Температура углей в костре

Пла́мя — раскаленная газообразная среда, образующаяся при горении и электроразрядах, состоящая в значительной степени из частично ионизированных частиц, в которой происходят химические взаимодействия и физико-химические превращения составных частиц среды (в т.ч. горючего, окислителя, примесных частиц, продуктов их взаимодействия). Сопровождается интенсивным излучением (в УФ, ИК, видимой части спектра – «свечением») и выделением тепла.

В русском языке нет четкого смыслового разделения слов пламя и огонь, однако слово огонь традиционно связано с описанием процессов горения, тогда как пламя имеет более общее употребление, в том числе для процессов, не связанных с горением: молнией, электродугой, свечением вакуумных ламп и так далее.

Иногда в научной литературе пламя относят к «холодной/низкотемпературной плазме», поскольку по существу оно представляет собой газ, состоящий из термически ионизированных частиц с небольшой величиной заряда (как правило, не более ±2-3), тогда как высокотемпературной плазмой называют состояние вещества, при котором ядра атомов и их электронные оболочки сосуществуют раздельно.

Среда пламени содержит заряженные частицы (ионы, радикалы), что обусловливает наличие электропроводности пламени и его взаимодействие с электромагнитными полями. На этом принципе построены приборы, способные с помощью электромагнитного излучения приглушить пламя, оторвать от горючих материалов или изменить его форму [1] .

Содержание

Цвет пламени [ править | править код ]

Цвет пламени определяется излучением электронных переходов (например, тепловым излучением) различных возбужденных (как заряженных, так и незаряженных) частиц, образующихся в результате химической реакции между молекулами горючего и кислородом воздуха, а также в результате термической диссоциации. В частности, при горении углеродного горючего в воздухе, синяя часть цвета пламени обусловлена излучением частиц CN ±n , красно-оранжевая — излучением частиц С₂ ±n и микрочастиц сажи. Излучение прочих образующихся в процессе горения частиц (CH_x ±n , H₂O ±n , HO ±n , CO₂ ±n , CO ±n ) и основных газов (N₂, O₂, Ar) лежит в невидимой для человеческого глаза УФ и ИК части спектра. Кроме того, на окраску пламени сильно влияет присутствие в самом топливе, деталях конструкции горелок, сопел и так далее соединений различных металлов, в первую очередь натрия. В видимой части спектра излучение натрия крайне интенсивно и ответственно за оранжево-желтый цвет пламени, при этом излучение чуть менее распространенного калия оказывается на его фоне практически не различимым (поскольку большинство организмов имеют в составе клеток K+/Na+ каналы, то в углеродном горючем растительного или животного происхождения на 3 атома натрия приходится в среднем 2 атома калия).

Температура пламени [ править | править код ]

• Температура воспламенения для большинства твёрдых материалов — 300 °С.
• Температура пламени в горящей сигарете — 250–300 °С. [источник не указан 499 дней]
• Температура пламени спички 750–1400 °С; при этом 300 °С — температура воспламенения дерева, а температура горения дерева равняется примерно 500–800 °С.
• Температура горения пропан-бутана — 800–1970 °С.
• Температура пламени керосина — 800 °С, в среде чистого кислорода — 2000 °С.
• Температура горения бензина — 1300–1400 °С.
• Температура пламени спирта не превышает 900 °С.
• Температура горения магния — 2200 °С; значительная часть излучения в УФ-диапазоне.

Наиболее высокие известные температуры горения: дицианоацетилен C₄N₂ 5’260 К (4’990 °C) в кислороде и до 6’000 К (5’730 °C) в озоне [2] ; дициан (CN)₂ 4’525 °C в кислороде [3] .

Так как вода обладает очень большой теплоёмкостью, отсутствие водорода в горючем исключает потери тепла на образование воды и позволяет развить бо́льшую температуру.

Классификация [ править | править код ]

Пламя классифицируют по:

• агрегатному состоянию горючих веществ: пламя газообразных, жидких, твёрдых и аэродисперсных реагентов;
• излучению: светящиеся, окрашенные, бесцветные;
• состоянию среды горючее–окислитель: диффузионные, предварительно перемешанных сред (см. ниже);
• характеру перемещения реакционной среды: ламинарные, турбулентные, пульсирующие;
• температуре: холодные, низкотемпературные, высокотемпературные;
• скорости распространения: медленные, быстрые;
• высоте: короткие, длинные;
• визуальному восприятию: коптящие, прозрачные, цветные.

