– стійка ланцюгова реакція, що включає горіння , яке є екзотермічну реакцію, в якій окислювач, зазвичай кисень, окислює пальне, зазвичай вуглець, в результаті чого виникають продукти згоряння, такі як діоксид вуглецю, вода, тепло і світло. Типовий приклад - горіння метану:

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O

Тепло, що виникає при горінні, може використовуватися для живлення самого горіння, і якщо цього достатньо і додаткової енергії для підтримки горіння не потрібно, виникає вогонь. Щоб зупинити вогонь, можна видалити пальне (відключити пальник на плиті), окислювач (накрити вогонь спеціальним матеріалом), тепло (збризкати вогонь водою) або реакцію.

Горіння, в певному сенсі, протилежне фотосинтезу, ендотермічної реакції, в яку вступають світло, вода та діоксид вуглецю, внаслідок чого виникає вуглець.

Є спокуса припустити, що з спалюванні дерева використовуються вуглець, що у целюлозі . Однак, зважаючи на все, відбувається щось складніше. Якщо дерево піддати впливу тепла, воно піддається піролізу (на відміну від горіння, що не вимагає кисню), що перетворює її на більш горючі речовини, такі, як гази, і саме ці речовини загоряються при пожежах.

Якщо дерево горить досить довго, полум'я зникне, але тління продовжиться, зокрема дерево продовжить світитися. Тління – це неповне горіння, у результаті якого, на відміну повного горіння, виникає монооксид вуглецю.

Повсякденні об'єкти постійно випромінюють тепло, більшість якого знаходиться в інфрачервоному діапазоні. Його довжина хвилі більша, ніж у видимого світла, тому без спеціальних камер його не побачити. Вогонь досить яскравий для того, щоб видавати видиме світло, хоч і інфрачервоного випромінювання у нього вистачає.

Інший механізм виникнення кольору біля вогню – спектр випромінювання об'єкта, що спалюється. На відміну від випромінювання АЧТ спектр випромінювання має дискретні частоти. Це відбувається тому, що електрони породжують фотони на певних частотах, переходячи з високоенергетичного в низькоенергетичний стан. Ці частоти можна використовувати визначення присутніх у пробі елементів. Така ідея (яка використовує спектр поглинання) використовується визначення складу зірок. Спектр випромінювання також відповідає за колір феєрверків та кольорового вогню.

Форма полум'я Землі залежить від гравітації. Коли вогонь розігріває навколишнє повітря, відбувається конвекція: гаряче повітря, що містить, крім іншого, гарячу золу, піднімається, а холодний (кисень, що містить), опускається, підтримуючи вогонь і надаючи полум'я його форму. При низькій гравітації, наприклад, на космічній станції, цього немає. Вогонь живиться дифузією кисню, тому горить повільніше і у вигляді сфери (оскільки горіння відбувається тільки там, де вогонь стикається з повітрям, що містить кисень. Усередині сфери кисню не залишається).

Випромінювання абсолютно чорного тіла

Випромінювання АЧТ описує формула Планка, що відноситься до квантової механіки. Історично вона була одним із перших застосувань квантової механіки. Її можна вивести із квантової статистичної механіки в такий спосіб.

Ми підраховуємо розподіл частот у фотонному газі при температурі T. Те, що воно збігається з розподілом частот фотонів, що випускаються абсолютно чорним тілом тієї ж температури, випливає із закону випромінювання Кірхгофа. Ідея в тому, що АЧТ можна привести до температурної рівноваги з фотонним газом (оскільки вони мають однакову температуру). Фотонний газ поглинається ЧТ, що також випромінює фотони, так що для рівноваги необхідно, щоб для кожної частоти, на якій ЧТ випускає випромінювання, воно і поглинало б його з тією ж швидкістю, що визначається розподілом частот у газі.

У статистичній механіці ймовірність знаходження системи у мікростані s, якщо вона знаходиться в тепловій рівновазі при температурі T, пропорційна

Де E s – енергія стану s, а β = 1/k B T, або термодинамічна бета (Т – температура, k B – постійна Больцмана). Це розподіл Больцмана. Одне з пояснень цього дано в блогу Теренса Тао. Це означає, що ймовірність дорівнює

P s = (1/Z(β)) * e - β E s

Де Z(β) – нормалізуюча константа

Z(β) = ∑ s e - β E s

Для опису стану фотонного газу потрібно знати щось щодо квантової поведінки фотонів. При стандартному квантуванні електромагнітного поля поле можна розглядати як набір гармонійних квантових осциляцій , кожна з яких осцилює з різними кутовими частотами ω. Енергії власних станів гармонійного осцилятора позначаються невід'ємним цілим n ∈ ℤ ≥ 0 , яке можна інтерпретувати як кількість фотонів частоти ω. Енергії власних станів (з точністю до константи):

У свою чергу, квантова нормалізуюча константа передбачає, що на низьких частотах (щодо температури) класична відповідь приблизно вірна, але на високих середня енергія експоненційно падає, при цьому падіння виходить більшим за менших температур. Це відбувається тому, що на високих частотах та низьких температурах квантовий гармонійний осцилятор більшу частину часу проводить в основному стані, і не переходить так легко на наступний рівень, що ймовірність чогось експоненційно нижча. Фізики говорять, що більшість цього ступеня свободи (свободи осцилятора коливатися на певній частоті) «заморожується».

Щільність станів та формула Планка

Тепер, знаючи, що відбувається на певній частоті, необхідно підсумувати по всіх можливих частотах. Ця частина класична обчислень і ніяких квантових поправок робити не треба.

Ми використовуємо стандартне спрощення, що фотонний газ укладено в об'єм зі стороною довжиною L з періодичними граничними умовами (тобто, реально це буде плоский тор T = ℝ 3 / L ℤ 3). Можливі частоти класифікуються за рішеннями рівняння електромагнітних хвиль для стоячих хвиль в обсязі із зазначеними граничними умовами, які, у свою чергу, відповідають, з точністю до множника, власним значенням лапласіану. Точніше, якщо Δ υ = λ υ де υ(x) – гладка функція T → ℝ, тоді відповідне рішення рівняння електромагнітної хвилі для стоячої хвилі буде

υ(t, x) = e c √λ t υ(x)

І тому, враховуючи, що λ зазвичай негативна, і значить, √λ зазвичай уявний, відповідна частота дорівнюватиме

ω = c √(-λ)

Така частота зустрічається dim V λ разів, де V λ - λ-власне значення лапласіана.

Спрощуємо умови за допомогою об'єму з періодичними граничними умовами тому, що в цьому випадку дуже просто записати всі власні функції лапласіана. Якщо використовувати для простоти комплексні числа, то вони визначаються як

υ k (x) = e i k x

Де k = (k 1, k 2, k 3) ∈ 2 π / L * ℤ 3, хвильовий вектор. Відповідне власне значення лапласіану буде

λ k = - | k | 2 = - k 2 1 - k 2 2 - k 2 3

Відповідною частотою буде

І відповідною енергією (одного фотона цієї частоти)

E k = ℏ k = ℏ c |k|

Тут ми апроксимуємо імовірнісний розподіл за можливими частотами k, які, строго кажучи, дискретні, безперервним імовірнісним розподілом, і підраховуємо відповідну щільність станів g(ω). Ідея в тому, що g(ω) dω має відповідати кількості доступних станів із частотами в діапазоні від ω до ω + dω. Потім ми проінтегруємо щільність станів і отримаємо остаточну нормалізуючу константу.

Чому ця апроксимація розумна? Повну нормалізуючу константу можна описати так. Для кожного хвильового числа k ∈ 2 π / L * ℤ 3 існує число n k ∈ ℤ ≥0 , що описує кількість фотонів з таким хвильовим числом. Загальна кількість фотонів n = n k звичайно. Кожен фотон додає енергії ℏ ω k = ℏ c |k|, з чого випливає, що

Z(β) = ∏ k Z ω k (β) = ∏ k 1 / (1 - e -βℏc|k|)

За всіма хвильовими числами k, отже, його логарифм записується, як сума

Log Z(β) = ∑ k log 1 / (1 - e -βℏc|k|)

І цю суму ми хочемо апроксимувати інтегралом. Виявляється, що для розумних температур і великих обсягів підінтегральний вираз змінюється дуже повільно зі зміною k, тому така апроксимація буде дуже близькою. Вона перестає працювати лише за наднизьких температур, де виникає конденсат Бозе-Ейнштейна.

Щільність станів обчислюється в такий спосіб. Хвильові вектори можна як рівномірних точок грати, що у «фазовому просторі», тобто, кількість хвильових векторів у якомусь регіоні фазового простору пропорційно його обсягу, по крайнього заходу, для регіонів, великих проти кроком решітки 2π/L. По суті, кількість хвильових векторів у регіоні фазового простору дорівнює V/8π 3 де V = L 3 наш обмежений обсяг.

Залишається обчислити обсяг регіону фазового простору всім хвильових векторів k з частотами ω k = c |k| у діапазоні від ω до ω + dω. Це сферична оболонка товщиною dω/c та радіусом ω/c, тому її об'єм

2πω 2 /c 3 dω

Тому щільність станів для фотона

G(ω) dω = V ω 2 / 2 π 2 c 3 dω

Насправді ця формула вдвічі занижена: ми забули врахувати поляризацію фотонів (або, що еквівалентно, спин фотона), яка подвоює кількість станів для хвильового числа. Правильна щільність:

G(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω

Те, що щільність станів лінійна обсягом V працює у плоскому торі. Це властивість своїх значень лапласіана за законом Вейла. Це означає, що логарифм нормалізує константи

Log Z = V / π 2 c 3 ∫ ω 2 log 1 / (1 - e - βℏω) dω

Похідна β дає середню енергію фотонного газу

< E >= - ∂/∂β log Z = V / π 2 c 3 ∫ ℏω 3 / (e βℏω - 1) dω

Але для нас важливим є підінтегральний вираз, що дає «щільність енергій»

E(ω) dω = Vℏ / π 2 c 3 * ω 3 / (e βℏω - 1) dω

Описує кількість енергії фотонного газу, що походить від фотонів з частотами діапазону від ω до ω + dω. У результаті вийшла форма формули Планка, хоча з нею потрібно трохи пограти, щоб перетворити на формулу, що відноситься до АЧТ, а не до фотонних газів (потрібно поділити на V, щоб отримати щільність в одиниці об'єму, і зробити ще дещо, щоб отримати міру випромінювання).

Формула Планка має два обмеження. У випадку, коли βℏω → 0, знаменник прагне βℏω, і ми отримуємо

E(ω) dω ≈ V / π 2 c 3 * ω 2 /β dω = V k B T ω 2 / π 2 c 3 dω

Теги: Додати теги

Провівши цей нескладний досвід, ти переконаєшся, що без кисню полум'я гасне. Візьми свічку та зміцни її на тарілці. Попроси дорослих запалити свічку, потім накрий її скляною банкою. Через деякий час ти побачиш, що полум'я згасло, тому що кисень у банку закінчився.

Полум'я утворюється при горінні речовин, що знаходяться в різних станах - вони можуть бути і твердими, і рідкими, і навіть газоподібними. Утворюється полум'я лише за наявності пального речовини, кисню та тепла. Розглянемо процес на прикладі сірника: сірка і сам сірник, є горючою речовиною, тертя про коробки; енергія, що виникає в результаті тертя - стає теплом, і входячи в реакцію з киснем - сірник починає горіти. Дунувши на сірник, що горить, температура знижується і горіння припиняється.

Як вимірюють температуру?

Для вимірювання температури використовують різні шкали. Кожна шкала носить ім'я свого творця: Цельсія, Фаренгейта, Кельвіна та Ранкіна. У багатьох країнах користуються шкалою Цельсія (°С).
Ось деякі приклади температур:
250 ° С - температура займання деревини;
100 ° С - температура кипіння води;
37 ° С - температура людського тіла;
Про °С - температура замерзання води;
- 39 ° С - температура затвердіння ртуті;
- 273 ° С - абсолютний нуль температура, при якій атоми перестають рухатися.

Продукти горіння

Дим, попіл та сажа – це продукти горіння. Коли речовина згоряє, вона не зникає, а перетворюється на інші речовини та тепло.

Форма полум'я

Полум'я має подовжену форму, тому що гаряче повітря, легше, ніж холодне, спрямовується вгору.

Що таке пальне чи паливо

Речовини, що згоряють у присутності кисню з виділенням великої кількості тепла, називаються пальними та використовуються для виробництва різного виду енергії. Деревина та вугілля – це тверде пальне. Бензин, солярка та гас — рідке пальне, його одержують із нафти. Природний газ, що складається з метану, етану, пропану та бутану, — газоподібне паливо.

– стійка ланцюгова реакція, що включає горіння , яке є екзотермічну реакцію, в якій окислювач, зазвичай кисень, окислює пальне, зазвичай вуглець, в результаті чого виникають продукти згоряння, такі як діоксид вуглецю, вода, тепло і світло. Типовий приклад - горіння метану:

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O

Тепло, що виникає при горінні, може використовуватися для живлення самого горіння, і якщо цього достатньо і додаткової енергії для підтримки горіння не потрібно, виникає вогонь. Щоб зупинити вогонь, можна видалити пальне (відключити пальник на плиті), окислювач (накрити вогонь спеціальним матеріалом), тепло (збризкати вогонь водою) або реакцію.

Горіння, в певному сенсі, протилежне фотосинтезу, ендотермічної реакції, в яку вступають світло, вода та діоксид вуглецю, внаслідок чого виникає вуглець.

Є спокуса припустити, що з спалюванні дерева використовуються вуглець, що у целюлозі . Однак, зважаючи на все, відбувається щось складніше. Якщо дерево піддати впливу тепла, воно піддається піролізу (на відміну від горіння, що не вимагає кисню), що перетворює її на більш горючі речовини, такі, як гази, і саме ці речовини загоряються при пожежах.

Якщо дерево горить досить довго, полум'я зникне, але тління продовжиться, зокрема дерево продовжить світитися. Тління – це неповне горіння, у результаті якого, на відміну повного горіння, виникає монооксид вуглецю.

Повсякденні об'єкти постійно випромінюють тепло, більшість якого знаходиться в інфрачервоному діапазоні. Його довжина хвилі більша, ніж у видимого світла, тому без спеціальних камер його не побачити. Вогонь досить яскравий для того, щоб видавати видиме світло, хоч і інфрачервоного випромінювання у нього вистачає.

Інший механізм виникнення кольору біля вогню – спектр випромінювання об'єкта, що спалюється. На відміну від випромінювання АЧТ спектр випромінювання має дискретні частоти. Це відбувається тому, що електрони породжують фотони на певних частотах, переходячи з високоенергетичного в низькоенергетичний стан. Ці частоти можна використовувати визначення присутніх у пробі елементів. Така ідея (яка використовує спектр поглинання) використовується визначення складу зірок. Спектр випромінювання також відповідає за колір феєрверків та кольорового вогню.

Форма полум'я Землі залежить від гравітації. Коли вогонь розігріває навколишнє повітря, відбувається конвекція: гаряче повітря, що містить, крім іншого, гарячу золу, піднімається, а холодний (кисень, що містить), опускається, підтримуючи вогонь і надаючи полум'я його форму. При низькій гравітації, наприклад, на космічній станції, цього немає. Вогонь живиться дифузією кисню, тому горить повільніше і у вигляді сфери (оскільки горіння відбувається тільки там, де вогонь стикається з повітрям, що містить кисень. Усередині сфери кисню не залишається).

Випромінювання абсолютно чорного тіла

Випромінювання АЧТ описує формула Планка, що відноситься до квантової механіки. Історично вона була одним із перших застосувань квантової механіки. Її можна вивести із квантової статистичної механіки в такий спосіб.

Ми підраховуємо розподіл частот у фотонному газі при температурі T. Те, що воно збігається з розподілом частот фотонів, що випускаються абсолютно чорним тілом тієї ж температури, випливає із закону випромінювання Кірхгофа. Ідея в тому, що АЧТ можна привести до температурної рівноваги з фотонним газом (оскільки вони мають однакову температуру). Фотонний газ поглинається ЧТ, що також випромінює фотони, так що для рівноваги необхідно, щоб для кожної частоти, на якій ЧТ випускає випромінювання, воно і поглинало б його з тією ж швидкістю, що визначається розподілом частот у газі.

У статистичній механіці ймовірність знаходження системи у мікростані s, якщо вона знаходиться в тепловій рівновазі при температурі T, пропорційна

Де E s – енергія стану s, а β = 1/k B T, або термодинамічна бета (Т – температура, k B – постійна Больцмана). Це розподіл Больцмана. Одне з пояснень цього дано в блогу Теренса Тао. Це означає, що ймовірність дорівнює

P s = (1/Z(β)) * e - β E s

Де Z(β) – нормалізуюча константа

Z(β) = ∑ s e - β E s

Для опису стану фотонного газу потрібно знати щось щодо квантової поведінки фотонів. При стандартному квантуванні електромагнітного поля поле можна розглядати як набір гармонійних квантових осциляцій , кожна з яких осцилює з різними кутовими частотами ω. Енергії власних станів гармонійного осцилятора позначаються невід'ємним цілим n ∈ ℤ ≥ 0 , яке можна інтерпретувати як кількість фотонів частоти ω. Енергії власних станів (з точністю до константи):

У свою чергу, квантова нормалізуюча константа передбачає, що на низьких частотах (щодо температури) класична відповідь приблизно вірна, але на високих середня енергія експоненційно падає, при цьому падіння виходить більшим за менших температур. Це відбувається тому, що на високих частотах та низьких температурах квантовий гармонійний осцилятор більшу частину часу проводить в основному стані, і не переходить так легко на наступний рівень, що ймовірність чогось експоненційно нижча. Фізики говорять, що більшість цього ступеня свободи (свободи осцилятора коливатися на певній частоті) «заморожується».

Щільність станів та формула Планка

Тепер, знаючи, що відбувається на певній частоті, необхідно підсумувати по всіх можливих частотах. Ця частина класична обчислень і ніяких квантових поправок робити не треба.

Ми використовуємо стандартне спрощення, що фотонний газ укладено в об'єм зі стороною довжиною L з періодичними граничними умовами (тобто, реально це буде плоский тор T = ℝ 3 / L ℤ 3). Можливі частоти класифікуються за рішеннями рівняння електромагнітних хвиль для стоячих хвиль в обсязі із зазначеними граничними умовами, які, у свою чергу, відповідають, з точністю до множника, власним значенням лапласіану. Точніше, якщо Δ υ = λ υ де υ(x) – гладка функція T → ℝ, тоді відповідне рішення рівняння електромагнітної хвилі для стоячої хвилі буде

υ(t, x) = e c √λ t υ(x)

І тому, враховуючи, що λ зазвичай негативна, і значить, √λ зазвичай уявний, відповідна частота дорівнюватиме

ω = c √(-λ)

Така частота зустрічається dim V λ разів, де V λ - λ-власне значення лапласіана.

Спрощуємо умови за допомогою об'єму з періодичними граничними умовами тому, що в цьому випадку дуже просто записати всі власні функції лапласіана. Якщо використовувати для простоти комплексні числа, то вони визначаються як

υ k (x) = e i k x

Де k = (k 1, k 2, k 3) ∈ 2 π / L * ℤ 3, хвильовий вектор. Відповідне власне значення лапласіану буде

λ k = - | k | 2 = - k 2 1 - k 2 2 - k 2 3

Відповідною частотою буде

І відповідною енергією (одного фотона цієї частоти)

E k = ℏ k = ℏ c |k|

Тут ми апроксимуємо імовірнісний розподіл за можливими частотами k, які, строго кажучи, дискретні, безперервним імовірнісним розподілом, і підраховуємо відповідну щільність станів g(ω). Ідея в тому, що g(ω) dω має відповідати кількості доступних станів із частотами в діапазоні від ω до ω + dω. Потім ми проінтегруємо щільність станів і отримаємо остаточну нормалізуючу константу.

Чому ця апроксимація розумна? Повну нормалізуючу константу можна описати так. Для кожного хвильового числа k ∈ 2 π / L * ℤ 3 існує число n k ∈ ℤ ≥0 , що описує кількість фотонів з таким хвильовим числом. Загальна кількість фотонів n = n k звичайно. Кожен фотон додає енергії ℏ ω k = ℏ c |k|, з чого випливає, що

Z(β) = ∏ k Z ω k (β) = ∏ k 1 / (1 - e -βℏc|k|)

За всіма хвильовими числами k, отже, його логарифм записується, як сума

Log Z(β) = ∑ k log 1 / (1 - e -βℏc|k|)

І цю суму ми хочемо апроксимувати інтегралом. Виявляється, що для розумних температур і великих обсягів підінтегральний вираз змінюється дуже повільно зі зміною k, тому така апроксимація буде дуже близькою. Вона перестає працювати лише за наднизьких температур, де виникає конденсат Бозе-Ейнштейна.

Щільність станів обчислюється в такий спосіб. Хвильові вектори можна як рівномірних точок грати, що у «фазовому просторі», тобто, кількість хвильових векторів у якомусь регіоні фазового простору пропорційно його обсягу, по крайнього заходу, для регіонів, великих проти кроком решітки 2π/L. По суті, кількість хвильових векторів у регіоні фазового простору дорівнює V/8π 3 де V = L 3 наш обмежений обсяг.

Залишається обчислити обсяг регіону фазового простору всім хвильових векторів k з частотами ω k = c |k| у діапазоні від ω до ω + dω. Це сферична оболонка товщиною dω/c та радіусом ω/c, тому її об'єм

2πω 2 /c 3 dω

Тому щільність станів для фотона

G(ω) dω = V ω 2 / 2 π 2 c 3 dω

Насправді ця формула вдвічі занижена: ми забули врахувати поляризацію фотонів (або, що еквівалентно, спин фотона), яка подвоює кількість станів для хвильового числа. Правильна щільність:

G(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω

Те, що щільність станів лінійна обсягом V працює у плоскому торі. Це властивість своїх значень лапласіана за законом Вейла. Це означає, що логарифм нормалізує константи

Log Z = V / π 2 c 3 ∫ ω 2 log 1 / (1 - e - βℏω) dω

Похідна β дає середню енергію фотонного газу

< E >= - ∂/∂β log Z = V / π 2 c 3 ∫ ℏω 3 / (e βℏω - 1) dω

Але для нас важливим є підінтегральний вираз, що дає «щільність енергій»

E(ω) dω = Vℏ / π 2 c 3 * ω 3 / (e βℏω - 1) dω

Описує кількість енергії фотонного газу, що походить від фотонів з частотами діапазону від ω до ω + dω. У результаті вийшла форма формули Планка, хоча з нею потрібно трохи пограти, щоб перетворити на формулу, що відноситься до АЧТ, а не до фотонних газів (потрібно поділити на V, щоб отримати щільність в одиниці об'єму, і зробити ще дещо, щоб отримати міру випромінювання).

Формула Планка має два обмеження. У випадку, коли βℏω → 0, знаменник прагне βℏω, і ми отримуємо

E(ω) dω ≈ V / π 2 c 3 * ω 2 /β dω = V k B T ω 2 / π 2 c 3 dω

Теги:

• вогонь
• квантова фізика

Додати теги

У процесі горіння утворюється полум'я, будова якого обумовлена ​​речовинами, що реагують. Його структура поділена області залежно від температурних показників.

Визначення

Полум'ям називають гази в розжареному вигляді, у яких присутні складові плазми або речовини у твердій дисперсній формі. У них здійснюються перетворення фізичного та хімічного типу, що супроводжуються світінням, виділенням теплової енергії та розігрівом.

Наявність в газоподібному середовищі іонних і радикальних частинок характеризує його електричну провідність і особливу поведінку в електромагнітному полі.

Що таке язики полум'я

Зазвичай так називають процеси, пов'язані з горінням. Порівняно з повітрям, газова щільність менша, але високі температурні показники зумовлюють підняття газу. Так і утворюються язики полум'я, які бувають довгими та короткими. Часто відбувається і плавний перехід одних форм до інших.

Полум'я: будова та структура

Для визначення зовнішнього вигляду описуваного явища досить запалити полум'я, що з'явилося, не світиться не можна назвати однорідним. Візуально можна виділити три його основні сфери. До речі, вивчення будови полум'я показує, що різні речовини горять із заснуванням різного типу смолоскипа.

При горінні суміші з газу та повітря спочатку відбувається формування короткого факела, колір якого має блакитні та фіолетові відтінки. У ньому проглядається ядро ​​- зелено-блакитне, що нагадує конус. Розглянемо це полум'я. Будова його поділяється на три зони:

1. Виділяють підготовчу ділянку, в якій відбувається нагрівання суміші з газу та повітря при виході з отвору пальника.
2. За нею слідує зона, в якій відбувається горіння. Вона займає верхівку конуса.
3. Коли є нестача повітряного потоку, газ згоряє в повному обсязі. Виділяється вуглецю двовалентний оксид та водневі залишки. Їхнє догоряння протікає в третій області, де є кисневий доступ.

Тепер окремо розглянемо різні горіння.

Горіння свічки

Горіння свічки подібне до горіння сірника або запальнички. А будова полум'я свічки нагадує розпечений газовий потік, який витягується вгору за рахунок сил, що виштовхують. Процес починається з нагрівання гніт, за яким слідує випаровування парафіну.

Саму нижню зону, що знаходиться всередині та прилеглу до нитки, називають першою областю. Вона має невелике світіння через велику кількість палива, але малого обсягу кисневої суміші. Тут здійснюється процес неповного згоряння речовин із виділенням який надалі окислюється.

Першу зону оточує друга оболонка, що світиться, що характеризує будову полум'я свічки. До неї надходить більший кисневий обсяг, що зумовлює продовження окисної реакції за участю паливних молекул. Температурні показники тут будуть вищими, ніж у темній зоні, але недостатні для кінцевого розкладання. Саме в перших двох областях при сильному нагріванні крапель незгорілого палива і вугільних частинок з'являється ефект, що світиться.

Друга зона оточена слабопомітною оболонкою з високими температурними значеннями. До неї входить багато кисневих молекул, що сприяє повному догоранню паливних частинок. Після окислення речовин, у третій зоні ефект, що світиться, не спостерігається.

Схематичне зображення

Для наочності подаємо вашій увазі зображення горіння свічки. Схема полум'я включає:

1. Першу чи темну область.
2. Другу зону, що світиться.
3. Третю прозору оболонку.

Нитка свічки не піддається горінню, лише відбувається обвугливание загнутого кінця.

Горіння спиртування

Для хімічних експериментів часто використовують невеликі резервуари із спиртом. Їх називають спиртівками. Гнот пальника просочується залитим через отвір рідким паливом. Цьому сприяє тиск капілярний. При досягненні вільної верхівки гніт спирт починає випаровуватися. У пароподібному стані він підпалюється і горить при температурі трохи більше 900 °C.

Полум'я спиртування має звичайну форму, воно практично безбарвне, з невеликим відтінком блакитного. Його зони не так чітко видно, як у свічки.

У названої на честь вченого Бартеля, початок вогню розташовується над гартальною сіткою пальника. Таке заглиблення полум'я призводить до зменшення внутрішнього темного конуса, а з отвору виходить середня ділянка, яка вважається гарячою.

Колірна характеристика

Випромінювання різних викликається електронними переходами. Їх ще називають тепловими. Так, в результаті горіння вуглеводневого компонента в повітряному середовищі синє полум'я обумовлено виділенням сполуки H-C. А при випромінюванні частинок C-C факел забарвлюється в оранжево-червоний колір.

Важко розглянути будову полум'я, хімія якого включає сполуки води, вуглекислого та чадного газу, зв'язок OH. Його мови майже безбарвні, оскільки вищезазначені частинки при горінні виділяють випромінювання ультрафіолетового та інфрачервоного діапазону.

Забарвлення полум'я взаємопов'язане з температурними показниками, з наявністю в ньому іонних частинок, які належать до певного емісійного або оптичного спектру. Так, горіння деяких елементів призводить до зміни кольору вогню у пальнику. Відмінності у фарбуванні смолоскипа пов'язані з розташуванням елементів у різних групах системи періодичної.

Вогонь на наявність випромінювань, які стосуються видимого спектру, вивчають спектроскопом. При цьому було встановлено, що прості речовини із загальної підгрупи надають і таке забарвлення полум'я. Для наочності використовують горіння натрію як тест на даний метал. При внесенні його в полум'я язики стають яскраво-жовтими. З кольорових характеристик виділяють натрієву лінію в емісійному спектрі.

Для характерна властивість швидкого збудження світлового випромінювання атомарних частинок. При внесенні важких сполук таких елементів у вогонь пальника Бунзена відбувається його фарбування.

Спектроскопічне дослідження показує характерні лінії в області, видимій для людини. Швидкість збудження світлового випромінювання та проста спектральна будова тісно взаємопов'язані з високою електропозитивною характеристикою даних металів.

Характеристика

В основі класифікації полум'я лежать такі характеристики:

• стан агрегатний згоряючих сполук. Вони бувають газоподібної, аеродисперсної, твердої та рідкої форми;
• тип випромінювання, яке може бути безбарвним, що світиться і забарвленим;
• розподільча швидкість. Існує швидке та повільне поширення;
• висота полум'я. Будова може бути короткою і довгою;
• характер пересування реагуючих сумішей. Виділяють пульсуюче, ламінарне, турбулентне переміщення;
• візуальне сприйняття. Речовини горять із виділенням коптячого, кольорового чи прозорого полум'я;
• температурний показник. Полум'я може бути низькотемпературним, холодним та високотемпературним.
• стан фази паливо – окислюючий реагент.

Займання відбувається в результаті дифузії або попереднього перемішування активних компонентів.

Окислювальна та відновна область

Процес окислення протікає у слабопомітній зоні. Вона найгарячіша і розташовується вгорі. У ній паливні частинки зазнають повного згоряння. А наявність у кисневому надлишку та пального недоліку призводить до інтенсивного процесу окислення. Цією особливістю слід користуватися при нагріванні предметів над пальником. Саме тому речовину занурюють у верхню частину полум'я. Таке горіння протікає набагато швидше.

Відновлювальні реакції проходять у центральній та нижній частині полум'я. Тут міститься великий запас горючих речовин та мала кількість O 2 молекул, що здійснюють горіння. При внесенні до цих областей здійснюється відщеплення O елемента.

Як приклад відновного полум'я використовують процес розщеплення заліза двовалентного сульфату. При попаданні FeSO 4 в центральну частину смолоскипа пальника відбувається спочатку його нагрівання, а потім розкладання на оксид тривалентного заліза, ангідрид і двоокис сірки. У цій реакції спостерігається відновлення S із зарядом від +6 до +4.

Зварювальне полум'я

Даний вид вогню утворюється в результаті згоряння суміші з газу або пари рідини з киснем чистого повітря.

Прикладом є формування полум'я киснево-ацетиленового. У ньому виділяють:

• зону ядра;
• середню область відновлення;
• смолоскипну крайню зону.

Так горять багато газокисневих сумішей. Відмінності у співвідношенні ацетилену та окислювача призводять до різного типу полум'я. Воно може бути нормальної, навуглерожуючої (ацетиленістої) та окисної будови.

Теоретично процес неповного згоряння ацетилену в чистому кисні можна охарактеризувати наступним рівнянням: HCCH + O 2 → H 2 + CO + CO (для реакції необхідна одна моль O 2 ).

Отриманий молекулярний водень і чадний газ реагують з повітряним киснем. Кінцевими продуктами є вода та оксид чотиривалентного вуглецю. Рівняння має такий вигляд: CO + CO + H 2 + 1½O 2 → CO 2 + CO 2 +H 2 O. Для цієї реакції необхідно 1,5 моля кисню. При підсумовуванні O 2 виходить, що 2,5 моль витрачається 1 моль HCCH. А так як на практиці важко знайти ідеально чистий кисень (часто він має невелике забруднення домішками), співвідношення O 2 до HCCH буде 1,10 до 1,20.

Коли значення пропорції кисню до ацетилену менше 1,10, виникає полум'я, що вуглерожує. Будова його має збільшене ядро, контури його стають розпливчастими. З такого вогню виділяється кіптяву, внаслідок нестачі кисневих молекул.

Якщо ж співвідношення газів більше 1,20, виходить окислювальне полум'я з кисневим надлишком. Зайві молекули руйнують атоми заліза та інші компоненти сталевого пальника. У такому полум'ї ядерна частина стає короткою і має загострення.

Температурні показники

Кожна зона вогню свічки або пальника має свої значення, зумовлені надходженням кисневих молекул. Температура відкритого полум'я у різних його частинах коливається від 300 до 1600 °C.

Прикладом є полум'я дифузійне і ламінарне, яке утворене трьома оболонками. Конус його складається з темної ділянки з температурою до 360 ° C і недоліком речовини, що окислює. Над ним розташовується зона світіння. Її температурний показник коливається від 550 до 850 °C, що сприяє розкладанню термічної горючої суміші та її горінню.

Зовнішня область ледь помітна. У ній температура полум'я сягає 1560 °C, що з природними характеристиками паливних молекул і швидкістю надходження окислюючої речовини. Тут горіння найенергійніше.

Речовини займаються за різних температурних умов. Так, металевий магній горить лише за 2210 °С. Багато твердих речовин температура полум'я близько 350 °З. Займання сірників і гасу можливе при 800 °С, тоді як деревини - від 850 °С до 950 °С.

Сигарета горить полум'ям, температура якого варіюється від 690 до 790 ° С, а пропан-бутановой суміші - від 790 ° С до 1960 ° С. Бензин займається при 1350 °С. Полум'я горіння спирту має температуру трохи більше 900 °З.