Пламя (от лат. flamma ) — видимая, газообразная часть огня . Это вызвано сильно экзотермической химической реакцией, происходящей в тонкой зоне. [1] Когда пламя достаточно горячее и содержит ионизированные газообразные компоненты достаточной плотности, оно считается плазмой . [ неясно ] [2]
Цвет и температура пламени зависят от типа топлива, участвующего в горении, как, например, когда подносят зажигалку к свече . Под действием тепла молекулы топлива в воске свечи испаряются (если этот процесс происходит в инертной атмосфере без окислителя , он называется пиролизом ). В этом состоянии они могут легко реагировать с кислородом воздуха, который выделяет достаточно тепла в последующей экзотермической реакции для испарения еще большего количества топлива, поддерживая таким образом постоянное пламя. Высокая температура пламени приводит к разложению испаренных молекул топлива с образованием различных продуктов неполного сгорания и свободных радикалов , которые затем вступают в реакцию друг с другом и с окислителем , участвующим в реакции последующего пламени (пожара). Все части пламени свечи можно исследовать холодной металлической ложкой: [4] Высшие части — это водяной пар, результат горения; желтые части посередине — сажа; Рядом с фитилем свечи лежит несгоревший воск. Ювелиры используют более высокие части пламени с металлической паяльной трубкой для плавления золота и серебра. Достаточная энергия пламени будет возбуждать электроны в некоторых переходных промежуточных продуктах реакции, таких как метилидиновый радикал (CH) и двухатомный углерод (C 2 ), что приводит к излучению видимого света, поскольку эти вещества высвобождают свою избыточную энергию (см. спектр ниже для объяснения того, какие конкретные радикальные виды производят какие конкретные цвета). По мере увеличения температуры горения пламени (если пламя содержит мелкие частицы несгоревшего углерода или другого материала) увеличивается и средняя энергия электромагнитного излучения, испускаемого пламенем (см. Черное тело ).
Помимо кислорода, для получения пламени можно использовать и другие окислители. При горении водорода в хлоре образуется пламя, при этом в качестве продукта сгорания выделяется газообразный хлористый водород (HCl). [5] Еще одной из многих возможных химических комбинаций является гидразин и четырехокись азота , которая является гиперголической и обычно используется в ракетных двигателях. Фторполимеры можно использовать для подачи фтора в качестве окислителя металлических топлив, например, в композиции магний/тефлон/витон .
Химическая кинетика, происходящая в пламени, очень сложна и обычно включает большое количество химических реакций и промежуточных соединений, большинство из которых являются радикалами . Например, известная схема химической кинетики GRI-Mech [6] использует 53 вида и 325 элементарных реакций для описания горения биогаза .
Существуют разные способы распределения необходимых компонентов горения в пламени. В диффузионном пламени кислород и топливо диффундируют друг в друга; пламя возникает там, где они встречаются. В пламени предварительно смешанной смеси кислород и топливо предварительно смешиваются, что приводит к другому типу пламени. Пламя свечи (диффузионное пламя) работает за счет испарения топлива, которое поднимается в ламинарном потоке горячего газа, который затем смешивается с окружающим кислородом и сгорает.
Цвет пламени зависит от нескольких факторов, наиболее важными из которых обычно являются излучение черного тела и излучение спектральных полос , причем как излучение спектральных линий , так и поглощение спектральных линий играют меньшую роль. В наиболее распространенном типе пламени, углеводородном пламени, наиболее важным фактором, определяющим цвет, является подача кислорода и степень предварительного смешивания топлива с кислородом, что определяет скорость горения и, следовательно, температуру и пути реакции, создавая тем самым различные цветовые оттенки. .
В лаборатории при нормальных условиях гравитации и с закрытым воздухозаборником горелка Бунзена горит желтым пламенем (также называемым безопасным пламенем) с максимальной температурой около 2000 К (3100 °F). Желтый цвет возникает в результате накаливания очень мелких частиц сажи, образующихся в пламени. Кроме того, образуется окись углерода , и пламя имеет тенденцию забирать кислород с поверхностей, которых оно касается. Когда воздухозаборник открыт, образуется меньше сажи и угарного газа. При подаче достаточного количества воздуха сажа и угарный газ не образуются, а пламя становится синим. (Большая часть этого синего цвета ранее была скрыта ярко-желтыми выбросами.) Спектр пламени предварительно смешанного (полного сгорания) бутана справа показывает, что синий цвет возникает именно из-за излучения возбужденных молекулярных радикалов в пламени, которые излучают большая часть их света значительно ниже ≈565 нанометров в синей и зеленой областях видимого спектра.