Внутри конуса ламинарного диффузионного пламени можно выделить 3 зоны (оболочки):

1. тёмная зона (300—350 °C), где горение не происходит из-за недостатка окислителя;
2. светящаяся зона, где происходит термическое разложение горючего и частичное его сгорание (500—800 °C);
3. едва светящаяся зона, которая характеризуется окончательным сгоранием продуктов разложения горючего и максимальной температурой (900—1500 °C).

Температура пламени зависит от природы горючего вещества и интенсивности подвода окислителя.

Распространение пламени по предварительно перемешанной среде (невозмущённой), происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к поверхности пламени: величина такой нормальной скорости распространения пламени (НСРП) является основной характеристикой горючей среды. Она представляет собой минимально возможную скорость пламени. Значения НСРП отличаются у различных горючих смесей — от 0,03 до 15 м/с.

Распространение пламени по реально существующим газовоздушным смесям всегда осложнено внешними возмущающими воздействиями, обусловленными силами тяжести, конвективными потоками, трением и так далее. Поэтому реальные скорости распространения пламени всегда отличаются от нормальных. В зависимости от характера горения, скорости распространения пламени имеют следующие диапазоны величин: при дефлаграционном горении — до 100 м/с; при взрывном горении — от 300 до 1000 м/с; при детонационном горении — свыше 1000 м/с.

Окислительное пламя [ править | править код ]

Расположено в верхней, самой горячей части пламени, где горючие вещества практически полностью превращены в продукты горения. В данной области пламени избыток кислорода и недостаток топлива, поэтому помещённые в эту зону вещества интенсивно окисляются.

Восстановительное пламя [ править | править код ]

Это часть пламени, наиболее близко расположенная к центру или чуть ниже центра пламени. В этой области пламени много топлива и мало кислорода для горения, поэтому, если внести в эту часть пламени вещество, содержащее кислород, то кислород отнимается у вещества.

Проиллюстрировать это можно на примере реакции восстановления сульфата бария BaSO₄. С помощью платиновой петли забирают BaSO₄ и нагревают его в восстановительной части пламени спиртовой горелки. При этом сульфат бария восстанавливается и образуется сульфид бария BaS. Поэтому пламя и называют восстановительным.

Цвет пламени зависит от нескольких факторов. Наиболее важны: температура, наличие в пламени микрочастиц и ионов, определяющих эмиссионный спектр.

Применение [ править | править код ]

Пламя (окислительное и восстановительное) используется в аналитической химии, в частности, при получении окрашенных перлов для быстрой идентификации минералов и горных пород, в том числе в полевых условиях, с помощью паяльной трубки.

Пламя в условиях невесомости [ править | править код ]

В условиях, когда ускорение свободного падения компенсируется центробежной силой, например, при полёте по орбите земли, горение вещества выглядит несколько иначе. Поскольку ускорение свободного падения компенсировано, сила Архимеда практически отсутствует. Таким образом, в условиях невесомости горение веществ происходит у самой поверхности вещества (пламя не вытягивается), а сгорание более полное. Продукты горения постепенно равномерно распространяются в среде. Это весьма опасно для систем вентилирования. Также серьёзную опасность представляют пудры, поэтому в космосе порошкообразные материалы не применяются нигде, кроме специальных опытов именно с порошками.

В струе воздуха пламя вытягивается и принимает привычный облик. Пламя газовых горелок благодаря давлению газа в условиях невесомости внешне также не отличается от горения в земных условиях.

См. также [ править | править код ]

• Горение, в том числе беспламенное горение.
• Огонь
• Пирохимический анализ — методы обнаружения химических элементов по различному окрашиванию пламени.

Литература [ править | править код ]

Тидеман Б. Г., Сциборский Д. Б. Химия горения. — Л. , 1935.

Многие частные дома оборудованы печью. Но недостаточно просто положить в нее любые дрова и ждать максимальной теплоотдачи. Чтобы качественно обогреть свое жилище, нужно обладать полной информацией о температуре горения дров, а также материале, что будет применяться.

Тепловые свойства древесины

От теплопроводности материала напрямую будет зависеть КПД. Любой обладатель частного дома с каменной печью знает об этом нюансе. Качество горения также зависит от ещё одного показателя – температуры горения. Увеличив градусы, можно гораздо быстрее подогреть воду в трубах или кирпичные стены, тем самым защитив свой дом от сильных морозов.

