ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΘΕΩΡΗΣΗ ΤΗΣ ΠΥΡΚΑΓΙΑΣ

ΠΡΟΥΠΟΘΕΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΠΥΡΚΑΓΙΑΣ

Προϊδεασμός για τα Συνθετικά Στοιχεία Πυρκαγιάς. Τρίγωνο και Πυραμίδα Πυρκαγιάς

Κοινό γνώρισμα των πυρκαγιών είναι ότι αρχίζουν από μία μικρή εστία πυρός. Αν και η προέλευση των πυρκαγιών (μπορεί να) έχει διάφορα αίτια, η πρόκληση του φαινόμενου απαιτεί καύσιμη ύλη — ορισμένη θερμοκρασία — οξυγόνο, ένα τρίπτυχο που στο παρελθόν ισοδυναμούσε με «την αναγκαία και ικανή συνθήκη» για να υπάρξει και συντηρηθεί φωτιά σε κάθε περίπτωση συστήματος (υλικού σώματος) προσφερόμενου για ταυτόχρονη ανάπτυξη θερμότητας και φλόγας.
Η συνύπαρξη των προϋποθέσεων αυτών είχε χαρακτηρισθεί από πολλούς  «τρίγωνο πυρκαγιάς».
Προκειμένου, όμως, να λαμβάνονται υπόψη και οι αλυσωτές (αλυσιδωτές) αντιδράσεις καύσης, ο επαναπροσδιορισμός των συνθετικών στοιχείων της πυρκαγιάς ήταν αναγκαίος. Έτσι, σήμερα — με επιδίωξη μία σχηματική παράσταση περισσότερη ανταποκρινόμενη στη γενική περίπτωση της πυρκαγιάς, όπου στα κυρίαρχα στοιχεία της περιλαμβάνονται και οι ανεξέλεγκτες αλυσωτές (αλυσιδωτές) αντιδράσεις — πρέπει να θεωρούμε ένα τετράεδρο.
 Η προσομοίωση αυτή βασίζεται σε νεότερες επιστημονικές έρευνες που απέδειξαν ότι υπάρχει και ένα τέταρτο συνθετικό στοιχείο πυρκαγιάς (θεωρία πυραμίδας), που δεν είναι τίποτε άλλο από ελεύθερες ρίζες οι οποίες δρουν με το οξυγόνο και τα αέρια της καιόμενης ύλης, κατά εξελισσόμενο τρόπο ως αλυσωτή αντίδραση , που μπορεί να ευνοηθεί από διαφόρους παράγοντες, για παράδειγμα από νέα θερμική επιφόρτιση, όταν η πυρκαγιά εξαπλωθεί σε γειτονική περιοχή. Η επιστημονική θεώρηση της πυρκαγιάς επιτρέπει την κατάστρωση λεπτομερειακών Σχεδίων πυρασφάλειας, με προβλέψεις για χρήση συμβατικών ή αυτομάτων μέσων πυρόσβεσης, λαμβανομένων υπόψη ότι:
     α) η απαίτηση μιας πυρκαγιάς για οξυγόνο μπορεί να ικανοποιηθεί είτε από ελεύθερο οξυγόνο ή από έναν οξειδωτικό παράγοντα (μέσο) γενικότερα
 και  β) στο εξεταζόμενο φαινόμενο, το καύσιμο (καύσιμη ύλη) είναι ένας αναγωγικός παράγοντας, κατά τη χημική ορολογία
 

   

 Όπως και στο οικείο Κεφάλαιο θίγεται, από τεχνολογικής πλευράς το κύριο πλεονέκτημα των προμνημονευομένων συστημάτων είναι ότι αντιδρούν στο πρωταρχικό στάδιο της εκδήλωσης πυρκαγιάς και δεν αφήνουν περιθώρια πολλαπλασιασμού των ελευθέρων ριζών για να προκληθεί αλυσωτή αντίδραση, λεπτομερέστερη εξέταση της οποίας θα γίνει μετά από μία σύντομη αναφορά των άλλων προϋποθέσεων για την ανάπτυξη (και συντήρηση) πυρκαγιών

