Bonus slike: Piotr Siedlecki putem slika u javnoj domeni (izvor)

Vatra nije ono što mislite da jeste

Svi smo upoznati s vatrom, a ipak bi većina nas teško opisala što je zapravo požar. Kad pogledamo zapaljenu svijeću, požar na drva u kaminu ili plinsku peć u radu, vidimo užareni plamen i osjetimo toplinu. Na televiziji ili internetu vidimo slike šumskih požara i građevina u vatri. Zbog takvih iskustava vatra nam se čini poznatim i mi imamo poprilično dobru predstavu o tome kako se ponaša. Ali što je točno vatra?

Opisujući prirodu vatre

Mogli biste reći da je priroda vatre goruće pitanje već tisućljećima. ;-) Vatra je poznata još prije početka civilizacije i zato je potraga za razumijevanjem vatre stara koliko i sama civilizacija. Nekoliko drevnih civilizacija vatru je smatralo jednim od osnovnih elemenata - drugim riječima, temeljnom supstancom koja se ne može razgraditi na komponente. Stari Grci su četiri osnovna elementa smatrali zemljom, vodom, zrakom i vatrom. U ovoj liniji razmišljanja, sve ostale tvari na zemlji su jednostavno spoj četiriju osnovnih elemenata. Nekoliko drevnih civilizacija širom Azije imalo je vrlo slične ideje.

Čak i danas, ako biste pitali stotinu slučajnih ljudi da opišu što je vatra, nekoliko njih bi je moglo opisati kao tvar. Kad vidite plamen, jasno možete razabrati rubove - prividnu površinu plamena. Ako vatra ima površinu, onda biste mogli pretpostaviti da je tvar. Ako je tako, tada sve ispod površine plamena mora biti tvar koja se zove vatra. Međutim, to nije točno. Požar uključuje složenu mješavinu tvari koje međusobno djeluju na specifičan način - i stoga bi svaka cjelovita definicija požara trebala spomenuti te tvari. Međutim, vatra uopće nije različita tvar - ili čak tvar uopće. Nadalje, tvari unutar požara mogu postojati i van požara.

Ako vatra nije tvar, onda je vatra možda vrsta energije. Ova ideja izgleda sasvim logično. Jasno možemo vidjeti i osjetiti kako vatra odaje svjetlost i toplinu. Na neke vrlo uvjerljive načine, vatra se čini usporedivom s električnom energijom - što većina nas zna biti oblik energije. I vatra i struja snažni su, pomalo tajanstveni, sposobni učiniti veliko djelo za nas, a opet opasno ako nam pošalju iz ruku. Gotovo dva stoljeća prije nego što se električna energija široko koristila za pokretanje strojeva, veliki strojevi industrijske revolucije uglavnom su bili pokretani parom, koja je ovisila o vatri kao izvoru energije. Ako biste pitali 100 slučajnih ljudi da objasne vatru, vrlo malo njih bi to vjerojatno opisalo kao vrstu energije. Pa ipak vatra zapravo nije oblik energije - iako svaka cjelovita definicija vatre mora objasniti ulogu energije u vatri.

Dakle, ako vatra nije ni tvar ni oblik energije, što bi onda to moglo biti? U stvari, vatra je proces, i samo ako ga opisujemo kao proces, možemo ga u potpunosti shvatiti. U tom se procesu energija koja je pohranjena u određenim tvarima oslobađa kao toplina i svjetlost, dok se same tvari istovremeno pretvaraju u druge tvari. Drugim riječima, vatra uključuje dvostruku pretvorbu - pretvorbu tvari i pretvorbu energije. Pogledajmo ovo pažljivije.

Zapaljivi materijali plus kisik

Kad je riječ o vatrogastvu, bilo koji zapaljivi materijal - to jest svaka tvar koja je sposobna izgarati - smatra se gorivom. To uključuje mnoge poznate materijale kao što su drvo, papir, plastika i većina tkanina. S gledišta kemičara, izraz "sposoban da gori" znači da veze između atoma u tvari nisu u najnižem mogućem energetskom stanju. Ako se veze između tih atoma trebaju pomiješati, što rezultira nižim energetskim stanjem, tada bi se višak energije oslobađao. Za mnoge vrste atoma najniže moguće energetsko stanje je kada je taj atom povezan s atomima kisika. To se sigurno odnosi na ugljik i vodik - daleko najobičnije atome u "gorivima" s kojima se vatrogasci obično bave. Stoga je prisutnost slobodnog kisika obično ključni zahtjev da se požar dogodi.

