См. также № 24/05

К.Ю. БОГДАНОВ,
школа №1326 г. Москва
Kbogdanov@mtu-net.ru

Где собака зарыта?

5. Что такое огонь?

• Явления, наблюдающиеся при горении свечи, таковы, что нет ни одного закона природы, который при этом не был бы так или иначе затронут.

М.Фарадей. Истории свечи (1861)

Что мешает изучать горение на Земле? Процесс горения – это один из основных физико-химических процессов, который сопровождает человечество. Горение обеспечивает энергией автомобили и теплоэлектростанции, нагревает наши дома и еду, ну и, конечно, рождает пожары и делает нашу атмосферу грязной, приближая глобальное потепление. Изучение процесса горения необходимо для более эффективного расходования углеводородного топлива и защиты от опустошительных пожаров. Несмотря на такую важную роль горения в нашей жизни, изучено оно явно недостаточно. И для этого есть веская причина – притяжение Земли, из-за которого при горении возникает конвекция (движение воздуха): нагретый воздух становится легче и устремляется вверх, а холодный снизу приходит ему на смену. Этот поток воздуха приводит к значительному градиенту температуры вдоль пламени и усложняет исследование процесса горения. Поэтому в условиях невесомости изучать горение легче.

Схематическое изображение пламени свечи с указанием температуры в его различных точках при горении в нормальных условиях

Как горит падающая свеча? Ещё в 1940 г. советский учёный Я.Б.Зельдович предложил математическую модель горения газовой горючей смеси в невесомости. Оказалось, что в этих условиях горение должно происходить в изолированных друг от друга газовых шариках. При этом кислород и топливо поступают в каждый шарик только посредством диффузии, поэтому температура горения в невесомости должна быть ниже, чем в обычных условиях. Только в начале 1990 гг. эта теория была подтверждена экспериментально. Для имитации невесомости построили гигантскую (высотой более 100 м) трубу, внутри которой откачивали воздух, а сверху бросали капсулу-лабораторию. Как только начиналось падение, длящееся около 5 с, в капсуле с горючей газовой смесью зажигали пламя, рассыпающееся на много шариков диаметром 1–10 мм, горение которых фиксировали с помощью находящихся внутри видеокамер. Это шарообразное пламя до сих пор служит уникальной моделью для изучения процесса горения. Пламя горящей свечи при падении тоже резко изменялось, превращаясь из вытянутого вверх в шарообразное.

Слева: падение капсулы с горючей смесью внутри вертикальной трубы, в течение которого изучают, как влияет невесомость на горение. Справа: мельчайшие горящие газовые шарики, на которые рассыпается пламя в невесомости

Зачем в космосе играют с огнём? Несмотря на то, что экспериментировать с огнём на космических станциях очень опасно, в 1996 г. на МКС «Мир» были сожжены 80 свечей, и оказалось, что свеча, полностью сгорающая на Земле за 10 мин, может гореть на станции 45 мин. Однако пламя было очень слабым и голубоватым, его даже нельзя было заснять на видеокамеру и, чтобы доказать существование этого пламени, пришлось вносить в него кусочек воска и снимать, как он плавится.

Процесс горения в условиях невесомости может поддерживаться только за счёт молекулярной диффузии или искусственной вентиляции. Без вентиляции тепловое излучение очага горения лишь охлаждает его и в конце концов может остановить процесс, не оставляя даже дыма. В обычных же условиях тепловое излучение служит положительной обратной связью, поддерживающей горение. Поэтому для прекращения пожара в невесомости достаточно выключить вентиляцию и немного подождать.

Жёлто-оранжевый цвет верхушки пламени в обычных условиях обусловлен свечением частичек сажи, уносимых вверх поднимающимся потоком горячего воздуха. Сажа – это микрочастицы, содержащие углерод, не успевший сгореть, т.е. превратиться в СО2. В невесомости пламя свечи меньше по размеру и не такое горячее, как обычно, т.к. нет достаточного притока свежего воздуха, содержащего кислород. Поэтому сажи очень мало, т.к. она не образуется при температуре ниже 1000 °С. Но, даже если бы её и было достаточно, и тогда из-за низкой температуры она светилась бы в инфракрасном диапазоне, а значит, цвет у пламени в невесомости всегда голубоватый.

Из-за того, что в невесомости нет восходящего движения воздуха, пламя имеет шарообразную форму. По той же причине свеча в невесомости горит практически без дыма. Из-за низкой температуры горения образуется меньше паров стеарина (или парафина), поэтому и света свеча даёт меньше света, и фитиль быстрее сгорает. Таким образом, свеча в невесомости должна быть сделана из состава, имеющего более низкую температуру плавления, и иметь несгораемый фитиль, например, из асбеста.

На космических челноках продемонстрировали, что шарики из газовой смеси горят, выделяя так мало энергии (< 1 Вт), что горение каждого из них может продолжаться несколько часов. При этом потери энергии на тепловое излучение компенсируются выделением энергии, происходящим при сгорании газовой смеси, которая поступает в шарики посредством диффузии из окружающей среды. В отличие от обычных условий огонь в невесомости «не хочет» распространяться. Более того, горящие по соседству шарики всегда отталкиваются друг от друга, т.к. между ними концентрация топлива и окислителя меньше, а горение распространяется всегда в ту сторону, где его больше. А в 1997 г. на станции «Мир» случился пожар, который, к счастью, удалось потушить. И всё-таки, на МКС, кружащей сейчас вокруг Земли, тоже предусмотрено создание специальной лаборатории по изучению процессов горения, т.к. научиться управлять горением, экономя при этом на топливе, – мечта конструкторов тепловых двигателей и всего человечества.

Почему сгоревшая спичка изогнута? Если зажжённую спичку держать горизонтально, то по мере передвижения язычка пламени её сгоревшая часть будет изгибаться и подниматься. Этого не происходит, если спичку держать вертикально. Причиной изгиба сгоревшей спички служит вертикальное движение воздуха в области горения, в результате которого устанавливается направленный снизу вверх температурный градиент. Поэтому верхняя часть горящей спички нагревается до более высокой температуры, чем нижняя. При горении масса и объём спички уменьшаются, и чем выше температура горения, тем более заметны эти изменения. Значит, верхняя часть горящей спички должна укорачиваться в большей степени, чем нижняя, а сгоревшая часть горизонтально горящей спички загибается вверх.

От чего зависит цвет пламени? Цвет пламени зависит от того, какие элементы «сгорают» в нём. Высокая температура пламени даёт возможность атомам перескакивать на некоторое время в более высокие энергетические состояния, а потом, возвращаясь в исходное состояние, излучать свет определённой частоты, которая соответствует структуре электронных оболочек данного элемента. Газовая горелка горит голубым пламенем из-за наличия CO, угарного газа. Жёлто-оранжевое пламя спички объясняют наличием солей натрия в древесине. Поэтому, если вы хотите сделать пламя газовой горелки жёлтым, посыпьте его обычной солью. Атомы меди придают пламени ярко-зелёный цвет, который иногда воспринимается нами как белый. Чтобы это увидеть, достаточно «посолить» пламя газовой горелки медной стружкой, которую легко получить из медного провода с помощью напильника. Алюминий и железо не обладают выраженной способностью окрашивать пламя.

Как обнаружить пожар? Мечта любого пожарного – раннее обнаружение возгорания. Постоянными спутниками пожара являются высокая температура и дым. Поэтому в качестве детекторов пожара используют устройства, измеряющие температуру и/или уровень задымлённости. Эти датчики помещают на потолке, т.к. горячий воздух, содержащий частицы дыма от очага возгорания, всегда устремляется вверх.

В помещениях, где много пыли и дыма от работающих двигателей, где хранятся легковоспламеняющиеся жидкости (автомобильные гаражи), очевидно, не следует пользоваться детекторами дыма для предотвращения пожара, т.к. они будут давать много ложных сигналов. В таких местах более уместен температурный датчик, обычно на 60 °С. Как правило, такие датчики представляют собой биметаллический контакт, замыкающийся при нагревании и включающий таким образом пожарную сирену или другие устройства оповещения. Этот тип датчика пожарной сигнализации – один из самых старых и часто срабатывает уже тогда, когда пожар успевает разрастись до угрожающих размеров.

В большинстве случаев при выборе типа детектора пожарной сигнализации предпочтение отдаётся дымовому датчику, т.к. пожар обычно сопровождается выделением большого количества дыма. В таких датчиках используются явления ионизации или рассеяния света для обнаружения дыма в воздухе. В ионизационных детекторах дыма источник радиоактивного () излучения (как правило, америций-241, ²⁴¹Am) ионизирует воздух между металлическими пластинами-электродами, а электрическое сопротивление между ними постоянно измеряется. Оказавшиеся между пластинами микрочастицы дыма связываются с ионами, нейтрализуют их заряд и увеличивают сопротивление между электродами, а электрическая схема подаёт сигнал тревоги. Такие датчики обладают весьма впечатляющей чувствительностью: они реагируют раньше, чем живые существа. Следует отметить, что никакой опасности для человека этот источник радиации не представляет, т.к. -лучи не могут пройти даже через лист бумаги и полностью поглощаются слоем воздуха толщиной несколько сантиметров.

Известно, что при увеличении влажности растёт электропроводность воздуха. Поэтому недостатком ионизационного детектора является его чувствительность к влажности окружающего воздуха. Этого недостатка лишён самый распространённый датчик дыма – оптический, – в котором используется эффект рассеяния света на частицах дыма, так что интенсивность рассеянного света может служить показателем задымлённости воздуха.

Принцип действия ионизационного (слева) и оптического (справа) датчиков дыма: а – в отсутствие дыма ионы воздуха движутся между электродами; б – частицы дыма (чёрные маленькие кружки), связываясь с ионами, нейтрализуют их заряд, и сопротивление между электродами увеличивается; в – в отсутствие дыма луч света распространяется прямолинейно от источника, и на фотодетекторе сигнала нет; г – частицы дыма (серые точки) рассеивают луч, так что появляется световой сигнал в ответвлении, что регистрируется фотодетектором

Продолжение в №4/06