Огонь — это быстрое окисление материала ( топлива ) в экзотермическом химическом процессе горения , в результате которого выделяется тепло , свет и различные продукты реакции . [1] [a] В определенный момент реакции горения, называемый точкой воспламенения, образуется пламя. Пламя — это видимая часть огня. Пламя состоит в основном из углекислого газа, водяного пара, кислорода и азота. Если оно достаточно горячее, газы могут ионизироваться, образуя плазму . [2] В зависимости от горящих веществ и любых примесей снаружи цвет пламени и интенсивность огня будут разными. [3]
Пожар, в его наиболее распространенной форме, может привести к пожару , который может привести к физическому ущербу, который может быть постоянным, через сжигание . Пожар является значительным процессом, который влияет на экологические системы во всем мире. Положительные эффекты огня включают стимулирование роста и поддержание различных экологических систем. Его отрицательные эффекты включают опасность для жизни и имущества, загрязнение атмосферы и воды. [4] Когда огонь уничтожает защитную растительность , обильные осадки могут способствовать увеличению эрозии почвы водой . [5] Кроме того, сжигание растительности высвобождает азот в атмосферу, в отличие от таких элементов, как калий и фосфор , которые остаются в золе и быстро перерабатываются в почву. [6] [7] Эта потеря азота, вызванная пожаром, приводит к долгосрочному снижению плодородия почвы, которое может быть восстановлено, поскольку атмосферный азот фиксируется и преобразуется в аммиак естественными явлениями, такими как молнии , или бобовыми растениями, такими как клевер , горох и зеленая фасоль .
Огонь является одним из четырех классических элементов и использовался людьми в ритуалах , в сельском хозяйстве для расчистки земель, для приготовления пищи, получения тепла и света, для подачи сигналов, в качестве двигателя, для выплавки , ковки , сжигания отходов, кремации , а также в качестве оружия или средства разрушения.
Слово «fire» произошло от древнеанглийского Fyr 'Fire, a fire', которое можно проследить до германского корня * fūr- , который, в свою очередь, происходит от протоиндоевропейского * perjos от корня * paewr- ' fire ' . Современное написание слова «fire» использовалось еще в 1200 году, но только около 1600 года оно полностью заменило среднеанглийский термин fier (который до сих пор сохранился в слове «firey»). [8]
Ископаемая летопись огня впервые появляется с установлением наземной флоры в период среднего ордовика , 470 миллионов лет назад , [9] что позволило накапливать кислород в атмосфере, как никогда ранее, поскольку новые орды наземных растений выкачивали его в качестве отходов. Когда эта концентрация превышала 13%, это допускало возможность лесного пожара . [10] Лесной пожар впервые зафиксирован в летописи окаменелостей позднего силура , 420 миллионов лет назад , по окаменелостям древесноугольных растений. [11] [12] Помимо спорного пробела в позднем девоне , древесный уголь присутствует с тех пор. [12] Уровень атмосферного кислорода тесно связан с распространенностью древесного угля: очевидно, что кислород является ключевым фактором в обилии лесных пожаров. [13] Пожар также стал более обильным, когда травы начали распространяться и стали доминирующим компонентом многих экосистем, около 6-7 миллионов лет назад ; [14] эта растопка дала трут , который способствовал более быстрому распространению огня. [13] Эти широкомасштабные пожары могли инициировать процесс положительной обратной связи , в результате чего они создали более теплый и сухой климат, более благоприятный для огня. [13]
Способность управлять огнем была кардинальным изменением в привычках древних людей. [15] Использование огня для получения тепла и света позволило людям готовить пищу, одновременно увеличивая разнообразие и доступность питательных веществ и сокращая заболевания за счет уничтожения патогенных микроорганизмов в пище. [16] Вырабатываемое тепло также помогало людям согреваться в холодную погоду, позволяя им жить в более прохладном климате. Огонь также отпугивал ночных хищников. Доказательства того, что иногда готовили пищу, датируются 1 миллионом лет назад . [17] Хотя эти доказательства показывают, что огонь, возможно, использовался контролируемым образом около 1 миллиона лет назад, [18] [19] другие источники относят дату регулярного использования к 400 000 лет назад. [20] Доказательства становятся широко распространенными около 50–100 тысяч лет назад, что предполагает регулярное использование с этого времени; интересно, что устойчивость к загрязнению воздуха начала развиваться у человеческих популяций в аналогичный момент времени. [20] Использование огня становилось все более сложным, поскольку его использовали для создания древесного угля и контроля за дикой природой еще десятки тысяч лет назад. [20]
Огонь также использовался на протяжении столетий как метод пыток и казней, о чем свидетельствуют случаи смерти через сожжение , а также такие орудия пыток, как железный сапог , который можно было наполнить водой, маслом или даже свинцом , а затем нагреть на открытом огне, причиняя мучения носителю.
К неолитической революции , во время внедрения зернового сельского хозяйства, люди во всем мире использовали огонь как инструмент в управлении ландшафтом . Эти пожары, как правило, были контролируемыми ожогами или «холодными пожарами», в отличие от неконтролируемых «горячих пожаров», которые повреждают почву. Горячие пожары уничтожают растения и животных и подвергают опасности сообщества. [21] Это особенно проблема в лесах сегодня, где традиционное сжигание предотвращается, чтобы стимулировать рост древесных культур. Холодные пожары обычно проводятся весной и осенью. Они очищают подлесок, сжигая биомассу , которая может вызвать горячий пожар, если он станет слишком густым. Они обеспечивают большее разнообразие сред, что способствует разнообразию дичи и растений. Для людей они делают густые, непроходимые леса проходимыми. Еще одно использование человеком огня в отношении управления ландшафтом — это его использование для расчистки земель для сельского хозяйства. Подсечно-огневое земледелие по-прежнему распространено во многих частях тропической Африки, Азии и Южной Америки. Для мелких фермеров контролируемые пожары являются удобным способом расчистить заросшие участки и высвободить питательные вещества из стоящей растительности обратно в почву. [22] Однако эта полезная стратегия также проблематична. Рост населения, фрагментация лесов и потепление климата делают поверхность Земли более подверженной все более масштабным скрытым пожарам. Они наносят вред экосистемам и человеческой инфраструктуре, вызывают проблемы со здоровьем и поднимают спирали углерода и сажи, которые могут способствовать еще большему потеплению атмосферы и, таким образом, способствовать еще большему пожару. Сегодня в мире ежегодно горит до 5 миллионов квадратных километров — площадь, превышающая половину площади Соединенных Штатов. [22]
Существует множество современных применений огня. В самом широком смысле огонь используется почти каждым человеком на Земле в контролируемой обстановке каждый день. Пользователи транспортных средств внутреннего сгорания используют огонь каждый раз, когда они едут. Тепловые электростанции обеспечивают электроэнергией большую часть человечества, сжигая топливо, такое как уголь , нефть или природный газ , а затем используя полученное тепло для кипячения воды в пар , который затем приводит в движение турбины .
Использование огня в войне имеет долгую историю . Огонь был основой всего раннего термического оружия . Византийский флот использовал греческий огонь для атаки кораблей и людей.
Изобретение пороха в Китае привело к появлению огненного копья — огнеметного оружия, датируемого примерно 1000 годом н. э. и являвшегося предшественником метательного оружия, приводимого в движение горящим порохом .
Самые ранние современные огнеметы использовались пехотой во время Первой мировой войны , впервые их применили немецкие войска против укрепившихся французских войск под Верденом в феврале 1915 года. [24] Позднее их успешно устанавливали на бронетехнику во время Второй мировой войны.
Зажигательные бомбы, самодельные из стеклянных бутылок, позже известные как коктейли Молотова , применялись во время гражданской войны в Испании в 1930-х годах. Также во время этой войны зажигательные бомбы применялись против Герники фашистскими итальянскими и нацистскими немецкими военно-воздушными силами, которые были созданы специально для поддержки националистов Франко .
Зажигательные бомбы сбрасывались странами Оси и Союзниками во время Второй мировой войны, в частности, на Ковентри , Токио , Роттердам , Лондон , Гамбург и Дрезден ; в последних двух случаях огненные штормы были намеренно вызваны, в которых огненное кольцо, окружавшее каждый город, было втянуто внутрь восходящим потоком, вызванным центральным скоплением пожаров. [25] Военно-воздушные силы США также широко использовали зажигательные бомбы против японских целей в последние месяцы войны, опустошая целые города, построенные в основном из дерева и бумажных домов. Зажигательная жидкость напалм была использована в июле 1944 года, ближе к концу Второй мировой войны , хотя ее использование не привлекло общественного внимания до войны во Вьетнаме . [26]
Управление огнем для оптимизации его размера, формы и интенсивности обычно называется управлением огнем , а более продвинутые его формы, которые традиционно (а иногда и до сих пор) практикуются опытными поварами, кузнецами , мастерами по металлу и другими, являются высококвалифицированными видами деятельности. Они включают в себя знание того, какое топливо сжигать; как расположить топливо; как поддерживать огонь как на ранних этапах, так и на этапах поддержания; как регулировать тепло, пламя и дым в соответствии с желаемым применением; как лучше всего разжечь огонь, чтобы его можно было возродить позже; как выбирать, проектировать или модифицировать печи, камины, хлебопекарные печи или промышленные печи ; и так далее. Подробные изложения управления огнем доступны в различных книгах о кузнечном деле, об опытном походе или военной разведке и о домашних искусствах .
Сжигание топлива преобразует химическую энергию в тепловую; древесина использовалась в качестве топлива с доисторических времен . [27] Международное энергетическое агентство утверждает, что в последние десятилетия почти 80% мировой энергии постоянно поступало из ископаемого топлива, такого как нефть , природный газ и уголь . [28] Огонь на электростанции используется для нагрева воды, создавая пар, который приводит в движение турбины . Затем турбины вращают электрогенератор для выработки электроэнергии. [29] Огонь также используется для выполнения механической работы непосредственно за счет теплового расширения как в двигателях внешнего, так и внутреннего сгорания .
Несгораемые твердые остатки горючего материала, оставшиеся после пожара, называются клинкером , если его температура плавления ниже температуры пламени, так что он плавится, а затем затвердевает по мере охлаждения, и золой , если его температура плавления выше температуры пламени.
Пожар — это химический процесс, в котором топливо и окислитель реагируют, образуя углекислый газ и воду . [30] Этот процесс, известный как реакция горения , не протекает напрямую и включает промежуточные продукты . [30] Хотя окислителем обычно является кислород , другие соединения способны выполнять эту роль. Например, трифторид хлора способен воспламенять песок . [31]
Пожары начинаются, когда легковоспламеняющийся или горючий материал в сочетании с достаточным количеством окислителя, такого как газообразный кислород или другое богатое кислородом соединение (хотя существуют и некислородные окислители), подвергается воздействию источника тепла или температуры окружающей среды выше температуры вспышки для смеси топлива и окислителя и способен поддерживать скорость быстрого окисления, которая вызывает цепную реакцию . Это обычно называют огненным тетраэдром . Пожар не может существовать без всех этих элементов на месте и в правильных пропорциях. Например, легковоспламеняющаяся жидкость начнет гореть только в том случае, если топливо и кислород находятся в правильных пропорциях. Для некоторых смесей топлива и кислорода может потребоваться катализатор , вещество, которое не расходуется при добавлении в какой-либо химической реакции во время горения, но которое позволяет реагентам легче сгорать.
После возгорания должна произойти цепная реакция, в результате которой огонь может поддерживать собственное тепло за счет дальнейшего выделения тепловой энергии в процессе горения и может распространяться при условии непрерывной подачи окислителя и топлива.
Если окислителем является кислород из окружающего воздуха, то наличие силы тяжести или какой-либо подобной силы, вызванной ускорением, необходимо для создания конвекции , которая удаляет продукты сгорания и обеспечивает подачу кислорода к огню. Без гравитации огонь быстро окружает себя собственными продуктами сгорания и неокисляющими газами из воздуха, которые исключают кислород и тушат огонь. Из-за этого риск возникновения пожара в космическом корабле невелик, когда он движется по инерции. [32] [33] Это не применимо, если кислород подается к огню каким-либо процессом, отличным от тепловой конвекции.
Пожар можно потушить , удалив любой из элементов огненного тетраэдра. Рассмотрим пламя природного газа, например, из горелки плиты. Пожар можно потушить любым из следующих способов:
Напротив, огонь усиливается за счет увеличения общей скорости горения. Методы достижения этого включают балансировку подачи топлива и окислителя до стехиометрических пропорций, увеличение подачи топлива и окислителя в этой сбалансированной смеси, повышение температуры окружающей среды, чтобы собственное тепло огня было более способно поддерживать горение, или предоставление катализатора, нереакционноспособной среды, в которой топливо и окислитель могут более легко реагировать.
Пламя представляет собой смесь реагирующих газов и твердых веществ, испускающих видимый, инфракрасный , а иногда и ультрафиолетовый свет, частотный спектр которого зависит от химического состава горящего материала и промежуточных продуктов реакции. Во многих случаях, таких как горение органического вещества , например, дерева, или неполное сгорание газа, раскаленные твердые частицы, называемые сажей, производят знакомое красно-оранжевое свечение «огня». Этот свет имеет непрерывный спектр . Полное сгорание газа имеет тусклый синий цвет из-за испускания одноволнового излучения от различных электронных переходов в возбужденных молекулах, образующихся в пламени. Обычно участвует кислород, но водород, горящий в хлоре, также производит пламя, производя хлористый водород (HCl). Другие возможные комбинации, производящие пламя, среди многих, это фтор и водород , а также гидразин и тетраоксид азота . Пламя водорода и гидразина/ НДМГ имеет схожий бледно-голубой цвет, в то время как горение бора и его соединений, оцененных в середине XX века как высокоэнергетическое топливо для реактивных и ракетных двигателей , испускает интенсивное зеленое пламя, что привело к его неофициальному прозвищу «Зеленый дракон».
Свечение пламени сложное. Излучение черного тела испускается сажей, газом и частицами топлива, хотя частицы сажи слишком малы, чтобы вести себя как абсолютно черные тела. Также существует излучение фотонов девозбужденными атомами и молекулами в газах. Большая часть излучения испускается в видимом и инфракрасном диапазонах. Цвет зависит от температуры для излучения черного тела и от химического состава для спектров излучения .
Обычное распределение пламени в условиях нормальной гравитации зависит от конвекции , поскольку сажа имеет тенденцию подниматься к вершине общего пламени, как в свече в условиях нормальной гравитации, делая его желтым. В условиях микрогравитации или невесомости , [34] например, в условиях открытого космоса , конвекция больше не происходит, и пламя становится сферическим, с тенденцией становиться более синим и более эффективным (хотя оно может погаснуть, если не перемещается равномерно, поскольку CO2 от сгорания не рассеивается так легко в условиях микрогравитации и имеет тенденцию гасить пламя). Существует несколько возможных объяснений этой разницы, из которых наиболее вероятным является то, что температура достаточно равномерно распределена, чтобы сажа не образовывалась и происходило полное сгорание. [35] Эксперименты НАСА показывают, что диффузионное пламя в условиях микрогравитации позволяет полностью окислить больше сажи после их образования, чем диффузионное пламя на Земле, из-за ряда механизмов, которые ведут себя по-разному в условиях микрогравитации по сравнению с условиями нормальной гравитации. [36] Эти открытия имеют потенциальное применение в прикладной науке и промышленности , особенно в отношении эффективности использования топлива .
Адиабатическая температура пламени данной пары топлива и окислителя — это температура, при которой газы достигают устойчивого горения.
Наука о пожаре — это раздел физической науки , который включает в себя поведение огня, динамику и горение . Приложения науки о пожаре включают в себя противопожарную защиту , расследование пожаров и управление лесными пожарами .
Каждая естественная экосистема на суше имеет свой собственный режим пожара , и организмы в этих экосистемах адаптированы или зависят от этого режима пожара. Огонь создает мозаику из различных участков среды обитания , каждый из которых находится на разной стадии сукцессии . [38] Различные виды растений, животных и микробов специализируются на эксплуатации определенной стадии, и, создавая эти различные типы участков, огонь позволяет большему количеству видов существовать в пределах ландшафта.
Программы по предотвращению лесных пожаров по всему миру могут использовать такие методы, как использование лесных пожаров и предписанные или контролируемые выжигания . [39] [40] Использование лесных пожаров относится к любому пожару естественного происхождения, который контролируется, но которому разрешено гореть. Контролируемые выжигания — это пожары, которые разжигают государственные учреждения при менее опасных погодных условиях. [41]
В большинстве развитых районов предоставляются услуги по тушению или сдерживанию неконтролируемых пожаров. Обученные пожарные используют пожарные аппараты , ресурсы водоснабжения, такие как водопроводные магистрали и пожарные гидранты , или они могут использовать пену класса A и B в зависимости от того, что питает огонь.
Предотвращение пожаров направлено на сокращение источников возгорания. Предотвращение пожаров также включает в себя обучение людей тому, как избегать возникновения пожаров. [42] В зданиях, особенно в школах и высотных зданиях, часто проводятся пожарные учения , чтобы информировать и готовить граждан к реагированию на пожар в здании. Намеренное разжигание разрушительных пожаров является поджогом и преступлением в большинстве юрисдикций. [43]
Строительные нормы и правила требуют пассивной противопожарной защиты и активных систем противопожарной защиты для минимизации ущерба от пожара. Наиболее распространенной формой активной противопожарной защиты являются пожарные спринклеры . Для максимизации пассивной противопожарной защиты зданий строительные материалы и мебель в большинстве развитых стран тестируются на огнестойкость , горючесть и воспламеняемость . Обивка , ковровые покрытия и пластик, используемые в транспортных средствах и судах, также тестируются.
В случаях, когда профилактика пожаров и противопожарная защита не смогли предотвратить ущерб, страхование от пожара может смягчить финансовые последствия. [44]
доказательствам, найденным в пещере в Южной Африке, древние люди научились использовать огонь еще миллион лет назад, намного раньше, чем считалось ранее.
