Быстрое окисление и природа огня.

Введение

Быстрое и горячее окисление материала.

Огонь – это быстрое окисление материала (топлива) в экзотермическом химическом процессе горения, высвобождающее тепло, свет и различные продукты реакции. В определенный момент реакции горения, называемый точкой воспламенения, образуется пламя. Пламя – это видимая часть огня. Пламя состоит главным образом из углекислого газа, водяного пара, кислорода и азота. При достаточно высокой температуре газы могут ионизироваться, образуя плазму. В зависимости от горящих веществ и наличия примесей, цвет пламени и интенсивность огня будут различаться. Огонь, в своей наиболее распространенной форме, может привести к пожару, который способен вызвать физические повреждения, вплоть до необратимых, посредством сжигания. Огонь – важный процесс, оказывающий значительное влияние на экологические системы по всему миру. Положительные эффекты огня включают стимуляцию роста и поддержание различных экологических систем. К отрицательным эффектам относятся угроза жизни и имуществу, загрязнение атмосферы и воды. Когда огонь уничтожает защитную растительность, сильные дожди могут способствовать усилению водной эрозии почвы. Кроме того, сжигание растительности высвобождает азот в атмосферу, в отличие от таких элементов, как калий и фосфор, которые остаются в золе и быстро возвращаются в почву. Эта потеря азота, вызванная пожаром, приводит к долгосрочному снижению плодородия почвы, которое может быть восстановлено, когда атмосферный азот фиксируется и преобразуется в аммиак естественными процессами, такими как молнии, или бобовыми растениями, такими как клевер, горох и стручковая фасоль. Огонь – один из четырех классических элементов и на протяжении истории использовался человеком в ритуалах, в сельском хозяйстве для расчистки земель, для приготовления пищи, получения тепла и света, для подачи сигналов, для приведения в движение механизмов, плавления, ковки, сжигания отходов, кремации, а также в качестве оружия или средства уничтожения.

Этимология

Слово "fire" происходит от древнеанглийского Fyr, означающего «огонь», которое восходит к германскому корню fūr, а тот, в свою очередь, – к протоиндоевропейскому perjos, от корня paewr. Современное написание "fire" используется с примерно 1200 года, однако полностью вытеснило среднеанглийское fier (которое сохранилось в слове "fiery") лишь около 1600 года.

Окаменелости

Ископаемые свидетельства о пожарах впервые появляются с установлением наземной флоры в среднем ордовикском периоде, что позволило накопить кислород в атмосфере, как никогда прежде, поскольку новые массы наземных растений выделяли его как побочный продукт. Когда эта концентрация превысила 13%, появилась возможность возникновения лесных пожаров. Первые свидетельства пожаров зафиксированы в позднесилурийских ископаемых в виде окаменелых растений, обугленных пожаром. За исключением спорного периода в позднем девоне, уголь присутствует с тех пор. Огонь стал более распространенным, когда травы распространились и стали доминирующим компонентом многих экосистем, примерно в ; этот легковоспламеняющийся материал обеспечивал растопку, позволявшую огню распространяться быстрее. Освоение огня для получения тепла и света позволило людям готовить пищу, одновременно увеличивая разнообразие и доступность питательных веществ и снижая заболеваемость за счет уничтожения патогенных микроорганизмов в пище. Тепло также помогало людям согреваться в холодную погоду, позволяя им жить в более прохладном климате. Огонь также отпугивал ночных хищников. Свидетельства эпизодического употребления приготовленной пищи датируются , хотя другие источники указывают на то, что огонь мог использоваться в контролируемых условиях около 1 миллиона лет назад, а регулярное использование началось примерно 400 000 лет назад. Широкое распространение свидетельств начинается около 50–100 тысяч лет назад, что указывает на регулярное использование с этого времени; интересно, что устойчивость к загрязнению воздуха начала развиваться в человеческих популяциях примерно в тот же период. Это особенно актуально для современных лесов, где традиционное выжигание предотвращается для стимулирования роста лесных насаждений. Прохладные пожары обычно проводятся весной и осенью. Они очищают подлесок, сжигая биомассу, которая при достаточной плотности могла бы вызвать сильный пожар. Они создают большее разнообразие сред обитания, что способствует разнообразию диких животных и растений. Для людей они делают густые, непроходимые леса проходимыми. Еще одно применение огня человеком в управлении ландшафтом – очистка земель под сельское хозяйство. Подсечно-огневая система земледелия до сих пор широко распространена в тропической Африке, Азии и Южной Америке. Для мелких фермеров контролируемые пожары – удобный способ очистить заросшие участки и вернуть питательные вещества из стоячей растительности в почву. Однако эта полезная стратегия также имеет свои недостатки. Рост населения, фрагментация лесов и потепление климата делают земную поверхность более подверженной все более масштабным неконтролируемым пожарам. Они наносят вред экосистемам и человеческой инфраструктуре, вызывают проблемы со здоровьем и выбрасывают в атмосферу спирали углерода и сажи, которые могут способствовать дальнейшему потеплению – и, таким образом, усиливать возникновение новых пожаров. В настоящее время во всем мире ежегодно сгорает до 5 миллионов квадратных километров – площадь, превышающая половину территории Соединенных Штатов. Существует множество современных применений огня. В самом широком смысле огонь используется почти каждым человеком на Земле в контролируемых условиях ежедневно. Пользователи автомобилей с двигателями внутреннего сгорания используют огонь каждый раз, когда они ездят. Тепловые электростанции обеспечивают электроэнергией значительную часть человечества, сжигая топливо, такое как уголь, нефть или природный газ, а затем используя выделяемое тепло для превращения воды в пар, который приводит в движение турбины.