Если в топку положить тополь, то можно наблюдать очень высокое пламя, но его температура не превысит 500 градусов, а это не так уж и много для обогрева помещения. Предпочтительнее использовать ясень, бук и граб. Они активно сгорают, но при этом выделяют температуру в 1000 градусов. Такой показатель идеален для обогрева помещения.

Критерии выбора вида древесины в зависимости от предназначения

При выборе необходимого материала, следует знать несколько нюансов. К примеру, если использовать ясень или бук, то можно повысить температуру до больших показателей, но если применять их для бани или топки печи, то это очень дорого и нерентабельно – дрова быстро горят. По этой причине люди стали использовать иную древесину – березу. Сгорание березовых дров сопровождается получением 800 градусов.

Также часто применяется дуб и лиственница. Температура при горении их составляет от 840 до 900 градусов. Когда есть необходимость развести открытый огонь, костер, зажечь поленья в мангале на своем дачном или частном участке, желательно использовать сосну. Ее также часто применяют для отопления дома, путем помещения в печь. Температура горения материала составляет около 610-630 градусов. Но по этой причине придётся использовать примерно наполовину больше дров, чем при использовании березы или дуба.

Особенности хвойной породы:

1. Температура горения – низкая.
2. При помещении в огонь образовывается большое количество сажи и дыма.

Появление дыма и сажи происходит из-за большого количества смолы, содержащейся в древесине. Она оседает на стенках дымохода, а поэтому его необходимо периодически прочищать после использования. Поэтому хвойные породы не так популярны для топки – процесс очистки весьма трудоемкий. Такой материал используют только в крайнем случае, если нет другого варианта.

Также при разведении костра необходимо обращать внимание на влажность материалов, поскольку этот процент напрямую влияет на горение. Чем влажнее дрова, тем хуже будут они гореть. Но при этом также создается очень много дыма.

Народный опыт показывает, что для получения необходимого тепла для обогрева дома, необходимо использовать дрова из бука, дуба, который срублен зимой, горных сосен, березы и акации.

Самое сильное пламя вызывает ясень, смолистая лиственница, клен, сосна или дуб, срубленный в летний период.

Многие предпочитают сжигать сосну – это один из самых популярных вариантов

Немного меньше жара образовывает пихта, каштан и кедр.

Самой плохой теплоспособностью обладает тополь, ольха, осина.

Из всего этого можно сделать вывод, что лучше всего образуют тепло те дрова, которые наиболее увесистые и плотные.

Факторы, влияющие на температуру горения дров

Есть несколько факторов, которые способствуют горению:

1. Сорт древесины, используемый для сжигания.
2. Влажность материала.
3. Объем воздуха, заходящего в топку.

Это основные показатели, на которые необходимо обращать особое внимание, поскольку именно от них будет зависеть эффективность сжигания древесины, и температуры, которая может подняться при процессе горения.

Уровень влажности

Влажность древесины играет ключевую роль при разжигании, поэтому такой важный момент требует отдельного рассмотрения. Любое дерево, которое только что срубили обладает определенной влажностью. В большинстве случаев этот показатель составляет 50%. Но в некоторых случаях он возрастает и до 65%. А это говорит о том, что такой вид материла очень долго будет сушиться под воздействием большой температуры перед тем, как воспламениться.

Часть тепла станет уходить только на то, чтобы удалить излишнюю влагу путем испарения. По этой причине температура не достигнет максимального показателя. Теплоотдача при таком условии понизится.

Для получения максимальной пользы, следует использовать несколько основных вариантов:

1. Самый подходящий вариант – сушка. Для этого дерево разрезается на маленькие куски, а после складывается в сухое место в сарай или навес. В естественных условиях процесс сушки займет примерно 1 год. А если дрова будут хранить дольше и пролежат два лета, то влажность их составит 20%. Это уже оптимальный показатель.
2. Второй вариант менее предпочтительный – жечь то, что есть, не обращая внимания на влажность. Но при таком раскладе, придется тратить вдвое больше дров для образования нужной температуры. К тому же следует быть готовым к очистке дымохода от сажи.

Чем лучше просушатся дрова, тем большую температуру сжигания можно поучить. А от этого зависит и выделение тепла. Жары не получится с влажным деревом.

Процесс разогревания

Разогревание – это нагрев отдельного участка деревянного материала до температуры достаточной для воспламенения всей поверхности.

Обычно для разогревания хватает 120 градусов – древесина начинает обугливаться

После этого процесс продолжится, когда образуется уголь. При нагреве до 250-350 градусов, выбранный материал начнёт разлагаться на составляющие. Далее начинается тление, но пламя еще не появляется. В этот момент можно наблюдать образование дыма. Когда температура продолжает повышаться, уровень пиролизных газов увеличивается – происходит вспышка. Дрова загорятся полностью.

Воспламеняемость материалов

На воспламеняемость оказывает прямое влияние процент влаги, который содержится в выбранной породе. Важную роль играет мощность источника нагрева, а также сечение древесины и скорость потока воздуха.

Чтобы пламя разгорелось быстрее, использовать желательно легкую древесину, у которой большая пористость. Мокрое дерево будет загораться очень медленно, поскольку перед тем как образуется открытый огонь, она будет высушиваться.

На температуру горения дров и воспламеняемость большое влияние также оказывает устройство домашней печи. Ее можно сделать из разных материалов и это напрямую влияет на температуру горения материалов, вкладываемых внутрь. Если печь – массивная, то дрова в ней сгорят практически полностью, но это процесс станет проходить очень долго. Нужно соблюдать большую осторожность при использовании. Несоблюдение мер безопасности может привести к возгоранию дровяной бани при высокой температуре горения печи.

В печи буржуйке дрова часто сгорают не полностью из-за того, что она быстро остывает

Печка-буржуйка, изготавливаемая из стального листа, быстро остывает, при этом тепло распределяется по окружающему пространству, но сначала из зоны горения оно будет переходить на стенки, а уже после – в помещение.

Процесс горения

Наблюдая за функционированием печи, можно подумать о том, почему подаваемый воздух не оказывает влияние на цвет образовавшегося пламени. Кислород должен оказывать химическое воздействие и придавать сажи яркий цвет, который может стать даже белым. Но это явление можно легко объяснить, ведь размер частицы влияет также и на температуру. Чем она меньше, тем ниже получится температура. Поэтому маленькие горячие частицы образовывают такую же температуру, как и газ, который окружает их. Необходимо также отметить, что каждый вид древесины обладает определенной теплоотдачей. Чтобы узнать эти цифры, можно изучить таблицу, где приведены все показатели теплопроводности для каждого вида материала.

Измерение температуры горения

В домашних условиях измерить температуру горения очень сложно. Обычный термометр здесь не подойдёт. Разумеется, «на глазок» тоже не получится определить верную температуру горения определенного материала. Чтобы привести такие исследования, нужно приобрести специальный прибор под названием пирометр.

Но необходимо знать, что большая температура горения дров в печке не будет означать, что они станут выделять необходимое количество тепла. Поэтому следует также позаботиться о качественном оборудовании. В хороших печах имеется возможность искусственным путем сокращать поступление кислорода к дровам. Таким образом, есть возможность добиться повышения температуры сгорания и понижения теплоотдачи.

Поскольку домашних условиях температуру горения разных дров измерить очень сложно, дорогостояще, а порой и невозможно, то можно полагаться на официальные данные. Все показатели уже давно вычислили в лабораторных условиях специалисты, путем сравнительного анализа. Чтобы получить необходимые результаты, перед проверкой дрова тщательно высушивались – приводились в оптимальное состояние для опытов с открытым огнем.

Понятие «температура горения дров» не совсем верно отражает главную характеристику. Необходимо обращать большее внимание на способность выделять тепло. Единица измерения такого параметра – калории – это тепловая энергия, которая на 1 градус разогревает 1 грамм обычной воды.

Жаропроизводительность

На практике человека должна интересовать жаропроизводительность выбранного материала. Это та температура, которую можно достичь при сжигании определённого вида дров.

Таблица жаропроизводительности дров:

Практические советы

• Если дом отапливается от печи и при процессе горения запахло влажными дровами, то необходимо сразу же изучить свое оборудование. Возможно, где-то нарушена герметичность и целостность.
• При горении выделяется большое количество кислот, поэтому дымоход следует строить из надежных материалов, которые способны сопротивляться агрессивным средам.
• Если используются дрова со смолой, то после использования нужно тщательно прочищать дымоход.
• Для прогревания камней, к примеру, в парилке, желательно применять дрова, которые горят слабо, и выделяют большое количество тепла.
• Для быстрого нагрева парной комнаты применяют материал с высокой температурой горения. При этом подачу воздуха в топку необходимо повысить.

Изучив материал, можно понять, какая температура горения дров нужна для максимально эффективного прогрева помещения.