Καύσιμη Ύλη

Οι καύσιμες ύλες, ή καύσιμα, είναι υλικά που μπορούν να καούν, εφόσον συντρέχουν ορισμένες προϋποθέσεις  και αποδίδουν ενέργεια υπό μορφή θερμότητας. Κατά  αναλογία, όταν πρόκειται για πυρηνική ενέργεια, μιλάμε για πυρηνικά καύσιμα.
Τα καύσιμα, με βάση τη φυσική τους κατάσταση διακρίνονται σε στερεά (π.χ. ξύλο), υγρά (π.χ. οινόπνευμα) και αέρια (π.χ. φυσικό γηγενές αέριο).
Αν ληφθεί υπόψη η προέλευση των καυσίμων, ευσταθή η ταξινόμηση τους σε δύο μεγάλες κατηγορίες: α) φυσικά ή πρωτογενή (π.χ. άνθρακες, γαιάνθρακες) και β) τεχνητά ή δευτερογενή (π.χ. κωκ).
Η χημική τεχνολογία και η τεχνογνωσία, γενικά, συμβάλλουν στην πληθοπαραγωγή συνθετικών υλικών πολλά των οποίων είναι καύσιμα. Για τις εκτιμήσεις που απαιτούνται σε ζητήματα πυρασφάλειας τέτοιων υλών είναι απαραίτητη η άντληση πληροφοριών για τις ιδιότητες τους από τους κατασκευαστές, στην περίπτωση που τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα τους δεν είναι ευρύτερα γνωστά.


Οξυγόνο — Οξειδωτικοί Παράγοντες

Το οξυγόνο, στοιχείο πολύ ενεργό (που στον ατμοσφαιρικό αέρα περιέχεται σε ποσοστό 21% κατ' όγκο), όπως είναι γνωστό, συνενώνεται με τα περισσότερα των λοιπών χημικών στοιχείων, με βραδύ ή γρήγορο ρυθμό και έκλυση θερμότητας. Η ταχύτητα της αντίδρασης εξαρτάται από διάφορες συνθήκες (αντιδρώντα σώματα, ατμόσφαιρα οξυγόνου κ.λπ.) και αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας.
Όταν η ταχύτητα του πιο πάνω φαινόμενου (συνένωσης) είναι «βραδεία», οπότε το εκλυόμενο ποσό θερμότητας δεν γίνεται αμέσως αντιληπτό, η διεργασία λέγεται οξείδωση. Όταν η αντίδραση (συνένωση) είναι έντονη (συνοδεύεται, δηλαδή, από έκλυση μεγάλου ποσού θερμότητας και εμφάνιση φωτός), το φαινόμενο ονομάζεται καύση. Η διαφορά, λοιπόν, μεταξύ οξείδωσης και καύσης έγκειται μόνο στην ταχύτητα διεξαγωγής της αντίδρασης, της συνένωσης — ειδικότερα — των (χημικών) στοιχείων με το οξυγόνο  από πλευράς προϊόντων τα σώματα που προκύπτουν από την αντίδραση ανήκουν στην ίδια κατηγορία ενώσεων (οξείδια). Γι' αυτό, δικαιολογημένα, η καύση αναφέρεται συχνά ως (έντονη) οξείδωση.
Λεπτομερειακές έρευνες έδειξαν ότι στις οξειδώσεις αποβάλλονται ηλεκτρόνια από μία ουσία. Ωστόσο, διεξάγονται και αντίθετες αντιδράσεις, στις οποίες μία ουσία προσλαμβάνει ηλεκτρόνια, οπότε το φαινόμενο λέγεται αναγωγή.
Η ουσία που προσλαμβάνει ηλεκτρόνια ονομάζεται οξειδωτικό σώμα (οξειδωτικός παράγοντας), ενώ η ουσία που δίνει ηλεκτρόνια λέγεται αναγωγικό σώμα (αναγωγικός παράγοντας).
Για παράδειγμα, το μαγνήσιο, που θερμαινόμενο στον αέρα καίγεται με πολύ ζωηρή φλόγα, ενώνεται με το οξυγόνο, γιατί το οξυγόνο αποσπά ηλεκτρόνια από το μέταλλο. Ο σχηματισμός του οξειδίου του μαγνησίου, δηλαδή του προϊόντος της αντίδρασης, δείχνεται με τη συμβολική παράσταση (χημική εξίσωση):

2Mg + 02 = 2MgO + Q

Αναλυτικότερα, η απεικόνιση της ενωτικής ικανότητας των ατόμων των στοιχείων μαγνησίου και οξυγόνου, η οποία (ικανότητα) εξαρτάται από τον αριθμό των ηλεκτρονίων της εξώτατης στιβάδας τους (στιβάδας σθένους) έχει ως εξής:

Mg           +          ·ό:                  =        Mg++   O --       
αναγωγι-                  οξειδω-
κό σώμα                  τικό σώμα

Έτσι, οξείδωση και αναγωγή είναι αλληλένδετες διεργασίες και η σύγχρονη διεξαγωγή τους αποτελεί φαινόμενο γνωστό ως οξειδοαναγωγή.
Παραπέρα, η μελέτη πολλών αντιδράσεων που χαρακτηρίζονται ως αντιδράσεις οξειδοαναγωγής αποκάλυψαν ότι, σ' αυτές, δεν γίνεται μεταβίβαση ηλεκτρονίων, π.χ. οι αντιδράσεις:

C + 02        CO2
Η2 + F2       2HF
2Η2 + 02      2Η20

είναι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, που συνοδεύονται από έκλυση θερμότητας και φωτός — συνιστούν, δηλαδή, αντιδράσεις καύσης. Στις αντιδράσεις αυτές, αν και πρόκειται για καύσεις, δεν γίνεται μετάβαση ηλεκτρονίων γιατί οι σχηματιζόμενες ενώσεις είναι ομοιοπολικές. Κατ' αυτό τον τρόπο προέκυψε η ανάγκη να ορισθεί το φαινόμενο της οξειδοαναγωγής επί νέας βάσης, προκειμένου να συμπεριλάβει και τον σχηματισμό ομοιοπολικών ενώσεων (όπως σε περιπτώσεις καύσεων κ.λπ.). Αυτό κατορθώθηκε με την εισαγωγή της έννοιας του αριθμού οξείδωσης. Αριθμός οξείδωσης λογίζεται ο αριθμός των ηλεκτρονίων που πρέπει να προστεθούν σε κατιόν ή ν' αφαιρεθούν από ανιόν για να μεταπέσουν αυτά σε ουδέτερα άτομα. Μ' αυτή τη θεώρηση, οξειδοαναγωγή ονομάζεται το φαινόμενο που μεταβάλλεται ο αριθμός οξείδωσης των αντιδρώντων σωμάτων, είτε με μεταφορά ή με μοίρασμα ηλεκτρονίων. Ο ορισμός αυτός έχει γενική ισχύ, δεδομένου ότι η έννοια του αριθμού οξείδωσης επεκτείνεται (και) στις ομοιοπολικές ενώσεις (που, ιδιαίτερα ενδιαφέρουν τις καύσεις, όπως σημειώθηκε). Μάλιστα, λέμε ότι ένα στοιχείο οξειδώνεται όταν γίνεται αλγεβρική αύξηση του αριθμού οξείδωσης του, ενώ ότι ανάγεται όταν γίνεται αλγεβρική ελάττωση του αριθμού οξείδωσης του.
Αν ένα μόριο ή ένα ιόν περιέχει (χημικό) στοιχείο, που βρίσκεται στην ανώτατη κατάσταση οξείδωσης του, ή ουσία εύκολα ανάγεται και χρησιμοποιείται ως οξειδωτικό μέσο.