The fossil record of fire first appears with the establishment of a land based flora in the Middle Ordovician period, , permitting the accumulation of oxygen in the atmosphere as never before, as the new hordes of land plants pumped it out as a waste product. When this concentration rose above 13%, it permitted the possibility of wildfire. Wildfire is first recorded in the Late Silurian fossil record, , by fossils of charcoalified plants. Apart from a controversial gap in the Late Devonian, charcoal is present ever since. Fire also became more abundant when grasses radiated and became the dominant component of many ecosystems, around ; this kindling provided tinder which allowed for the more rapid spread of fire. Making fire to generate heat and light made it possible for people to cook food, simultaneously increasing the variety and availability of nutrients and reducing disease by killing pathogenic microorganisms in the food. The heat produced would also help people stay warm in cold weather, enabling them to live in cooler climates. Fire also kept nocturnal predators at bay. Evidence of occasional cooked food is found from Although this evidence shows that fire may have been used in a controlled fashion about 1 million years ago, other sources put the date of regular use at 400,000 years ago. Evidence becomes widespread around 50 to 100 thousand years ago, suggesting regular use from this time; interestingly, resistance to air pollution started to evolve in human populations at a similar point in time. This is especially a problem in the forests of today where traditional burning is prevented in order to encourage the growth of timber crops. Cool fires are generally conducted in the spring and autumn. They clear undergrowth, burning up biomass that could trigger a hot fire should it get too dense. They provide a greater variety of environments, which encourages game and plant diversity. For humans, they make dense, impassable forests traversable. Another human use for fire in regards to landscape management is its use to clear land for agriculture. Slash and burn agriculture is still common across much of tropical Africa, Asia and South America. For small farmers, controlled fires are a convenient way to clear overgrown areas and release nutrients from standing vegetation back into the soil. However, this useful strategy is also problematic. Growing population, fragmentation of forests and warming climate are making the earth's surface more prone to ever larger escaped fires. These harm ecosystems and human infrastructure, cause health problems, and send up spirals of carbon and soot that may encourage even more warming of the atmosphere – and thus feed back into more fires. Globally today, as much as 5 million square kilometres – an area more than half the size of the United States – burns in a given year. There are numerous modern applications of fire. In its broadest sense, fire is used by nearly every human being on Earth in a controlled setting every day. Users of internal combustion vehicles employ fire every time they drive. Thermal power stations provide electricity for a large percentage of humanity by igniting fuels such as coal, oil or natural gas, then using the resultant heat to boil water into steam, which then drives turbines.

Использование огня на войне

Огонь использовался в военных целях на протяжении долгой истории. Он был основой всего раннего теплового оружия. Византийский флот использовал греческий огонь для атаки на корабли и живую силу противника. Изобретение пороха в Китае привело к созданию огненного копья – оружия, метающего пламя, датируемого примерно 1000 годом нашей эры, которое стало предшественником снарядов, приводимых в движение горящим порохом. Самые ранние образцы современных огнеметов использовались пехотой в Первой мировой войне, впервые примененные немецкими войсками против французских укреплений под Верденом в феврале 1915 года. Позже они были успешно установлены на бронетехнику во время Второй мировой войны. Ручные зажигательные бомбы, импровизированные из стеклянных бутылок и впоследствии известные как коктейли Молотова, применялись во время гражданской войны в Испании в 1930-х годах. Также в ходе этой войны зажигательные бомбы были сброшены на Гернику фашистскими итальянскими и нацистскими немецкими военно-воздушными силами, специально созданными для поддержки франкистов. Во время Второй мировой войны зажигательные бомбы сбрасывались силами стран Оси и союзниками на Ковентри, Токио, Роттердам, Лондон, Гамбург и Дрезден; в последних двух случаях были намеренно вызваны огненные смерчи, при которых кольцо огня, окружающее каждый город, затягивалось внутрь восходящим потоком воздуха, создаваемым центральным очагом пожаров. Военно-воздушные силы армии США также активно использовали зажигательные бомбы против японских целей в последние месяцы войны, разрушая целые города, построенные преимущественно из деревянных и бумажных домов. Зажигательная жидкость напалм была применена в июле 1944 года, к концу Второй мировой войны, хотя широкое общественное внимание к ее использованию привлекло лишь во время войны во Вьетнаме.