Температура огня заставляет в новом свете увидеть привычные вещи – вспыхнувшую белым спичку, голубое свечение горелки газовой печки на кухне, оранжево-красные язычки над пылающим деревом. Человек не обращает внимания на огонь, пока не обожжёт кончики пальцев. Или не спалит картошку на сковороде. Или не прожжёт подошву кроссовок, сохнущих над костром.

Когда первая боль, испуг и разочарование проходят, наступает время философских размышлений. О природе, цветовой гамме, температуре огня.

Горит, как спичка

Кратко о строении спички. Она состоит из палочки и головки. Палочки изготавливают из дерева, картона и хлопчатобумажного жгута, пропитанного парафином. Дерево выбирают мягких пород – тополь, сосну, осину. Сырьё для палочек называют спичечной соломкой. Чтобы избежать тления соломки, палочки пропитывают фосфорной кислотой. Российские заводы мастерят соломку из осины.

Головка спички проста по форме, но сложна по химическому составу. Темно-коричневая голова спички содержит семь компонентов: окислители – бертолетова соль и дихромат калия; стекляннюу пыль, сурик свинцовый, серу, костный клей, цинковые белила.

• тополь – 468;
• осина – 612;
• сосна – 624.

Температура огня спички равна температуре возгорания древесины. Поэтому белая вспышка серной головки сменяется желто-оранжевым язычком спички.

Если пристально разглядывать горящую спичку, то взгляду предстают три зоны пламени. Нижняя – холодная голубая. Средняя в полтора раза теплее. Верхняя – горячая зона.

Огненный художник

При слове «костёр» вспыхивают не менее ярко ностальгические воспоминания: дым костра, создающий доверительную обстановку; красные и желтые огни, летящие к ультрамариновому небу; переливы язычков с голубого до рубиново–красного цвета; багровые остывающие угли, в которых печётся «пионерская» картошка.

Изменяющийся колер пылающего дерева сообщает о колебаниях температуры огня в костре. Тление дерева (потемнение) начинается со 150°. Возгорание (задымление) происходит в интервале 250-300°. При одинаковом поступлении кислорода породы деревьев горят при несовпадающих температурах. Соответственно, градус костра тоже будет отличаться. Берёза горит при 800 градусах, ольха – при 522°, а ясень и бук – при 1040°.

Энтузиасты научных опытов измеряют температуру огня в костре прибором под названием пирометр. Изготовляют три типа пирометров: оптические, радиационные, спектральные. Это бесконтактные приборы, разрешающие оценивать мощность теплового излучения.

Изучаем огонь на собственной кухне

Кухонные газовые плиты работают на двух видах топлива:

1. Магистральный природный газ метан.
2. Пропан–бутановая сжиженная смесь из баллонов и газгольдеров.

Химический состав топлива определяет температуру огня газовой плиты. Метан, сгорая, образует огонь мощностью 900 градусов в верхней точке.

Сжигание сжиженной смеси даёт жар до 1950°.

Внимательный наблюдатель отметит неравномерность раскраски язычков горелки газовой плиты. Внутри огненного факела происходит деление на три зоны:

• Тёмный участок, расположенный возле конфорки: здесь нет горения из-за недостатка кислорода, а температура зоны равна 350°.
• Яркий участок, лежащий в центре факела: горящий газ разогревается до 700°, но топливо сгорает не до конца из-за недостатка окислителя.
• Полупрозрачный верхний участок: достигает температуры 900°, и сгорание газа полноценное.

Цифры температурных зон огневого факела приведены для метана.

Правила безопасности при огневых мероприятиях

Разжигая спички, камин, газовую плиту, позаботьтесь о вентиляции помещения. Обеспечьте приток кислорода к топливу.

Не пытайтесь самостоятельно ремонтировать газовое оборудование. Газ не терпит дилетантов.

Появление оранжевых и желтых оттенков в огне конфорки сообщает о необходимости профилактических манипуляций с плитой. Мастера прочистят оборудование, удалят пыль и сажу, горение которых и изменяет привычный цвет огня.

Иногда огонь в горелке становится красным. Это сигнал опасного содержания угарного газа в продуктах сгорания. Поступления кислорода к топливу настолько мало, что плита даже тухнет. Угарный газ без вкуса и запаха, и человек рядом с источником выделения вредного вещества заметит слишком поздно, что отравился. Поэтому красный цвет газа требует немедленного вызова мастеров для профилактики и наладки оборудования.