialnego, gdy te substancje uwalniają nadmiar energii (patrz widmo poniżej dla wyjaśnienia, które konkretne rodniki wytwarzają konkretne kolory). Wraz ze wzrostem temperatury spalania płomienia (jeśli płomień zawiera małe cząstki niespalonego węgla lub innego materiału), rośnie również średnia energia promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez płomień (patrz Ciało czarne ).

Do wytworzenia płomienia można użyć innych utleniaczy oprócz tlenu. Spalanie wodoru w chlorze wytwarza płomień, aw procesie tym jako produkt spalania wydziela się gazowy chlorowodór (HCl). Inną z wielu możliwych kombinacji chemicznych jest hydrazyna i czterotlenek azotu, który jest hipergoliczny i powszechnie stosowany w silnikach rakietowych. Fluoropolimery można stosować do dostarczania fluoru jako utleniacza paliw metalicznych, np. w kompozycji magnez/teflon/witon .

W kinetyka chemiczne zachodzące w płomieniu są bardzo skomplikowane i zwykle obejmuje wiele reakcji chemicznych i związków pośrednich, z których większość grup . Na przykład, dobrze znany schemat kinetyki chemicznej, GRI-Mech, wykorzystuje 53 rodzaje i 325 reakcji elementarnych do opisania spalania biogazu .

Istnieją różne metody rozprowadzania wymaganych składników spalania do płomienia. W płomieniu dyfuzyjnym tlen i paliwo przenikają do siebie; płomień pojawia się tam, gdzie się spotykają. We wstępnie zmieszanym płomieniu tlen i paliwo są wcześniej mieszane, co skutkuje innym rodzajem płomienia. Płomień świecy (płomień dyfuzyjny) działa poprzez parowanie paliwa, które unosi się w laminarnym strumieniu gorącego gazu, który następnie miesza się z otaczającym tlenem i spala się.

Kolor

Widmo niebieskiego (wstępnie zmieszanego, tj. całkowitego spalania) płomienia z palnika butanowego, pokazujące pasmo emisji rodników molekularnych i pasma łabędzia . Należy zauważyć, że praktycznie całe wytwarzane światło znajduje się w zakresie od niebieskiego do zielonego widma poniżej około 565 nanometrów, co odpowiada niebieskawej barwie bezsadowych płomieni węglowodorowych.

Kolor płomienia zależy od kilku czynników, z których najważniejszymi są zazwyczaj promieniowanie ciała doskonale czarnego i emisja pasma widmowego , przy czym zarówno emisja linii widmowych, jak i absorpcja linii widmowych odgrywają mniejszą rolę. W najbardziej powszechnym rodzaju płomienia, płomieniach węglowodorowych , najważniejszym czynnikiem determinującym kolor jest dopływ tlenu i stopień wstępnego mieszania paliwa z tlenem, który określa szybkość spalania, a tym samym temperaturę i ścieżki reakcji, dzięki czemu uzyskuje się różne odcienie kolorów .

Różne rodzaje płomienia palnika Bunsena zależą od dopływu tlenu. Po lewej stronie bogate paliwo bez wstępnie zmieszanego tlenu wytwarza żółty, sadzy płomień dyfuzyjny; po prawej stronie płomień z ubogą mieszanką tlenu nie wytwarza sadzy, a kolor płomienia jest wytwarzany przez rodniki molekularne, zwłaszcza w pasmach CH i C2 .

W laboratorium, w normalnych warunkach grawitacyjnych i przy zamkniętym wlocie powietrza, palnik Bunsena pali się żółtym płomieniem (zwanym również płomieniem bezpieczeństwa) o szczytowej temperaturze około 2000 K (3100 °F). Żółty powstaje w wyniku żarzenia się bardzo drobnych cząstek sadzy, które powstają w płomieniu. Kiedy wlot powietrza jest otwarty, powstaje mniej sadzy. Gdy dostarczona zostanie wystarczająca ilość powietrza, sadza nie jest wytwarzana, a płomień staje się niebieski. (Większość tego niebieskiego była wcześniej zasłonięta przez jasnożółte emisje.) Widmo wstępnie zmieszanego (całkowitego spalania) płomienia butanowego po prawej stronie pokazuje, że niebieski kolor powstaje w szczególności z powodu emisji wzbudzonych rodników molekularnych w płomieniu, które emitują większość ich światła znacznie poniżej ~565 nanometrów w niebieskich i zielonych obszarach widma widzialnego.