Управление пожарами

Управление огнем с целью оптимизации его размера, формы и интенсивности обычно называют регулированием огня, а более сложные его формы, как традиционно (и иногда до сих пор) практикуемые опытными поварами, кузнецами, мастерами-металлургами и другими, требуют высокой квалификации. Это включает в себя знание того, какое топливо использовать; как располагать топливо; как раздувать огонь на начальных и поддерживающих этапах; как модулировать тепло, пламя и дым в соответствии с поставленной задачей; как лучше всего сохранить тлеющий огонь для последующего разжигания; как выбирать, конструировать или модифицировать печи, камины, пекарские печи, промышленные горны и так далее. Подробные сведения о регулировании огня можно найти в различных книгах по кузнечному делу, умелому туризму или военной разведке, а также по домоводству.

Производственное использование энергии

Сжигание топлива преобразует химическую энергию в тепловую энергию; древесина используется в качестве топлива с доисторических времен. По данным Международного энергетического агентства, в последние десятилетия почти 80% мирового производства энергии стабильно обеспечивалось ископаемым топливом, таким как нефть, природный газ и уголь. Огонь на электростанции используется для нагрева воды, создавая пар, который вращает турбины. Затем турбины приводят в действие электрический генератор для производства электроэнергии. Огонь также используется для непосредственного получения механической работы за счет теплового расширения, как в двигателях внешнего, так и внутреннего сгорания. Несгоревшие твердые остатки горючего материала, оставшиеся после пожара, называются клинкером, если их температура плавления ниже температуры пламени, в результате чего они расплавляются и затвердевают при охлаждении, и золой, если их температура плавления выше температуры пламени.

Пламя

Пламя — это смесь реагирующих газов и твердых веществ, излучающих видимый, инфракрасный и иногда ультрафиолетовый свет, частотный спектр которого зависит от химического состава горящего материала и промежуточных продуктов реакции. Во многих случаях, например, при сгорании органических веществ, таких как древесина, или при неполном сгорании газа, раскаленные твердые частицы, называемые сажей, производят привычный красно-оранжевый свет «огня». Этот свет имеет непрерывный спектр. Полное сгорание газа имеет тускло-голубой цвет из-за излучения монохроматического излучения от различных электронных переходов в возбужденных молекулах, образующихся в пламени. Обычно в процессе участвует кислород, но горение водорода в хлоре также создает пламя, в результате чего образуется хлорид водорода (HCl). Другими возможными комбинациями, приводящими к образованию пламени, являются фтор и водород, гидразин и тетроксид азота. Пламя водорода и гидразина/UDMH также имеет бледно-голубой цвет, в то время как горение бора и его соединений, рассматривавшихся в середине 20-го века как высокоэнергетическое топливо для реактивных и ракетных двигателей, излучает интенсивное зеленое пламя, что и дало ему неофициальное прозвище «Зеленый Дракон». Свечение пламени сложно. Излучение черного тела испускается сажей, газом и частицами топлива, хотя частицы сажи слишком малы, чтобы вести себя как идеальные черные тела. Также происходит фотонное излучение дезактивированными 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. В обычных условиях гравитации распределение пламени определяется конвекцией, поскольку сажа стремится подниматься к верхней части пламени, как в свече при нормальной гравитации, придавая ему желтый оттенок. В условиях микрогравитации или невесомости, например, в космическом пространстве, конвекция прекращается, и пламя становится сферическим, приобретая тенденцию к более синему цвету и большей эффективности (хотя оно может погаснуть, если не перемещать его постоянно, поскольку CO2, образующийся при сгорании, не рассеивается так легко в микрогравитации и склонен гасить пламя). Существует несколько возможных объяснений этой разницы, наиболее вероятным из которых является то, что температура распределена достаточно равномерно, чтобы не образовывалась сажа и происходило полное сгорание. Эксперименты NASA показывают, что диффузионные пламена в микрогравитации позволяют окислить больше сажи после ее образования, чем диффузионные пламена на Земле, благодаря ряду механизмов, которые ведут себя по-разному в микрогравитации по сравнению с нормальными условиями гравитации. Эти открытия имеют потенциальное применение в прикладной науке и промышленности, особенно в отношении повышения топливной эффективности.

