Крэдыт малюнка: Пётр Седлецкі праз Public Domain Pictures (крыніца)

Агонь - гэта не тое, што вы думаеце

Усе мы знаёмыя з агнём, і ўсё ж большасці з нас цяжка будзе апісаць, што менавіта такое пажар. Калі мы глядзім на падпаленую свечку, дровы ў каміне ці газавую пліту, мы бачым палаючы полымя і адчуваем цяпло. Па тэлебачанні ці ў Інтэрнэце мы бачым выявы лясных пажараў і будынкаў, якія гавораць. З-за падобнага досведу агонь здаецца знаёмым, і мы маем даволі добрае ўяўленне пра тое, як ён сябе паводзіць. Але што ж такое агонь?

Апісваючы прыроду агню

Можна сказаць, што характар ​​агню быў пякучым пытаннем на працягу тысячагоддзяў. ;-) Агонь быў вядомы яшчэ да таго, як пачалася цывілізацыя, і таму імкненне зразумець агонь так жа старая, як і сама цывілізацыя. Некалькі старажытных цывілізацый лічылі агонь адным з асноўных элементаў - інакш кажучы, фундаментальным рэчывам, якое нельга разбіць на складнікі. Старажытныя грэкі лічылі чатыры асноўныя элементы зямлёй, вадой, паветрам і агнём. У гэтым кірунку мыслення ўсе астатнія рэчывы на зямлі - гэта проста сумесь чатырох асноўных элементаў. Некалькі старажытных цывілізацый па ўсёй Азіі мелі вельмі падобныя ідэі.

Нават сёння, калі вы папрасілі сто выпадковых людзей апісаць, што такое агонь, некалькі з іх маглі б апісаць яго як рэчыва. Убачыўшы полымя, вы можаце выразна разабраць краю - бачную паверхню полымя. Калі агонь мае паверхню, то вы можаце лічыць яго рэчывам. Калі так, то ўсё, што знаходзіцца пад паверхняй полымя, павінна мець рэчыва, якое называецца агнём. Аднак гэта няправільна. Агонь прадугледжвае складаную сумесь рэчываў, якія ўзаемадзейнічаюць пэўнымі спосабамі - і таму любое поўнае азначэнне "агонь" павінна ўказваць на гэтыя рэчывы. Аднак агонь - гэта не асобная субстанцыя - і нават рэчыва. Акрамя таго, рэчывы ўнутры пажару могуць існаваць па-за пажару.

Калі агонь не з'яўляецца рэчывам, то, магчыма, агонь - гэта энергія. Гэта ідэя падаецца цалкам лагічнай. Мы добра бачым і адчуваем, што агонь выдае і святло, і цяпло. У некаторых вельмі пераканаўчых спосабах агонь здаецца супастаўным з электрычнасцю - што большасць з нас ведае, што з'яўляецца адной з формаў энергіі. І агонь, і электрычнасць магутныя, некалькі загадкавыя, здольныя зрабіць вялікую працу для нас, і ўсё ж небяспечна, калі яны выйдуць з рук. На працягу амаль двух стагоддзяў, пакуль электрычнасць шырока выкарыстоўвалася для харчавання машын, вялікія машыны прамысловай рэвалюцыі ў асноўным кіраваліся парай, якая залежала ад агню як крыніцы энергіі. Такім чынам, калі б вы папрасілі 100 выпадковых людзей растлумачыць агонь, даволі шмат з іх, хутчэй за ўсё, апісалі б гэта як тып энергіі. І ўсё ж агонь на самай справе не з'яўляецца формай энергіі - хаця любое поўнае вызначэнне агню павінна тлумачыць ролю энергіі ў агні.

Такім чынам, калі агонь не з'яўляецца ні рэчывам, ні формай энергіі, то што гэта можа быць? На самай справе агонь - гэта працэс, і толькі ахарактарызаваўшы яго як працэс, мы зможам яго цалкам асэнсаваць. У гэтым працэсе энергія, якая захоўваецца ў пэўных рэчывах, вылучаецца ў выглядзе цяпла і святла, у той час як самі рэчывы адначасова пераўтвараюцца ў іншыя рэчывы. Іншымі словамі, агонь прадугледжвае двайное пераўтварэнне - пераўтварэнне рэчываў і пераўтварэнне энергіі. Давайце разгледзім гэта больш уважліва.

Гаручыя матэрыялы плюс кісларод

Калі гаварыць на пажарах, любы гаручы матэрыял - гэта значыць любое рэчыва, здольнае спальваць - лічыцца палівам. Сюды ўваходзіць мноства знаёмых матэрыялаў, такіх як дрэва, папера, пластмаса і большасць тканін. З пункту гледжання хіміка, фраза "здольная гарэць" азначае, што сувязі паміж атамамі ў рэчыве знаходзяцца не ў мінімальна энергетычным стане. Калі сувязі паміж гэтымі атамамі будуць перамешвацца, што прывядзе да больш нізкага энергетычнага стану, лішак энергіі будзе вызвалены. Для многіх тыпаў атамаў найменш энергетычны стан - гэта калі атам злучаны з атамамі кіслароду. Гэта, безумоўна, тычыцца вугляроду і вадароду - безумоўна, найбольш распаўсюджаных атамаў у "палівах", з якімі звычайна сутыкаюцца пажарныя. Таму наяўнасць вольнага кіслароду звычайна з'яўляецца неабходным патрабаваннем для ўзнікнення пажару.

Працэс спалучэння з кіслародам называецца акісленнем, і таму агонь прадугледжвае акісленне. Але зноў жа, вільготны пазногаць, які становіцца іржавым, таксама з'яўляецца прыкладам акіслення, і мы, вядома, не скажам, што пазногаць узгарае. Акісленне таксама пастаянна адбываецца ўнутры нашых уласных целаў, і на самай справе гэты працэс неабходны для жыцця. Прычына ў тым, што нам патрабуецца кісларод у нашым паветры, таму нашы целы могуць акісляць захаваныя цукру і тлушчы, тым самым вылучаючы энергію заўсёды і ўсюды, дзе гэта неабходна. І хоць мы можам выкарыстоўваць такі выраз, як "спальванне калорый" для абазначэння гэтага працэсу акіслення, мы, безумоўна, не верым, што ў нас у клетках або ў крыві сапраўды ўзнікае пажар. Апошні вынік заключаецца ў тым, што акісленне можа адбывацца з рознымі тэмпамі - хуткае акісленне, якое адбываецца пры пажары, вельмі павольнае акісленне, якое прыводзіць да іржы жалеза (і карозія іншых металаў), і акісленне сярэдняй хуткасці, якое адбываецца, калі нашыя целы метаболізуюцца. цукру і тлушчы.

На самай справе агонь і метабалізм нашай ежы маюць некалькі агульных прыкмет, галоўнае тое, што паліва складаецца галоўным чынам з матэрыялаў, дзе пераважаюць вуглярод-вугляродныя (CC) і вуглярод-вадародныя (CH) сувязі - віды сувязяў, якія характарызуюць рэчывы, якія паступаюць ад жывых істот. Нават пластыку можна аднесці да жывых істот, таму што яны звычайна вырабляюцца з нафтапрадуктаў, якія з'яўляюцца рэшткамі раслін, якія жылі даўно.

Калі гаручы матэрыял згарае, энергія, якую ён выдае (цяпло і святло), раней захоўвалася ў яго хімічных сувязях (іх яшчэ называюць атамныя сувязі - сувязі паміж атамамі). Амаль ва ўсіх выпадках гэтая энергія прасочваецца да сонечнага святла, захопленым раслінамі праз працэс фотасінтэзу. Расліны захопліваюць энергію сонечнага святла, ператвараючы яе ў хімічную энергію - інакш кажучы, запасаючы энергію ў хімічных сувязях. Па-іншаму, расліны выкарыстоўваюць энергію сонечнага святла для пераўтварэння малекул вуглякіслага газу і вады ў малекулы цукру. Пазней, калі малекулы цукру пераўтвараюцца ў вуглякіслы газ і ваду, энергія вызваляецца. Цукар можна пераўтварыць у крухмал альбо ў цэлюлозу - галоўны кампанент дрэва і паперы - без страты назапашанай энергіі. Пры больш складаных працэсах цукар таксама можа ператварацца ў тлушчы, вавёркі, вуглевадароды і іншыя рэчывы, якія характарызуюцца вялікай колькасцю сувязей CC і CH. (Такія матэрыялы называюцца арганічнымі злучэннямі.) Усе гэтыя рэчывы захоўваюць запасаную хімічную энергію, якую калісьці ўтрымлівалі першапачатковыя цукру, і таму ўсе яны могуць спальвацца пры правільных абставінах.

Гэта прыводзіць да даволі цікавага высновы, што пажары існуюць з-за раслін. Гэтак жа, як практычна ўсё жыццё на зямлі залежыць ад энергіі ежы, захопленай фотасінтэтычнымі раслінамі, агонь звычайна залежыць ад аналагічнай расліннай энергіі, якая захоўваецца ў выглядзе дрэва, паперы, тэкстылю, пластмасы і розных тэхнагенных арганічных злучэнняў, сінтэзаваных з нафты. Калі вы бачыце агонь - практычна любы агонь - энергія, якая вылучаецца ў выглядзе цяпла і святла, першапачаткова захопліваецца раслінамі ад сонечнага святла.

Гэтак жа, як агонь і нашы целы выкарыстоўваюць падобныя віды паліва, канчатковыя прадукты акіслення абедзвюх тыпаў даволі падобныя. У нашых целах, калі наша назапашаная энергія (цукар і тлушчы) становіцца цалкам метаболізіравана, нічога не застаецца, акрамя вуглякіслага газу (CO2) і вады (H2O). Гэта таму, што цукру і тлушчы ўтрымліваюць толькі тры тыпы атамаў - вуглярод (З), вадарод (Н) і кісларод (О) - і калі вы забяспечыце дастатковым колькасцю дадатковага кіслароду, то найменшы стан энергіі - пераўтварыць увесь вуглярод у вуглякіслы газ і ўвесь вадарод у ваду. Практычна ва ўсіх пажарах паліва таксама складаецца галоўным чынам з атамаў вугляроду, вадароду і кіслароду, і таму поўнае спальванне таксама прыводзіць галоўным чынам да вытворчасці вуглякіслага газу і вады.

Агонь як ланцуговая рэакцыя

Калі агонь і метабалізм нашай ежы настолькі падобныя, то што менавіта адрознівае гэтыя два віды акіслення? Адно з ключавых адрозненняў заключаецца ў тым, што рухае кожны працэс. Метабалізм нашай ежы абумоўлены механізмамі ўнутранага кантролю нашага цела, апасродкаванымі рознымі ферментамі. Гэтыя ферменты выбіраюць час і месца, дзе кожная малекула паліва акісляецца. Акрамя таго, ферменты гарантуюць, што большая частка наяўнай энергіі захопліваецца і прыводзіць у дзеянне, выклікаючы неабходныя біяхімічныя рэакцыі, а не вылучаючы цяпло. Сярод іншых важных мэтаў, такія працэсы дазваляюць кантраляваць мышцы, але ўсе іншыя працэсы, якія адбываюцца ў нашым целе, таксама патрабуюць выкарыстання энергіі. У адрозненне ад гэтага, агонь падтрымлівае сябе праз працэс ланцуговай рэакцыі. Іншымі словамі, сам агонь стварае ўмовы, якія дазваляюць агню працягвацца - звычайна ў хуткім і некантралюемым рэжыме. У сувязі з гэтым пажар аналагічны працэсу, які адбываецца ў ядзерным рэактары, які таксама можа падтрымліваць сябе праз ланцуговую рэакцыю.

Калі мы бачым, як пажар расце альбо распаўсюджваецца, можа здацца даволі відавочным, што адбываецца ланцуговая рэакцыя. Пажар можа выглядаць як вельмі заразная хвароба, якая распаўсюджваецца пры прамым кантакце праз успрымальную папуляцыю гаручых прадметаў. Матэрыялы, якія яшчэ не "загарэліся", разгараюцца полымем пры дакрананні да існуючага полымя ці вугольчыка - як быццам пажар быў эпідэміяй. Не менш відавочным з'яўляецца тое, што ўсе пажары на самай справе з'яўляюцца ланцуговымі рэакцыямі. Нават палаючая свечка - гэта ланцуговая рэакцыя, хоць полымя, як правіла, захоўвае пастаянны памер і ў нерухомым месцы.

Ланцуговую рэакцыю ў полымі свечкі можна параўнаць з канвеерам. Існуе пастаянны набор матэрыялаў, які рухаецца ўверх ад падсвечніка, праз кнот, у паветра і полымя, і ўверх за полымя. Матэрыял, які ярка свеціцца ў полымі, мае толькі кароткі момант бляску, а потым штурхаецца ўверх і ў бок, замяняецца іншым матэрыялам, які потым набывае свой уласны бляск. Без канвеера, які падаваў ланцуговую рэакцыю, полымя імгненна знікне.

Ланцуговую рэакцыю полымя свечкі можна падзяліць на некалькі этапаў:

1) Цяпло полымя растае частку воску свечкі, утвараючы лужыну вадкага воску ў падставе падвергнутага кноту.

2) Калі воск выпараецца з верхняй часткі кнота (на этапе 3 ніжэй), вадкі воск рухаецца ўверх праз кнот, каб замяніць яго. Гэтае раздражняльнае дзеянне нам добра знаёма ў іншых кантэкстах. Напрыклад, калі мы трымаем папяровае ручнік так, каб кут яго датыкаўся да лужыны вады, тады вада будзе падымацца праз валокны паперы, змочваючы ручнік.

3) Інтэнсіўны нагрэў полымя ў верхняй частцы кнота прымушае вадкі воск выпарыцца ў паветры, дзе ён змешваецца і датыкаецца з малекуламі кіслароду.

4) Газападобная сумесь паветра / воск, выцягнутая ўверх вертыкальным патокам паветра і награваецца полымем, становіцца настолькі гарачай, што падвяргаецца гарэнню. Іншымі словамі, малекулы воску хутка акісляюцца, вылучаючы цяпло і святло. Калі згаранне скончана, застаюцца толькі малекулы вуглякіслага газу і вады. У адваротным выпадку часціцы сажы (няпоўна спалены матэрыял) таксама застануцца. Сажа ў асноўным аморфны вуглярод, які змяшчае вялікую колькасць CC-сувязей, якія не акісляюцца.

5) Паколькі гэтая палаючая сумесь газаў цягнецца ўверх - абумоўлена тым, што гарачыя газы значна менш шчыльныя, чым халаднейшае паветра, якое атачае полымя - газы неўзабаве становяцца занадта халоднымі, каб свяціцца, хаця павелічэнне патоку газаў працягваецца далёка над бачным полымем свечкі.

Гэты шматступеньчаты працэс з'яўляецца ланцуговай рэакцыяй, таму што цяпло, якое вылучаецца на этапе №4, рухае ўсе астатнія этапы, вырабляючы канвеерную стужку з газападобнага паліва, каб спаліць, а потым выштурхоўвае згарэлы матэрыял з шляху. Акрамя таго, полымя на газавай пліце таксама з'яўляецца ланцуговай рэакцыяй, хаця яна мае менш крокаў, бо паліва - гэта ўжо газ. Менш за ўсё, пажар у каміне - гэта таксама ланцуговая рэакцыя, паколькі цяпло агню прымушае драўніну распадацца на гаручыя газы, якія змешваюцца з кіслародам у паветры, а потым згараюць. (Гэта раскладанне, якое рухаецца цяплом, у газы называецца піроліз.) Полымя, якое танчыць над бярвеннямі, паказвае месцы, дзе адбываецца гарэнне газаў. Сіні полымя (напрыклад, на газавай пліце) звычайна сведчыць аб поўным згаранні, у той час як жоўты полымя паказвае на няпоўнае гарэнне. Няпоўнае згаранне азначае, што не ўвесь вуглярод цалкам акісляецца ў вуглякіслы газ. Замест гэтага частка яго ператвараецца ў іншыя матэрыялы на аснове вугляроду, напрыклад, у часціцы сажы. Моцны жоўты колер у звычайным полымі паходзіць ад малюсенькіх кавалачкаў сажы, калі яны награваюцца да таго, што яны свецяцца жоўтымі.