Zimniejsza część płomienia dyfuzyjnego (niecałkowitego spalania) będzie czerwona, przechodząc w barwę pomarańczową, żółtą i białą w miarę wzrostu temperatury, o czym świadczą zmiany widma promieniowania ciała doskonale czarnego. Dla danego obszaru płomienia, im bliżej bieli na tej skali, tym gorętsza jest ta część płomienia. Przejścia są często widoczne w pożarach, w których kolor emitowany najbliżej paliwa jest biały, z pomarańczową częścią nad nim, a czerwonawe płomienie są najwyższe ze wszystkich. Niebieski płomień pojawia się tylko wtedy, gdy zmniejsza się ilość sadzy, a niebieska emisja z wzbudzonych rodników molekularnych staje się dominująca, chociaż niebieski kolor często można zobaczyć w pobliżu podstawy świec, gdzie sadza unosząca się w powietrzu jest mniej skoncentrowana.

Płomieniowi można nadać określone kolory, wprowadzając pobudliwe gatunki z jasnymi liniami widma emisji . W chemii analitycznej efekt ten jest wykorzystywany w testach płomieniowych do oznaczania obecności niektórych jonów metali. W pirotechnicznych , że pirotechniczne barwniki stosuje się do wytwarzania kolorowych fajerwerki.

Temperatura

Próba płomieniowa dla sodu . Należy zauważyć, że żółty kolor w tym płomieniu gazowym nie wynika z emisji cząstek sadzy przez ciało doskonale czarne (ponieważ płomień jest wyraźnie niebieskim, wstępnie zmieszanym płomieniem całkowitego spalania), ale zamiast tego pochodzi z linii widmowej emisji atomów sodu, w szczególności z bardzo intensywnej linie D sodu.

Patrząc na temperaturę płomienia, istnieje wiele czynników, które mogą się zmienić lub zastosować. Ważnym jest to, że kolor płomienia niekoniecznie determinuje porównanie temperatury, ponieważ promieniowanie ciała doskonale czarnego nie jest jedyną rzeczą, która wytwarza lub determinuje widziany kolor; dlatego jest to tylko oszacowanie temperatury. Inne czynniki, które determinują jego temperaturę to:

  • Płomień adiabatyczny ; czyli brak strat ciepła do atmosfery (może różnić się w niektórych częściach)
  • Ciśnienie atmosferyczne
  • Procentowa zawartość tlenu w atmosferze
  • Rodzaj stosowanego paliwa (tj. zależy od tego, jak szybko zachodzi proces; jak gwałtowne jest spalanie)
  • Wszelkie utlenianie paliwa
  • Temperatura atmosfery jest powiązana z adiabatyczną temperaturą płomienia (tj. ciepło szybciej przeniesie się do chłodniejszej atmosfery)
  • Jak stechiometryczny jest proces spalania (stechiometria 1:1) przy założeniu, że brak dysocjacji będzie miał najwyższą temperaturę płomienia; nadmiar powietrza/tlenu obniży go, podobnie jak brak powietrza/tlenu

W przypadku pożarów (szczególnie pożarów domów) chłodniejsze płomienie są często czerwone i wytwarzają najwięcej dymu. Tutaj kolor czerwony w porównaniu z typowym żółtym kolorem płomieni sugeruje, że temperatura jest niższa. Dzieje się tak, ponieważ w pomieszczeniu brakuje tlenu, a co za tym idzie spalanie jest niecałkowite, a temperatura płomienia jest niska, często tylko 600 do 850 °C (1112 do 1562 °F). Oznacza to, że powstaje dużo tlenku węgla (który jest gazem palnym) i wtedy występuje największe ryzyko backdraftu . Gdy to nastąpi, gazy palne w punkcie zapłonu samozapłonu lub powyżej tego punktu są wystawione na działanie tlenu, tlenku węgla i przegrzanych węglowodorów i mogą wystąpić chwilowe temperatury do 2000 °C (3630 °F).

Wspólne temperatury

Jest to przybliżony przewodnik po temperaturach płomienia dla różnych popularnych substancji (w powietrzu o temperaturze 20°C (68°F) przy ciśnieniu 1 atm.):