A flame is a mixture of reacting gases and solids emitting visible, infrared, and sometimes ultraviolet light, the frequency spectrum of which depends on the chemical composition of the burning material and intermediate reaction products. In many cases, such as the burning of organic matter, for example wood, or the incomplete combustion of gas, incandescent solid particles called soot produce the familiar red orange glow of "fire". This light has a continuous spectrum. Complete combustion of gas has a dim blue color due to the emission of single wavelength radiation from various electron transitions in the excited molecules formed in the flame. Usually oxygen is involved, but hydrogen burning in chlorine also produces a flame, producing hydrogen chloride (HCl). Other possible combinations producing flames, amongst many, are fluorine and hydrogen, and hydrazine and nitrogen tetroxide. Hydrogen and hydrazine/UDMH flames are similarly pale blue, while burning boron and its compounds, evaluated in mid 20th century as a high energy fuel for jet and rocket engines, emits intense green flame, leading to its informal nickname of "Green Dragon". The glow of a flame is complex. Black body radiation is emitted from soot, gas, and fuel particles, though the soot particles are too small to behave like perfect blackbodies. There is also photon emission by de excited atoms and molecules in the gases. Much of the radiation is emitted in the visible and infrared bands. The color depends on temperature for the black body radiation, and on chemical makeup for the emission spectra. The common distribution of a flame under normal gravity conditions depends on convection, as soot tends to rise to the top of a general flame, as in a candle in normal gravity conditions, making it yellow. In micro gravity or zero gravity, such as an environment in outer space, convection no longer occurs, and the flame becomes spherical, with a tendency to become more blue and more efficient (although it may go out if not moved steadily, as the CO2 from combustion does not disperse as readily in micro gravity, and tends to smother the flame). There are several possible explanations for this difference, of which the most likely is that the temperature is sufficiently evenly distributed that soot is not formed and complete combustion occurs. Experiments by NASA reveal that diffusion flames in micro gravity allow more soot to be completely oxidized after they are produced than diffusion flames on Earth, because of a series of mechanisms that behave differently in micro gravity when compared to normal gravity conditions. These discoveries have potential applications in applied science and industry, especially concerning fuel efficiency.

Наука о пожаре

Огневая наука — это область физических наук, включающая в себя поведение огня, динамику горения и процессы горения. Области применения огневой науки включают в себя пожарную безопасность, расследование причин пожаров и управление лесными пожарами.

Экология пожара

Каждая естественная наземная экосистема имеет свой режим пожаров, и организмы в этих экосистемах адаптированы к нему или зависят от него. Пожары создают мозаику различных участков местообитаний, каждый из которых находится на разной стадии сукцессии. Различные виды растений, животных и микроорганизмов специализируются на использовании определенной стадии, и, создавая такие разнообразные участки, пожары позволяют большему числу видов сосуществовать в ландшафте.

Системы профилактики и защиты

Программы предотвращения лесных пожаров по всему миру могут использовать такие методы, как использование природных пожаров и контролируемые выжигания. Использование природных пожаров подразумевает наблюдение за любым пожаром, возникшим по естественным причинам, и разрешение ему гореть. Контролируемые выжигания – это пожары, разводимые государственными органами в менее опасных погодных условиях. Службы пожаротушения предоставляются в большинстве развитых районов для тушения или локализации неконтролируемых пожаров. Обученные пожарные используют пожарную технику, источники водоснабжения, такие как водопроводные сети и пожарные гидранты, или пену классов А и В, в зависимости от того, что поддерживает горение. Предотвращение пожаров направлено на уменьшение источников воспламенения. Предотвращение пожаров также включает в себя обучение населения мерам предосторожности, чтобы избежать возникновения пожаров. В зданиях, особенно в школах и высотных сооружениях, часто проводятся учебные пожарные тревоги для информирования и подготовки граждан к действиям при пожаре. Умышленный поджог является преступлением в большинстве юрисдикций. Модельные строительные нормы требуют применения систем пассивной и активной противопожарной защиты для минимизации ущерба от пожара. Наиболее распространенной формой активной противопожарной защиты являются спринклерные системы. Для максимальной пассивной противопожарной защиты зданий строительные материалы и отделка в большинстве развитых стран подвергаются испытаниям на огнестойкость, горючесть и воспламеняемость. Также испытываются обивка, ковровые покрытия и пластик, используемые в транспортных средствах и судах. В случае, если меры по предотвращению пожаров и противопожарной защите не смогли предотвратить ущерб, страхование от пожаров может смягчить финансовые последствия.