Proces kombiniranja s kisikom naziva se oksidacija, te stoga vatra uključuje oksidaciju. Ali opet, mokri nokat koji postaje zahrđao također je primjer oksidacije, a sigurno ne bismo rekli i da je nokat zapaljen. Oksidacija se također stalno događa unutar naših vlastitih tijela, a zapravo je proces bitan za život. Razlog zbog kojeg nam je potreban kisik u zraku je zato što naša tijela mogu oksidirati pohranjene šećere i masti, te tako oslobađaju energiju kad god i gdje god je potrebno. I dok bismo mogli upotrijebiti izraz poput "sagorijevanja kalorija" za ovakav proces oksidacije, zasigurno ne vjerujemo da u našim ćelijama ili u našem protoku krvi postoji požar. Rezultat je da se oksidacija može dogoditi različitim brzinama - brza oksidacija koja se događa u požaru, izuzetno spora oksidacija koja rezultira truljenjem željeza (i korozijom drugih metala) i oksidacija srednje brzine koja se događa kada naša tijela metaboliziraju šećera i masti.

Zapravo, vatra i metabolizam naše hrane imaju nekoliko zajedničkih karakteristika, najvažnije je da se goriva sastoje uglavnom od materijala koji dominiraju veze ugljik-ugljik (CC) i ugljik-vodik (CH) - vrste veza koje karakteriziraju tvari koje potječu od živih bića. Čak se i plastika može pratiti do živih bića, jer se obično proizvode od naftnih derivata, koji su ostaci biljaka koje su živjele davno.

Kada gori zapaljivi materijal, energija koju odašilje (toplina i svjetlost) prethodno je bila pohranjena u kemijskim vezama (koje se nazivaju i atomske veze - veze između atoma). U gotovo svim slučajevima ta se energija može pratiti na suncu koja je zarobljena u biljkama kroz proces fotosinteze. Biljke hvataju energiju sunčeve svjetlosti pretvarajući je u kemijsku energiju - drugim riječima, skladišteći je u kemijskim vezama. Drugim riječima, biljke koriste energiju sunčeve svjetlosti za pretvaranje molekula ugljičnog dioksida i vode u molekule šećera. Kasnije, kad se molekule šećera pretvaraju u ugljični dioksid i vodu, energija se oslobađa. Šećeri se mogu pretvoriti u škrob ili u celulozu - glavnu komponentu drveta i papira - bez gubitka pohranjene energije. Kroz složenije procese, šećeri se također mogu pretvoriti u masti, bjelančevine, ugljikovodike i druge tvari koje karakterizira veliki broj CC i CH veza. (Takvi se materijali nazivaju organskim spojevima.) Sve ove tvari zadržavaju pohranjenu kemijsku energiju koju su nekada sadržavali izvorni šećeri, te ih stoga mogu sagorjeti pod pravim okolnostima.

To dovodi do prilično zanimljivog zaključka da požari postoje zbog biljaka. Baš kao što gotovo cijeli život na zemlji ovisi o energiji hrane koju zaokupljaju fotosintetske biljke, vatra obično ovisi o sličnoj biljnoj energiji, pohranjenoj u obliku drva, papira, tekstila, plastike i raznih umjetnih organskih spojeva umjetnih sintetiziranih iz nafte. Kad vidite vatru - gotovo bilo koju vatru - energija oslobođena kao toplina i svjetlost prvobitno je bila zarobljena od sunčeve svjetlosti biljkama.

Kao što vatra i naša tijela koriste slična goriva, krajnji su proizvodi obje vrste oksidacije prilično slični. U našem tijelu, kada se naša pohranjena energija (šećeri i masti) potpuno metaboliziraju, tada ne preostaje ništa osim ugljičnog dioksida (CO2) i vode (H2O). To je zato što šećeri i masti sadrže samo tri vrste atoma - ugljik (C), vodik (H) i kisik (O) - a ako osigurate dovoljno dodatnog kisika, tada je najniže moguće energetsko stanje pretvoriti sav ugljik u ugljični dioksid i sav vodik u vodu. Gotovo u svim požarima gorivo se sastoji prvenstveno od atoma ugljika, vodika i kisika, te stoga potpuno izgaranje rezultira prvenstveno proizvodnjom ugljičnog dioksida i vode.

Vatra kao lančana reakcija

Ako su vatra i metabolizam naše hrane tako slični, što onda točno razlikuje ove dvije vrste oksidacije? Jedna ključna razlika je u tome što pokreće svaki postupak. Metabolizam naše hrane upravlja mehanizmima interne kontrole naših tijela, posredovanih različitim enzimima. Ovi enzimi odabiru vrijeme i mjesto oksidacije svake molekule goriva. Nadalje, enzimi osiguravaju da se većina raspoložive energije prikupi i pusti u rad, potičući osnovne biokemijske reakcije, a ne da se otpuštaju kao toplina. Među ostalim važnim namjenama, takvi procesi omogućuju nam kontrolu nad mišićima, ali svi drugi postupci koji se odvijaju u našim tijelima također zahtijevaju upotrebu energije. Suprotno tome, požar se održava kroz postupak lančane reakcije. Drugim riječima, požar sam stvara uvjete koji omogućuju nastavak vatre - obično na brz, nekontroliran način. U tom pogledu požar je analogan procesu koji se događa u nuklearnom reaktoru, a koji se također može održati lančanom reakcijom.

Kad vidimo kako se vatra raste ili širi, može nam se činiti prilično očitim da se događa lančana reakcija. Požar može izgledati kao visoko zarazna bolest, koji se širi izravnim kontaktom preko osjetljive populacije zapaljivih predmeta. Materijali koji se još nisu "zapalili" izgorjet će u plamen kada ih dodirne postojeći plamen ili ugljen - kao da je vatra epidemija. Ono što je daleko manje očito je da su svi požari zapravo lančane reakcije. Čak je i zapaljena svijeća lančana reakcija, iako plamen ima stalnu veličinu i na fiksnom mjestu.

Lančana reakcija u plamenu svijeće može se usporediti s pokretnom trakom. Neprestani je vlak od materijala koji se kreće prema gore od svijećnjaka, kroz fitilj, u zrak i plamen te prema gore plamena. Materijal koji svijetli sjajno u plamenu ima samo kratak trenutak sjaja, a zatim ga gura prema gore i dalje, zamjenjuje ga drugim materijalom koji tada dobiva svoj vlastiti trenutak sjaja. Bez transportne trake koja napaja lančanu reakciju, plamen bi odmah nestao.

Lančana reakcija plamena svijeće može se podijeliti u nekoliko koraka:

1) Toplina plamena rastopi dio voska za svijeće, formirajući bazen tekućeg voska u podnožju izloženih fitilja.

2) Dok se vosak isparava iz gornjih dijelova fitiljka (u koraku 3 ispod), tekući vosak se pomiče kroz fitilj da bi ga zamijenio. Ova nam se wicking akcija dobro poznaje u drugim kontekstima. Na primjer, ako držimo papirni ručnik tako da njegov ugao dodiruje lokvu vode, tada će se voda popeti kroz vlakna papira, vlažeći ručnik.

3) Intenzivna toplina plamena na vrhu fitilj uzrokuje da tekući vosak isparava u zrak, gdje se miješa i dolazi u kontakt s molekulama kisika.

4) Plinovna smjesa zrak / vosak, povučena prema gore vertikalnim protokom zraka i zagrijana plamenom, postaje toliko vruća da podnosi izgaranje. Drugim riječima, molekule voska brzo se oksidiraju, oslobađajući toplinu i svjetlost. Ako je izgaranje završeno, ostaju samo molekule ugljičnog dioksida i vode. Inače ostaju i čestice čađe (nepotpuno spaljeni materijal). Čađa je uglavnom amorfni ugljik, a sadrži veliki broj CC veza koje nisu bile oksidirane.

5) Kako se ova užarena mješavina plinova povlači prema gore - potaknuta činjenicom da su vrući plinovi puno manje gusti od hladnijeg zraka koji okružuje plamen - plinovi ubrzo postaju previše hladni da bi svijetlili, iako se uzlazni protok plinova nastavlja daleko iznad vidljivog plamena svijeće.