Вынікам з'яўляецца тое, што пажар - працэс, які ўключае некалькі этапаў - больш чым полымя. Полымя, безумоўна, там, дзе адбываецца ключавая частка працэсу - хуткае згаранне газападобнага паветра / паліўнай сумесі. Іншымі словамі, полымя - гэта зона, дзе паліва акісляецца, вылучаючы цяпло і святло. Але вобласць пад полымем таксама з'яўляецца неад'емнай часткай працэсу, паколькі менавіта тут гаруча-паветраная сумесь рыхтуецца і паступае ў полымя. А вертыкальны паток газаў і дыму над полымем таксама гуляе важную ролю, хутка захопліваючы выкарыстаныя матэрыялы.

Энергетычны гарбан

Зразумела, тонкім пытаннем, што стаіць за ўсім гэтым, з'яўляецца тое, як любыя гаручыя матэрыялы могуць існаваць у першую чаргу. Пераход з высокаэнергетычнага стану ў стан нізкай энергіі гэтак жа натуральны і аўтаматычны, як вада, якая сцякае па схіле. Калі энергія, якая змяшчаецца ў арганічных малекулах, настолькі вялікая, то чаму б гэтыя матэрыялы імгненна не акісляцца пры ўздзеянні кіслароду ў паветры? Чаму матэрыялы, такія як дрэва, папера і пластык, спантанна не раскладаюцца на вуглякіслы газ і ваду? Чаму трэба дакранацца да іх полымя, перш чым яны пачнуць гарэць?

Адказ заключаецца ў тым, што ў працэсе ўзнікае "горб" энергіі. Хоць атамныя сувязі ў згарэлым паліве ўтрымліваюць значна больш энергіі, чым сувязі ў спаленых матэрыялах, спачатку вы павінны разарваць існуючыя сувязі - і для гэтага патрэбна энергія. Такім чынам, каб перайсці на гарб, вам трэба ўкласці ў сістэму дастаткова энергіі, каб разарваць сувязі, пасля чаго працэс будзе «спускацца ўніз» да стану ніжэйшай энергіі. У сувязі з гэтым агонь можна параўнаць з сіфонам. Уявіце, што ў вас дзве ванны з вадой, якія сядзяць побач, адна на некалькі футаў вышэй, чым другая. Вада ў ніжняй ванне знаходзіцца ў меншым энергетычным стане (што тычыцца гравітацыі), чым вада ў верхняй ванне. Аднак вада не будзе аўтаматычна скакаць з вышэйшай ванны на больш нізкую, таму што спачатку яна павінна падняцца па баках вышэйшай ванны. Але калі вы злучыце дзве ванны з сіфонам, то ёсць трубкай, напоўненай вадой, - вада будзе цячы ад вышэйшай ванны ўверх па краі ванны, а потым да ніжняй ванны. Эквівалентны эфект сіфона для агню заключаецца ў тым, што гаручыя матэрыялы павінны быць нагрэты да месцаў згарання, каб перабрацца праз горб і сцякаць у стан з меншай энергіяй.

Пры гэтым агонь патрабуе цяпла для падтрымання ланцуговай рэакцыі - і агонь сам забяспечвае цяплом. Гэта тлумачыць, чаму пажарныя кажуць, што для пажару патрэбны тры інгрэдыенты - паліва, кісларод і цяпло - і калі вы ліквідуеце адзін з трох, вы можаце тушыць пажар. Апырскванне вады на агні ў першую чаргу атакуе цеплавы кампанент, галоўным чынам таму, што вада, якая выпараецца, высмоктвае шмат цяпла з усяго, чаго ён дакранаецца. (Вось чаму выпарэнне паце астуджае вашу скуру.) Але вы можаце таксама патушыць агонь, галадаючы яго кіслародам, альбо выдаліўшы крыніцу паліва.

Рэзюмэ

Такім чынам, зараз мы канчаткова гатовы да вызначэння "агонь". Пажар - гэта працэс ланцуговай рэакцыі, пры якім рэчывы, якія змяшчаюць назапашаную энергію ў сваіх хімічных сувязях, падвяргаюцца ўздзеянню кіслароду і высокага ўзроўню цяпла, прымушаючы любыя рэчывы, якія ўжо не знаходзяцца ў газападобным стане, ператварацца ў газы, а затым прымушаючы гэта газападобнае паліва да хуткага акіслення. , вылучаючы назапашаную энергію ў выглядзе цяпла і святла, што тым самым працягвае ланцуговую рэакцыю.