Более холодная часть диффузионного (неполного сгорания) пламени будет красной, переходящей в оранжевый, желтый и белый по мере повышения температуры, о чем свидетельствуют изменения в спектре излучения черного тела. Для данной области пламени, чем ближе к белому цвету по этой шкале, тем горячее эта часть пламени. Переходы часто очевидны при пожарах, при которых цвет, излучаемый ближе всего к топливу, — белый, с оранжевой частью над ним, а красноватый цвет пламени — самый высокий из всех. [7] Голубое пламя появляется только тогда, когда количество сажи уменьшается и синее излучение возбужденных молекулярных радикалов становится преобладающим, хотя синий цвет часто можно увидеть возле основания свечи, где сажа в воздухе менее сконцентрирована. [8]
Особый цвет пламени можно придать введением возбудимых веществ с яркими линиями спектра излучения . В аналитической химии этот эффект используется в испытаниях на пламя (или эмиссионной спектроскопии пламени ) для определения присутствия некоторых ионов металлов. В пиротехнике пиротехнические красители используются для создания ярких фейерверков.
При рассмотрении температуры пламени существует множество факторов, которые могут измениться или примениться. Важным является то, что цвет пламени не обязательно определяет сравнение температур, поскольку излучение черного тела — не единственное, что создает или определяет видимый цвет; поэтому это всего лишь оценка температуры. Другими факторами, определяющими его температуру, являются:
Это приблизительный показатель температуры пламени для различных распространенных веществ (при температуре воздуха 20 °C (68 °F) и давлении 1 атм.):
Дицианацетилен , соединение углерода и азота с химической формулой C 4 N 2, горит в кислороде ярким сине-белым пламенем при температуре 5260 К (4990 °C; 9010 °F), а при температуре до 6000 К (5730 °F). C; 10340 °F) в озоне . [10] Такая высокая температура пламени частично обусловлена отсутствием водорода в топливе (дицианоацетилен не является углеводородом), поэтому среди продуктов сгорания нет воды.
Циан с формулой (CN) 2 образует второе по температуре известное природное пламя с температурой более 4525 °C (8177 °F) при горении в кислороде. [11] [12]
При температуре всего 120 °C (248 °F) топливно-воздушные смеси могут вступать в химическую реакцию и образовывать очень слабое пламя, называемое холодным пламенем. Это явление было открыто Хамфри Дэви в 1817 году. Процесс зависит от точного баланса температуры и концентрации реагирующей смеси, и при подходящих условиях он может начаться без какого-либо внешнего источника воспламенения. Циклические изменения баланса химических веществ, особенно промежуточных продуктов реакции, приводят к колебаниям пламени с типичным изменением температуры около 100 ° C (212 ° F) или между «холодным» и полным воспламенением. Иногда изменение может привести к взрыву. [9] [13]
В 2000 году эксперименты НАСА подтвердили, что гравитация играет косвенную роль в формировании и составе пламени. [14] Обычное распространение пламени в условиях нормальной гравитации зависит от конвекции , поскольку сажа имеет тенденцию подниматься к верхушке пламени (например, в свече в условиях нормальной гравитации), делая его желтым. В условиях микрогравитации или невесомости , например, на орбите, естественная конвекция больше не возникает, и пламя становится сферическим, с тенденцией становиться более синим и более эффективным. Существует несколько возможных объяснений этой разницы, из которых наиболее вероятной является гипотеза о том, что температура распределяется достаточно равномерно, чтобы не образовывалась сажа и происходило полное сгорание. [15] 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. [16] Эти открытия имеют потенциальное применение в прикладной науке и частной промышленности, особенно в отношении эффективности использования топлива .
Пламя не обязательно должно поддерживаться только за счет выделения химической энергии. В звездах в виде пламени распространяются дозвуковые фронты горения, вызванные горением легких ядер (например, углерода или гелия) к тяжелым ядрам (вплоть до группы железа). Это важно в некоторых моделях сверхновых типа Ia . В термоядерном пламени теплопроводность доминирует над диффузией частиц, поэтому скорость и толщина пламени определяются термоядерным энерговыделением и теплопроводностью (часто в виде вырожденных электронов ). [17]