Spalony materiał Temperatura płomienia
Butan ~300 °C (~600 °F) [ chłodny płomień przy niskiej grawitacji)
Ogień na węgiel drzewny 750-1200 °C (1382-2192 °F)
Metan (gaz ziemny) 900–1500 °C (1652–2732 °F)
Płomień palnika Bunsena 900-1600 °C (1652-2912 °F) [w zależności od zaworu powietrza, otwórz lub zamknij.]
Płomień świecy ≈1100°C (≈2.012°F) [większość]; gorące punkty mogą mieć temperaturę 1300–1400 °C (2372–2552 °F)
Lampa lutownicza na propan 1200-1700 °C (2192-3092 °F)
Szczyt płomienia backdraft 1700–1950 °C (3092–3542 °F)
Magnez 1900-2300 ° C (3452-4172 ° F)
Pochodnia wodorowa Do ≈2000 °C (≈3632 °F)
Gaz MAPP 2.020 °C (3668 °F)
Lampa lutownicza / palnik acetylenowy Do ≈2300 °C (≈4172 °F)
Oksyacetylen Do 3300 °C (5972 °F)
Spalony materiał Maks. temperatura płomienia (w powietrzu, płomień dyfuzyjny)
Tłuszcz zwierzęcy 800–900 °C (1472–1652 °F)
Nafta oczyszczona 990°C (1814°F)
Benzyna 1026 °C (1878,8 °F)
Drewno 1027 °C (1880,6 °F)
Metanol 1200 °C (2192 °F)
Węgiel drzewny (wymuszony ciąg) 1390 ° C (2534 ° F)

Najwyższa temperatura

Dicyjanoacetylen , związek węgla i azotu o wzorze chemicznym C 4 N 2 spala się w tlenie z jasnym niebiesko-białym płomieniem w temperaturze  5260 K (4990 °C; 9010°F) i do 6000 K (5730 ° C; 10 340°F) w ozonie . Ta wysoka temperatura płomienia jest częściowo spowodowana brakiem wodoru w paliwie (dicyjanoacetylen nie jest węglowodorem), a zatem w produktach spalania nie ma wody.

Cyjan , o wzorze (CN) 2 , wytwarza drugi najgorętszy znany naturalny płomień o temperaturze ponad 4525 °C (8177 °F), gdy pali się w tlenie.

Fajne płomienie

W temperaturach tak niskich jak 120°C (248°F) mieszanki paliwowo-powietrzne mogą reagować chemicznie i wytwarzać bardzo słabe płomienie zwane zimnymi płomieniami. Zjawisko to odkrył Humphry Davy w 1817 roku. Proces ten zależy od dokładnej równowagi temperatury i stężenia reagującej mieszaniny, a jeśli warunki są odpowiednie, może się zainicjować bez zewnętrznego źródła zapłonu. Cykliczne zmiany w bilansie chemikaliów, zwłaszcza produktów pośrednich w reakcji, powodują oscylacje płomienia z typową zmianą temperatury około 100 °C (212 °F) lub między „zimnym” a pełnym zapłonem. Czasami zmiana może doprowadzić do eksplozji.

W mikrograwitacji

W stanie zero-G konwekcja nie przenosi gorących produktów spalania z dala od źródła paliwa, co skutkuje kulistym frontem płomienia.

W 2000 roku eksperymenty przeprowadzone przez NASA potwierdziły, że grawitacja odgrywa pośrednią rolę w tworzeniu i składzie płomieni. Powszechny rozkład płomienia w normalnych warunkach grawitacyjnych zależy od konwekcji , ponieważ sadza ma tendencję do unoszenia się do szczytu płomienia (tak jak w świecy w normalnych warunkach grawitacyjnych), powodując jej żółknięcie. W warunkach mikrograwitacji lub zerowej grawitacji , takich jak orbita, naturalna konwekcja już nie występuje, a płomień staje się kulisty, z tendencją do stawania się bardziej niebieski i bardziej wydajny. Istnieje kilka możliwych wyjaśnień tej różnicy, z których najbardziej prawdopodobnym jest hipoteza, że ​​temperatura jest wystarczająco równomiernie rozłożona, aby nie tworzyła się sadza i zachodzi całkowite spalanie. Eksperymenty przeprowadzone przez NASA pokazują, że płomienie dyfuzyjne w mikrograwitacji pozwalają na całkowite utlenienie większej ilości sadzy po ich wytworzeniu niż płomienie dyfuzyjne na Ziemi, ze względu na szereg mechanizmów, które zachowują się inaczej w mikrograwitacji w porównaniu z normalnymi warunkami grawitacji. Odkrycia te mają potencjalne zastosowania w nauce stosowanej i przemyśle prywatnym, zwłaszcza w zakresie efektywności paliwowej.

Płomienie termojądrowe

Płomienie nie muszą być napędzane jedynie przez uwalnianie energii chemicznej. W gwiazdach poddźwiękowe fronty płonące napędzane przez płonące lekkie jądra (takie jak węgiel lub hel) do ciężkich jąder (do grupy żelaza) rozchodzą się w postaci płomieni. Jest to ważne w niektórych modelach supernowych typu Ia . W płomieniach termojądrowych przewodnictwo cieplne dominuje nad dyfuzją gatunków, więc prędkość i grubość płomienia jest determinowana przez uwalnianie energii termojądrowej i przewodność cieplną (często w postaci zdegenerowanych elektronów ).

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki