Пожар — это быстрое окисление материала ( топлива ) в экзотермическом химическом процессе горения с выделением тепла , света и различных продуктов реакции . [1] [a] В определенной точке реакции горения, называемой точкой воспламенения, возникает пламя. Пламя – это видимая часть огня. Пламя состоит в основном из углекислого газа, водяного пара, кислорода и азота. Если газы достаточно горячие, они могут ионизироваться, образуя плазму . [2] В зависимости от горящих веществ и любых примесей снаружи цвет пламени и интенсивность огня будут разными. [3]
Огонь в своей наиболее распространенной форме может привести к пожару , который может привести к физическому повреждению, которое может быть необратимым в результате возгорания . Пожар – это важный процесс, влияющий на экологические системы во всем мире. Положительные эффекты огня включают стимулирование роста и поддержание различных экологических систем. Его негативные последствия включают опасность для жизни и имущества, загрязнение атмосферы и воды. [4] Когда пожар уничтожает защитную растительность , сильные дожди могут способствовать усилению водной эрозии почвы . [5] Кроме того, при сжигании растительности в атмосферу выделяется азот , 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 можно восстановить, поскольку атмосферный азот фиксируется и превращается в аммиак в результате природных явлений, таких как молния или бобовые растения . такие как клевер , горох и зеленая фасоль .
Огонь является одним из четырех классических элементов и использовался людьми в ритуалах , в сельском хозяйстве для расчистки земли, приготовления пищи, генерации тепла и света, для подачи сигналов, движения, плавки , ковки , сжигания отходов, кремации и в качестве оружие или способ поражения.
Слово «огонь» произошло от древнеанглийского Fyr «Огонь, огонь», которое можно проследить до германского корня * fūr- , который сам происходит от протоиндоевропейского * perjos от корня * paewr- «Огонь». '. Нынешнее написание слова «огонь» использовалось еще с 1200 года, но только примерно в 1600 году оно полностью заменило среднеанглийский термин «fier» (который до сих пор сохраняется в слове «пламенный»). [8]
Ископаемая летопись огня впервые появляется с появлением наземной флоры в среднем ордовике , 470 миллионов лет назад , [9] что позволило накапливать кислород в атмосфере как никогда раньше, поскольку новые орды наземных растений перекачивали его. это как отходы. Когда эта концентрация превышала 13%, это допускало возможность возникновения лесных пожаров . [10] Лесной пожар впервые упоминается в летописи окаменелостей позднего силура , 420 миллионов лет назад , в окаменелостях углеугольных растений. [11] [12] Помимо спорного пробела в позднем девоне , древесный уголь присутствует с тех пор. [12] Уровень кислорода в атмосфере тесно связан с распространенностью древесного угля: очевидно, что кислород является ключевым фактором в распространенности лесных пожаров. [13] Огонь также стал более распространенным, когда травы начали излучать радиацию и стали доминирующим компонентом многих экосистем, около 6–7 миллионов лет назад ; [14] эта растопка давала трут , который позволял более быстро распространять огонь. [13] Эти широкомасштабные пожары, возможно, инициировали процесс положительной обратной связи , в результате чего климат стал более теплым и сухим, более благоприятным для пожаров. [13]
Способность управлять огнем радикально изменила привычки древних людей. [15] Использование огня для получения тепла и света позволило людям готовить пищу , одновременно увеличивая разнообразие и доступность питательных веществ и уменьшая заболеваемость за счет уничтожения патогенных микроорганизмов в пище. [16] Вырабатываемое тепло также поможет людям согреться в холодную погоду, что позволит им жить в более прохладном климате. Огонь также отпугивал ночных хищников. Доказательства периодического приготовления пищи были обнаружены 1 миллион лет назад . [17] Хотя эти данные показывают, что огонь, возможно, использовался контролируемым образом около 1 миллиона лет назад, [18] [19] другие источники указывают дату регулярного использования на 400 000 лет назад. [20] Данные получили широкое распространение примерно от 50 до 100 тысяч лет назад, что позволяет предположить регулярное использование с этого времени; Интересно, что устойчивость к загрязнению воздуха начала развиваться в человеческих популяциях примерно в тот же момент времени. [20] Использование огня становилось все более изощренным, поскольку десятки тысяч лет назад его использовали для создания древесного угля и контроля над дикой природой. [20]
Огонь также использовался на протяжении веков в качестве метода пыток и казней, о чем свидетельствует смерть от сожжения, а также такие устройства для пыток, как железный ботинок , который можно было наполнить водой, маслом или даже свинцом , а затем нагреть на открытом воздухе. огонь, вызывающий агонию владельца.
Во время неолитической революции , во время внедрения зернового земледелия, люди во всем мире использовали огонь как инструмент управления ландшафтом . Эти пожары обычно представляли собой контролируемые ожоги или «холодные пожары», в отличие от неконтролируемых «горячих пожаров», которые повреждают почву. Горячие пожары уничтожают растения и животных и подвергают опасности местные сообщества. [21] Это особенно проблема в сегодняшних лесах, где традиционные сжигания предотвращаются, чтобы стимулировать рост древесных культур. Холодные костры обычно разводят весной и осенью. Они расчищают подлесок, сжигая биомассу , которая может вызвать сильный пожар, если она станет слишком густой. Они обеспечивают большее разнообразие окружающей среды, что способствует разнообразию диких животных и растений. Для человека они делают проходимыми густые, непроходимые леса. Еще одно использование огня человеком в управлении ландшафтом — это его использование для расчистки земель для сельского хозяйства. Подсечно-огневое земледелие по-прежнему распространено в большей части тропической Африки, Азии и Южной Америки. Для мелких фермеров контролируемые пожары — удобный способ расчистить заросшие территории и высвободить питательные вещества из стоящей растительности обратно в почву. [22] Однако эта полезная стратегия также проблематична. Растущее население, фрагментация лесов и потепление климата делают поверхность земли более склонной к все более масштабным пожарам. Они наносят вред экосистемам и человеческой инфраструктуре, вызывают проблемы со здоровьем и создают спирали углерода и сажи, которые могут способствовать еще большему потеплению атмосферы и, таким образом, способствовать возникновению новых пожаров. Сегодня во всем мире за год сгорает до 5 миллионов квадратных километров – это площадь, превышающая половину территории Соединенных Штатов. [22]
Существует множество современных способов применения огня. В самом широком смысле огонь каждый день используется почти каждым человеком на Земле в контролируемых условиях. Пользователи автомобилей внутреннего сгорания прибегают к огню каждый раз, когда едут за рулем. Тепловые электростанции обеспечивают электричеством большую часть человечества, сжигая такие виды топлива, 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 давнюю историю . Огонь был основой всего раннего теплового оружия . Византийский флот использовал греческий огонь для нападения на корабли и людей.
Изобретение пороха в Китае привело к появлению огненного копья , огнеметного оружия, датируемого примерно 1000 годом нашей эры, которое было предшественником метательного оружия, приводимого в движение горящим порохом .
Самые ранние современные огнеметы использовались пехотой во время Первой мировой войны , впервые они были применены немецкими войсками против укрепившихся французских войск под Верденом в феврале 1915 года. [24] Позже они были успешно установлены на бронетехнику во время Второй мировой войны.
Зажигательные бомбы , брошенные вручную и изготовленные из стеклянных бутылок, позже известные как «коктейли Молотова» , использовались во время гражданской войны в Испании в 1930-х годах. Также во время той войны зажигательные бомбы были развернуты против Герники фашистскими военно-воздушными силами Италии и нацистской Германии , которые были созданы специально для поддержки франкистских националистов .
Зажигательные бомбы были сброшены странами Оси и союзниками во время Второй мировой войны, особенно на Ковентри , Токио , Роттердам , Лондон , Гамбург и Дрезден ; в последних двух случаях огненные бури были преднамеренно вызваны, когда огненное кольцо, окружающее каждый город, было втянуто внутрь восходящим потоком, вызванным центральным кластером пожаров. [25] В последние месяцы войны ВВС США также широко применяли зажигательные средства против японских целей, разрушая целые города, построенные в основном из домов из дерева и бумаги. Зажигательный жидкий напалм был использован в июле 1944 года, ближе к концу Второй мировой войны , хотя его использование не привлекало внимания общественности до войны во Вьетнаме . [26]
Управление огнем с целью оптимизации его размера, формы и интенсивности обычно называется управлением пожаром , а более продвинутые его формы, традиционно (а иногда и до сих пор) практикуемые опытными поварами, кузнецами , мастерами по металлу и другими, представляют собой высококвалифицированную деятельность . Они включают в себя знание того, какое топливо сжигать; как организовать подачу топлива; как разжечь огонь как на ранних этапах, так и на этапах поддержания; как модулировать тепло, пламя и дым в соответствии с желаемым применением; как лучше всего зажечь огонь, чтобы его позже возродили; как выбрать, спроектировать или модифицировать печи, камины, хлебопекарные печи, промышленные печи ; и так далее. Подробные изложения управления огнем имеются в различных книгах о кузнечном деле, об умелом походе или военной разведке , о домашнем искусстве .
Сжигание топлива преобразует химическую энергию в тепловую энергию; древесина использовалась в качестве топлива с доисторических времен . [27] Международное энергетическое агентство заявляет, что в последние десятилетия почти 80% мировой электроэнергии постоянно вырабатывается 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 электрический генератор для производства 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 температура его плавления ниже температуры пламени, так что он плавится, а затем затвердевает при охлаждении, и золой , если температура его плавления выше температуры пламени.
Пожар – это химический процесс, при котором топливо и окислитель реагируют с образованием углекислого газа и воды . [30] Этот процесс, известный как реакция горения , не протекает напрямую и включает в себя промежуточные продукты . [30] Хотя окислителем обычно является кислород , эту роль могут выполнять и другие соединения. Например, трифторид хлора способен воспламенить песок . [31]
Пожары возникают, когда легковоспламеняющийся или горючий материал в сочетании с достаточным количеством окислителя, такого как газообразный кислород или другое соединение, богатое кислородом (хотя существуют и некислородные окислители), подвергается воздействию источника тепла или температуры окружающей среды выше температура вспышки смеси топлива и окислителя и способен поддерживать скорость быстрого окисления, приводящего к цепной реакции . Его обычно называют огненным тетраэдром . Огонь не может существовать без всех этих элементов на своем месте и в правильных пропорциях. Например, легковоспламеняющаяся жидкость начнет гореть только в том случае, если топливо и кислород находятся в правильных пропорциях. Для некоторых топливно-кислородных смесей может потребоваться катализатор — вещество, которое при добавлении не расходуется ни в одной химической реакции во время сгорания, но которое позволяет реагентам более легко сгорать.
После возгорания должна произойти цепная реакция, в ходе 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, вызываемой ускорением, необходимо для создания конвекции , удаляющей продукты сгорания и подающей кислород к огню. Без гравитации пожар быстро окружает себя собственными продуктами сгорания и неокисляющими газами из воздуха, которые исключают кислород и тушат пожар. По этой причине риск возгорания космического корабля при его движении по инерции невелик . [32] [33] Это не применяется, если кислород подается в огонь в результате какого-либо процесса, отличного от тепловой конвекции.
Пожар можно потушить , убрав любой из элементов огненного тетраэдра. Рассмотрим пламя природного газа, например, горелки на плите. Пожар можно потушить любым из следующих способов:
Напротив, пожар усиливается за счет увеличения общей скорости горения. Методы достижения этой цели включают в себя балансировку количества топлива и окислителя до стехиометрических пропорций, увеличение количества топлива и окислителя в этой сбалансированной смеси, повышение температуры окружающей среды, чтобы собственное тепло огня могло лучше поддерживать горение, или использование катализатора, не поддающегося горению. реагентная среда, в которой топливо и окислитель могут легче реагировать.
Пламя — это смесь реагирующих газов и твердых тел, излучающая 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 органических веществ , например древесины, или неполное сгорание газа, раскаленные твердые частицы, называемые сажей , производят знакомое красно-оранжевое свечение «огня». Этот свет имеет непрерывный спектр . Полное сгорание газа имеет тускло-синий цвет из-за испускания одноволнового излучения различных электронных переходов в возбужденных молекулах, образующихся в пламени. Обычно в процессе горения участвует кислород, но при горении водорода в хлоре также образуется пламя, в результате которого образуется хлористый водород (HCl). Другими возможными комбинациями, вызывающими пламя, среди многих являются фтор и водород , а также гидразин и четырехокись азота . Пламя водорода и гидразина/ НДМГ одинаково бледно-голубого цвета, в то время как при горении бора и его соединений, которые в середине 20-го века оценивались как высокоэнергетическое топливо для реактивных и ракетных двигателей , выделяется интенсивное зеленое пламя, что привело к его неофициальному прозвищу «Зеленый дракон». .
Свечение пламени сложное. Излучение черного тела исходит от частиц сажи, газа и топлива, хотя частицы сажи слишком малы, чтобы вести себя как идеальные черные тела. Существует также эмиссия фотонов невозбужденными атомами и молекулами газов. Большая часть излучения излучается в видимом и инфракрасном диапазонах. Цвет зависит от температуры излучения черного тела и от химического состава спектров излучения .
Обычное распространение пламени в условиях нормальной гравитации зависит от конвекции , поскольку сажа имеет тенденцию подниматься к верхушке общего пламени, как в свече в условиях нормальной гравитации, делая его желтым. В условиях микрогравитации или невесомости , [34] таких как окружающая среда в космическом пространстве , конвекция больше не возникает, и пламя становится сферическим, с тенденцией становиться более синим и более эффективным (хотя оно может погаснуть, если его не перемещать постоянно). поскольку CO 2 от сгорания не так легко рассеивается в условиях микрогравитации и имеет тенденцию гасить пламя). Существует несколько возможных объяснений этой разницы, из которых наиболее вероятное состоит в том, что температура распределяется достаточно равномерно, чтобы не образовывалась сажа и не происходило полное сгорание. [35] Эксперименты НАСА показывают, что диффузионное пламя в условиях микрогравитации позволяет полностью окислить больше сажи после того, как оно образовалось, чем диффузионное пламя на Земле, из-за ряда механизмов, которые ведут себя по-разному в условиях микрогравитации по сравнению с нормальными гравитационными условиями. [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, динамику и горение пожара . Приложения пожарной науки включают противопожарную защиту , расследование пожаров и борьбу с лесными пожарами .
Каждая естественная экосистема на суше имеет свой собственный пожарный режим , и организмы в этих экосистемах адаптированы к этому пожарному режиму или зависят от него. Огонь создает мозаику различных участков среды обитания , каждый из которых находится на разной стадии сукцессии . [38] Различные виды растений, животных и микробов специализируются на использовании определенной стадии, и, создавая эти различные типы участков, огонь позволяет большему количеству видов существовать в ландшафте.
Программы предотвращения лесных пожаров во всем мире могут использовать такие методы, как использование лесных пожаров и предписанные или контролируемые сжигания . [39] [40] Использование лесных пожаров относится к любому пожару естественных причин, который контролируется, но позволяется гореть. Контролируемые ожоги — это пожары, возникающие государственными учреждениями в менее опасных погодных условиях. [41]
В большинстве развитых территорий предоставляются услуги пожаротушения для тушения или локализации неконтролируемых пожаров. Обученные пожарные используют пожарное оборудование , источники водоснабжения, такие как водопровод и пожарные гидранты , или могут использовать пену классов A и B в зависимости от того, что является причиной пожара.
Противопожарная профилактика направлена на уменьшение источников возгорания. Профилактика пожаров также включает в себя обучение людей тому, как избежать пожаров. [42] В зданиях, особенно в школах и высотных зданиях, часто проводятся противопожарные учения , чтобы информировать и подготовить граждан к тому, как реагировать на пожар в здании. Намеренное разжигание разрушительных пожаров представляет собой поджог и является преступлением в большинстве юрисдикций. [43]
Типовые строительные нормы и правила требуют пассивной противопожарной защиты и активных систем противопожарной защиты , чтобы свести к минимуму ущерб, причиненный пожаром. Наиболее распространенным видом активной противопожарной защиты являются спринклеры . Чтобы максимизировать пассивную противопожарную защиту зданий, строительные материалы и предметы интерьера в большинстве развитых стран проходят испытания на огнестойкость , горючесть и воспламеняемость . Также проверяются обивка , ковровые покрытия и пластмассы , используемые в транспортных средствах и судах.
Если предотвращение пожара и противопожарная защита не смогли предотвратить ущерб, страхование от пожара может смягчить финансовые последствия. [44]
Первые люди использовали огонь еще миллион лет назад, намного раньше, чем считалось ранее, свидетельствуют доказательства, обнаруженные в пещере в Южной Африке.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
