Войти
Пламя древесного угля A пламя (от латинского flamma ) - видимое, газообразное часть пожара. Это вызвано сильно экзотермической реакцией, протекающей в тонкой зоне. Очень горячее пламя достаточно горячее для ионизированных газообразных компонентов достаточной плотности, чтобы их можно было считать плазмой..
Зоны пламени свечи Цвет и температура пламени зависят от типа топлива, участвующего в сгорании, как, например, когда зажигалка удерживается на свече. Под действием тепла молекулы топлива в воске свечи испаряются (если этот процесс происходит в инертной атмосфере без окислителя, это называется пиролиз ). В этом состоянии они могут легко реагировать с кислородом в воздухе, который выделяет достаточно тепла в последующей экзотермической реакции для испарения еще большего количества топлива, таким образом поддерживая постоянное пламя. Высокая температура пламени заставляет молекулы испаренного топлива разлагаться с образованием различных продуктов неполного сгорания и свободных радикалов, и эти продукты затем вступают в реакцию друг с другом и с окислителем участвует в реакции. Можно исследовать все различные части пламени свечи с помощью холодной металлической ложки: более высокие части - это водяной пар, конечный результат горения; Желтые части посередине - сажа ; Рядом с фитилем свечи лежит несгоревший воск. Достаточная энергия в пламени возбудит электроны в некоторых промежуточных промежуточных продуктах реакции, таких как метилидиновый радикал (CH) и двухатомный углерод (C2), что приводит к испусканию видимого света, поскольку эти вещества выделяют свою избыточную энергию (см. Спектр ниже для объяснения того, какие конкретные радикальные частицы производят какие конкретные цвета). По мере увеличения температуры горения пламени (если пламя содержит мелкие частицы несгоревшего углерода или другого материала), увеличивается и средняя энергия 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 выделяется газообразный хлористый водород (HCl) в качестве продукта сгорания. Другим из многих возможных химических сочетаний является гидразин и тетроксид азота, который является гиперголичным и обычно используется в ракетных двигателях. Фторполимеры могут использоваться для подачи фтора в качестве окислителя металлического топлива, например в композиции магний / тефлон / витон.
химическая кинетика, происходящая в пламени, очень сложна и обычно включает большое количество химических реакций и промежуточных соединений, большинство из которых радикалы. Например, хорошо известная схема химической кинетики GRI-Mech использует 53 вида и 325 элементарных реакций для описания горения биогаза..
Существуют различные методы распределения требуемых компонентов горения до пламени. В диффузионном пламени кислород и топливо диффундируют друг в друга; пламя возникает там, где они встречаются. В предварительно смешанном пламени кислород и топливо предварительно смешиваются, 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.
Спектр синего (предварительно перемешанного, т.е. полного сгорания) пламени горелки с бутаном , демонстрирующий полосу излучения молекулярного радикала и полосы Лебедя. Обратите внимание, что практически весь излучаемый свет находится в синей и зеленой области спектра ниже примерно 565 нанометров, что объясняет голубоватый цвет углеводородного пламени без сажи. 
Различные типы пламени горелки Бунзена зависят от подача кислорода. Слева богатое топливо без предварительной смеси кислорода дает желтое сажистое диффузионное пламя; справа бедное пламя, полностью смешанное с кислородом, не образует сажи, а цвет пламени создается молекулярными радикалами, особенно CH и C2 полосы излучения.Цвет пламени зависит от нескольких факторов, наиболее важным из которых обычно является черный излучение тела и излучение в спектральной полосе, причем меньшую роль играют как излучение спектральной линии, так и поглощение спектральной линии. В наиболее распространенном типе пламени, углеводородное пламя, наиболее важным фактором, определяющим цвет, является подача кислорода и степень предварительного смешивания топлива с кислородом, которая определяет скорость горения и таким образом, температура и пути реакции, тем самым создавая разные цветовые оттенки.
В лаборатории в условиях нормальной гравитации и с закрытым воздухозаборником горелка Бунзена горит желтым пламенем (также называемое защитным пламени) с максимальной температурой около 2000 К (3100 ° F). Желтый цвет возникает из-за накала очень мелких частиц сажи, которые образуются 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 возбужденного молекулярные радикалы в пламени, которые излучают большую часть своего света значительно ниже ≈565 нанометров в синей и зеленой областях видимого спектра.
Более холодная часть диффузионного ( неполное сгорание) пламя будет красным, переходящим в оранжевый, желтый и белый при повышении 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 секцией над ним, а красноватое пламя - самое яркое. Пламя синего цвета появляется только тогда, когда количество сажи уменьшается и синие выбросы от возбужденных молекулярных радикалов становятся доминирующими, хотя синий цвет часто можно увидеть у основания свечей, где он находится в воздухе. сажа менее концентрирована.
Определенные цвета можно придать пламени путем введения возбудимых веществ с яркими линиями спектра излучения. В аналитической химии этот эффект используется в испытаниях пламенем для определения присутствия некоторых ионов металлов. В пиротехнике пиротехнические красители используются для производства ярко окрашенных фейерверков.
A испытание пламенем для натрия. Обратите внимание, что желтый цвет в этом газовом пламени не возникает из-за выброса черного тела частиц сажи (поскольку пламя явно представляет собой синее предварительно смешанное пламя полного сгорания), а вместо этого возникает из-за спектральная линия, излучение атомов натрия, особенно очень интенсивные линии D натрия. Если посмотреть на температуру пламени, есть много факторов, которые могут измениться или применяться. Важным является то, что цвет пламени не обязательно определяет сравнение температур, потому что излучение черного тела - не единственное, что производит или определяет видимый цвет; следовательно, это только оценка температуры. Другие факторы, определяющие его температуру:
При пожарах (особенно домашних пожарах ) более холодное пламя часто бывает красным и производит 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 поэтому имеется неполное сгорание, а температура пламени низкая, часто всего от 600 до 850 ° C (от 1112 до 1562 ° F). Это означает, что образуется много окиси углерода (который является горючим газом), когда существует наибольший риск обратной тяги. Когда это происходит, горючие газы с точкой вспышки или выше самовозгорания подвергаются воздействию кислорода, окиси углерода и перегретых углеводородов, и возникают временные температуры до 2000 ° C (3630 ° F).
Это приблизительное руководство по температуре пламени для различных распространенных веществ (в воздухе 20 ° C (68 ° F) при давлении 1 атм.):
| Сгоревший материал | Температура пламени |
|---|---|
| Древесный уголь пожар | 750–1200 ° C (1382–2192 ° F) |
| Метан (природный газ) | 900 –1,500 ° C (1,652–2,732 ° F) |
| Горелка Бунзена пламя | 900–1600 ° C (1,652–2,912 ° F) [в зависимости от воздушного клапана, открыт или закрыт]. |
| Свеча пламя | ≈1100 ° C (≈2.012 ° F) [большинство]; горячие точки могут иметь температуру 1300–1400 ° C (2372–2,552 ° F) |
| Пропан паяльная лампа | 1200–1700 ° C (2192–3 092 ° F) |
| обратная тяга пламя пик | 1700–1950 ° C (3 092–3 542 ° F) |
| Магний | 1 900–2 300 ° C (3452–4 172 ° F) |
| Водородная горелка | До ≈2000 ° C (≈3,632 ° F) |
| газ MAPP | 2,020 ° C (3668 ° F) |
| Ацетилен паяльная лампа / паяльная лампа | До ≈2,300 ° C (≈4,172 ° F) |
| Оксиацетилен | До 3300 ° C (5972 ° F) |
| Обожженный материал | Макс. температура пламени (на воздухе, диффузионное пламя) |
|---|---|
| Животный жир | 800–900 ° C (1472–1652 ° F) |
| Керосин | 990 ° C (1814 ° F) |
| Бензин | 1026 ° C (1878,8 ° F) |
| Древесина | 1027 ° C (1880,6 ° F) |
| Метанол | 1200 ° C (2192 ° F) |
| Древесный уголь ( принудительная тяга) | 1390 ° C (2534 ° F) |
Дицианоацетилен, соединение углерода и азота с химическая формула C4N2горит в кислороде ярким бело-голубым пламенем при температуре 5260 K (4990 ° C; 9,010 ° F) и при температуре до 6000 К (5730 ° C; 10340 ° F) в озоне. Такая высокая температура пламени частично объясняется отсутствием водорода в топливе (дицианоацетилен не является углеводородом), поэтому среди продуктов сгорания нет воды.
Цианоген, с формулой (C N )2, при горении в кислороде дает второе по величине из известных естественное пламя с температурой более 4525 ° C (8177 ° F).
При температурах до 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 изменение может привести к взрыву.
В нулевом G, конвекция не уносит горячие продукты сгорания от источника топлива, в результате чего образовался сферический фронт пламени. В 2000 году эксперименты НАСА подтвердили, что сила тяжести играет косвенную роль в образовании и составе пламени. 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 конвекция больше не возникает, и пламя становится сферическим, с тенденцией стать более синим и эффективным. Существует несколько возможных объяснений этой разницы, наиболее вероятным из которых является гипотеза о том, что температура достаточно равномерно распределена, что сажа не образуется и происходит полное сгорание. 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 серии механизмы, которые ведут себя в условиях микрогравитации иначе, чем в условиях нормальной гравитации. Эти открытия имеют потенциальное применение в прикладной науке и промышленности, особенно в отношении топливной экономичности.
Пламя не обязательно должно приводиться в движение только выделение 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 высвобождением термоядерной энергии и теплопроводностью (часто в форме вырожденных электронов ).