Αν ένα μόριο ή ένα ιόν περιέχει (χημικό) στοιχείο, που βρίσκεται στην κατώτατη κατάσταση οξείδωσης του, η ουσία εύκολα οξειδώνεται και χρησιμοποιείται ως αναγωγικό μέσο. Σύμφωνα με όσα θίξαμε, μπορούμε ν' αναφέρουμε — εναλλακτικά —ένα οξειδωτικό σώμα ως οξειδωτικό παράγοντα ή οξειδωτικό μέσο και ένα αναγωγικό σώμα ως αναγωγικό παράγοντα ή αναγωγικό μέσο.
Επειδή πλην του οξυγόνου και ορισμένα άλλα μέταλλα, π.χ. τα αλογόνα (φθόριο, χλώριο, βρώμιο, ιώδιο), είναι οξειδωτικά γίνεται πια υιοθέτηση της άποψης ότι οι απαιτήσεις της πυρκαγιάς για οξειδωτικό σώμα δεν περιορίζονται στο οξυγόνο μια και έχουμε καύσεις με τη συνδρομή και των λοιπών (πλην οξυγόνου) οξειδωτικών μέσων. Τις απόψεις αυτές απηχούν τα σχήματα πιο πάνω όπου η αναφορά σε «οξειδωτικό παράγοντα» υποδηλώνει ακριβώς ότι η απαίτηση της πυρκαγιάς σε ύλη που να διαθέτει οξειδωτική ικανότητα ικανοποιείται όχι αποκλειστικά από το οξυγόνο αλλά και από οποιοδήποτε άλλο οξειδωτικό μέσο. Με άλλες λέξεις, η καύση δεν απαιτεί υποχρεωτικά οξυγόνο. Ένα σύστημα (υλικό σώμα), δηλαδή, μπορεί να καεί χωρίς να χρειασθεί εξωτερική «επέμβαση» οξυγόνου.
Έτσι, το κάλιο και ο φωσφόρος αναφλέγονται εντός χλωρίου. Ορισμένα μέταλλα — π.χ. μαγνήσιο — μπορούν να καούν εντός αζώτου και ορισμένες ενώσεις (υπεροξείδια) — π.χ. υπεροξείδιο του υδρογόνου — είναι δυνατό να προκαλέσουν πυρκαγιά (και συνεισφέρουν σε καύσεις) με το οξυγόνο τους, που δίνουν διασπώμενες.
Συμπληρώνοντας και συνοψίζοντας τα δεδομένα που είναι χρήσιμα για την επεξήγηση του φαινόμενου της οξειδοαναγωγής, στα πλαίσια του αντικειμένου αυτού, δύο παρατηρήσεις κρίνονται βασικές:
1) Τα χημικά στοιχεία, διακρίνονται συνήθως σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τα μέταλλα και τα αμέταλλα. Όλα τα μέταλλα είναι αναγωγικά. Αναγωγικά, επίσης, μέσα είναι και ορισμένα αμέταλλα. Τα λοιπά αμέταλλα στοιχεία (ειδικότερα τα πιο ηλεκτροαρνητικά της 7ης και 6ης ομάδας του περιοδικού συστήματος: αλογόνα και οξυγόνο, θείο αντίστοιχα) είναι οξειδωτικά.
2) Οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις είναι διεργασίες στις οποίες μεταβάλλεται ο αριθμός οξείδωσης δύο ή περισσοτέρων ατόμων ή ιόντων, που πραγματοποιούνται είτε λόγω μεταβίβασης ηλεκτρονίων ή λόγω συνεισφοράς ηλεκτρονίων προς σχηματισμό κοινών ζευγών.

Θερμοκρασία

Κατά έναν ορισμό, θερμοκρασία συγκεκριμένου σώματος ονομάζεται το φυσικό μέγεθος που χαρακτηρίζει των κινητική ενέργεια των «δομικών μονάδων» (μορίων, ατόμων) του σώματος.
Σύμφωνα, πάλι, με άλλο ορισμό , θερμοκρασία είναι η ιδιότητα εκείνη που δείχνει την ικανότητα της ύλης να μεταφέρει ενέργεια με τη
βοήθεια της αγωγής ή της ακτινοβολίας.
Από άποψη ορολογίας, στο βιβλίο αυτό υιοθετείται ότι η θερμοκρασία ενός σώματος χαρακτηρίζει τη θερμική κατάσταση του.

 Αν η κινητική ενέργεια των δομικών μονάδων της ύλης αυξηθεί, τότε θα αυξηθεί και η θερμοκρασία του σώματος που συνιστά η ύλη αυτή. Όταν η όλη διεργασία επιτρέψει στο σώμα ν' αποκτήσει συγκεκριμένη (ανάλογα με το είδος του συστήματος — σώματος — και τις συνθήκες υπό τις οποίες βρίσκεται) θερμοκρασία, επέρχεται ανάφλεξη και εφόσον συντρέχουν οι προϋποθέσεις επακολουθεί πυρκαγιά .
Από πλευράς πυρασφάλειας ενδιαφέρει η διαφοροποίηση της θερμοκρασίας των συστημάτων (υλικών σωμάτων) με προσφορά ή αφαίρεση θερμότητας· κι αυτό, γιατί θέρμανση ενός σώματος μπορεί να έχει ως επακόλουθο την καύση του, ενώ ψύξη του να υπόσχεται τον αποκλεισμό πυρκαγιάς. Εδώ, ως θερμότητα λογίζεται η μορφή ενέργειας που βρίσκεται σε μεταβατική κατάσταση  — ενέργεια που μεταβιβάζεται υπό ορισμένους όρους (που θα αναλυθούν αργότερα).
Από όσα προεκθέτονται γίνεται φανερό ότι — σε τελική ανάλυση — μία βασική προϋπόθεση για να έχουμε φωτιά (καύση, πυρκαγιά) είναι η ύλη που θα καεί να αποκτήσει ορισμένη θερμοκρασία.
Σημειώνεται ότι η εξέλιξη μιας πυρκαγιάς σχετίζεται με το γεγονός ότι ανταλλαγή (θερμικής) ενέργειας μεταξύ συστημάτων (υλικών σωμάτων) γίνεται (και) όταν αυτά είναι σε επαφή, οπότε τείνουν σε μία τελική (από θερμική άποψη) κατάσταση, που ονομάζεται θερμική ισορροπία, χαρακτηριστικό γνώρισμα της οποίας είναι η απόκτηση από τα συστήματα κοινής ιδιότητας που λέγεται θερμοκρασία.