Ovaj postupak u više koraka predstavlja lančanu reakciju, jer toplina oslobođena u koraku # 4 pokreće sve ostale korake, stvarajući transportnu traku plinovitog goriva da gori, a potom potiskuje izgarani materijal iz takta. Isto tako, plamen na plinskoj peći također je lančana reakcija, iako ima manje koraka, jer je gorivo već plin. Manje očito je da je požar u kaminu također lančana reakcija, jer toplina vatre uzrokuje raspad drveta u zapaljive plinove koji se miješaju s kisikom u zraku, a zatim izgaraju. (To razlaganje pod utjecajem topline u plinove naziva se piroliza.) Plamenovi koji plešu iznad trupaca otkrivaju mjesta na kojima se odvija izgaranje plinova. Plavi plamen (poput plinske peći) obično ukazuje na potpuno izgaranje, dok žuti plamen ukazuje na nepotpuno izgaranje. Nepotpuno sagorijevanje znači da nije sav ugljik potpuno oksidiran u ugljični dioksid. Umjesto toga, neki se pretvaraju u druge materijale na bazi ugljika, poput čestica čađe. Jaka žuta boja u tipičnom plamenu potječe od sitnih komadića čađe koji se zagrijavaju do te mjere da žute.

Rezultat je da je vatra - proces koji uključuje nekoliko koraka - više nego plamen. Plamen je sigurno tamo gdje je ključni dio procesa - brzo izgaranje plinovite smjese zraka / goriva. Drugim riječima, plamen je zona u kojoj se gorivo oksidira, oslobađajući toplinu i svjetlost. Ali područje ispod plamena je također bitan dio postupka, jer se ovdje priprema i dovodi smjesa goriva i zraka u plamen. I vertikalni protok plinova i dima iznad plamena također igra važnu ulogu, brzo odvlačeći rabljene materijale.

Energetski grm

Naravno, suptilno je pitanje iza svega toga kako bi u prvi plan mogao postojati bilo koji zapaljivi materijal. Prelazak iz visokoenergetskog u niskoenergetsko stanje jednako je prirodan i automatski kao što voda teče niz brdo. Ako je energija sadržana u organskim molekulama tako velika, zašto onda ti materijali ne oksidiraju odmah kada su izloženi kisiku u zraku? Zašto se materijali poput drveta, papira i plastike spontano ne raspadaju na ugljični dioksid i vodu? Zašto ih morate dodirnuti plamenom prije nego što će početi gorjeti?

Odgovor je da u procesu postoji „grba“ energije. Iako atomske veze u neizgorjelom gorivu sadrže puno više energije od veza u izgorjelim materijalima, najprije morate razbiti postojeće veze - a za to je potrebna energija. Stoga, da biste prešli preko grba, u sustav morate uložiti dovoljno energije da biste prekinuli veze, nakon čega će postupak "teći nizbrdo" do stanja niže energije. U tom pogledu požar se može usporediti sa sifonom. Zamislite da imate dvije kade vode blizu jedne druge, jednu nekoliko stopa višu od druge. Voda u donjoj kadi je u nižem energetskom stanju (što se tiče gravitacije) od vode u gornjoj kadi. Međutim, voda se neće automatski preskočiti iz više kade u nižu, jer bi se prvo morala popeti na bočne stranice više kade. Ali ako spojite dvije kade sifonom - to jest cijevi napunjenom vodom - voda će teći iz višeg dijela kade preko ruba kade, a zatim dolje do donje kade. Ekvivalentni učinak sifona za požar je da zapaljivi materijali moraju biti zagrijani do svojih mjesta sagorijevanja kako bi se pregurali u grbinu i slijevali u niže energetsko stanje.

Zbog toga vatra treba toplinu za održavanje lančane reakcije - a vatra sama pruža toplinu. To objašnjava zašto vatrogasci kažu da vatra zahtijeva tri sastojka - gorivo, kisik i toplinu - a ako bilo koji od tri uklonite, onda požar možete ugasiti. Prskanje vode u požaru primarno napada toplinsku komponentu, ponajviše zato što voda koja isparava usisava puno topline iz svega onoga što je dodirne. (To je razlog zašto isparavanje znoja hladi vašu kožu.) Ali požar možete ugasiti i gladovanjem kisika ili uklanjanjem izvora goriva.

Sažetak

Dakle, sada smo konačno spremni definirati vatru. Požar je postupak lančane reakcije u kojem su tvari koje sadrže pohranjenu energiju u svojim kemijskim vezama izložene kisiku i visokim razinama topline, tjerajući sve tvari koje već nisu u plinovitom stanju pretvarajući se u plinove, a zatim prisiljavanje ovog plinovitog goriva na brzu oksidaciju , oslobađajući skladištenu energiju kao toplinu i svjetlost, čime se nastavlja lančana reakcija.