 Αλυσωτή (Αλυσιδωτή) Αντίδραση

Αλυσωτή, ή αλυσιδωτή, αντίδραση ονομάζεται η (χημική) αντίδραση που, όταν αρχίσει από μια κατάλληλη — βασική — διαδικασία, διεξάγεται διαδοχικά, δηλαδή σε σειρά αλληλεπαλλήλων σταδίων .
Η σημασία των αντιδράσεων αυτών για το όλο θέμα της πυρασφάλειας,είναι πολύ μεγάλη· «εύγλωττα» είναι τα πιο κάτω δεδομένα:
Αντιδράσεις είναι δυνατό να παρατηρηθούν όταν λίγα μόρια αντιδράσουν «εφάπαξ», οπότε και σχηματίζονται λίγα μόρια προϊόντων. Στην περίπτωση αυτή μιλάμε για απλές αντιδράσεις.
Υπάρχουν, όμως, και αντιδράσεις στις οποίες σχηματίζονται ενδιάμεσα προϊόντα· είναι μάλιστα και αυτός ένας τρόπος για να επιτευχθεί μια πολύ μεγάλη ταχύτητα αντίδρασης. Ειδικότερα, αν κατά μία απλή αντίδραση δύο μορίων σχηματίζεται εκτός από το προϊόν της αντίδρασης και ένα ενδιάμεσο προϊόν, που να είναι πάντα σε θέση ν' αντιδράσει μ' ένα από τα αρχικά μόρια, τότε επαναλαμβάνεται η αντίδραση πολλές φορές — ή, θεωρητικώς, συνεχίζεται επ' άπειρων — αφού μία φορά ένα ζεύγος μορίων βρέθηκε σε κατάλληλη κατάσταση για αντίδραση.
Σημειώνεται, ιδιαίτερα, ότι στις περισσότερες αντιδράσεις αερίων εκλύεται θερμότητα (εξώθερμες αντιδράσεις). Πολύ συχνά, όταν σε μία χημική αντίδραση απελευθερώνεται θερμότητα, η από την εξώθερμη αντίδραση προερχόμενη ενέργεια προκαλεί τον ενδιάμεσο σχηματισμό ελευθέρων ατόμων ή μη κορεσμένων μορίων (ριζών), τα οποία είναι φορείς αλυσωτών (αλυσιδωτών) αντιδράσεων. Κατά κύριο λόγο, όλες οι καύσεις καυσίμων αερίων και υγρών ανήκουν στην κατηγορία αυτή αντιδράσεων. Κατ' ακολουθία, στις φλόγες και τη φωτιά, γενικά, έχουμε αλυσωτές (αλυσιδωτές) αντιδράσεις (είναι γνωστό, άλλωστε, ότι με το φασματοσκόπιο διαπιστώθηκαν σε όλες τις φλόγες ελεύθερες ρίζες, όπως OH, CH κ.λπ). Αλλά και άλλα φαινόμενα, π.χ. η αυτόματη διάσπαση του «οξυζενέ» (πυκνού υπεροξειδίου του υδρογόνου), το μαύρισμα φωτογραφικού εμφανιστή στον αέρα κ.λπ., που συντομογραφικά μπορούν να χαρακτηρισθούν «οξειδώσεις διαλυμάτων στον αέρα», συνιστούν αλυσωτές (αλυσιδωτές) αντιδράσεις — μεταδιδόμενες, μάλιστα, για τα παραδείγματα, με τη ρίζα ΟΗ.
Χαρακτηριστικό των αλυσωτών (αλυσιδωτών) αντιδράσεων είναι ότι μπορούν να επιβραδυνθούν ή και σταματήσουν εντελώς με προσμίξεις ή κατάλληλη τεχνική. Στην πράξη γίνεται εκμετάλλευση του γεγονότος αυτού για την επιτέλεση κάποιου επιθυμητού σκοπού. Έτσι, π.χ. στη βενζίνη που είναι αποθηκευμένη σε μεγάλες δεξαμενές σχηματίζεται με την πάροδο του χρόνου και από αλυσωτή (αλυσιδωτή) οξείδωση ρητινοειδής ουσία (κόμμι), που βουλώνει τον ανάμικτη των μηχανών εσωτερικής καύσης, όπου προκαλείται αυτομάτως η ανάμιξη του ατμοσφαιρικού αέρα με τους ατμούς του υγρού καυσίμου (βενζίνης), δηλαδή του εξαερωτήρα (καρμπυρατέρ/carburateur). Με προσθήκη μικρής ποσότητας ενώσεων που έχουν την ικανότητα να δεσμεύουν τις ρίζες του υδροξυλίου (π.χ. πολυφαινολών) εμποδίζεται πολύ η οξείδωση αυτή.
Όχι σπάνια, η αλυσωτή (αλυσιδωτή) αντίδραση εκδηλώνεται με έκρηξη. Αυτό συμβαίνει όταν στην μονάδα του χρόνου σχηματίζονται περισσότερα άτομα ή ρίζες, απ' όσα δεσμεύονται· δηλαδή όταν η αλυσίδα είναι διακλαδισμένη. Μια τέτοια διακλαδισμένη αλυσωτή (αλυσιδωτή) αντίδραση συνιστά η καύση του υδρογόνου, που μπορεί να παρασταθεί ως εξής:

Η2 = Η + Η
Η + Ο2 = ΟΗ + Η
Ο + Η2 = ΟΗ + Η
ΟΗ + Η2 = Η + Η20

Οι αντιδράσεις (2), (3) των ελεύθερων ριζών σχηματίζουν ένα άτομο και μία ρίζα στη συνέχεια από μία τέτοια αντίδραση προκύπτουν δύο νεότερες αντιδράσεις, π.χ. από την πρώτη αντίδραση η 3η και 4η και από την τρίτη η 2η και η 4η. Με άλλες λέξεις, αυξάνεται — εξακολουθητικά — ο αριθμός ατόμων και ριζών. Οι αντιδράσεις τέτοιου είδους καταλήγουν μοιραίος σε έκρηξη, εκτός αν η αύξηση του αριθμού των ατόμων και ριζών αντισταθμίζεται από τη δέσμευση τους.
Με βάση τον προαναφερόμενο μηχανισμό των αντιδράσεων, οι εκρήξεις θεωρούνται ότι είναι διακλαδισμένες αλυσωτές (αλυσιδωτές) αντιδράσεις π.χ. κροτούν αέριο, εκρήξεις πυρίτιδας, νιτρογλυκερίνης.
Εκτός των αλυσωτών (αλυσιδωτών) αντιδράσεων, που είδαμε και οι οποίες ανήκουν στο χώρο της κλασσικής χημείας, διεξάγονται, επίσης, αλυσωτές (αλυσιδωτές) αντιδράσεις λόγω πυρηνικών φαινόμενων. Τυπικό παράδειγμα είναι πυρηνική αλυσωτή (αλυσιδωτή) αντίδραση της σχάσης του πυρήνα του ουρανίου - 235. Γενικά, μία «ανεξέλεγκτη» πυρηνική αλυσωτή αντίδραση οδηγεί σε έκρηξη (πυρηνική βόμβα κ.λπ.) που μπορεί να έχει τρομερές καταστρεπτικές συνέπειες. Αντίθετα, οι «ελεγχόμενες» πυρηνικές αλυσωτές αντιδράσεις είναι δυνατό ν' αξιοποιηθούν για παραγωγικούς σκοπούς και γι' αυτό βρίσκουν πολλές και ποικίλες εφαρμογές σε ειρηνικές χρήσεις. Οι ελεγχόμενες αυτές αντιδράσεις επιτυγχάνονται με τη βοήθεια καταλλήλων μέσων, όπως είναι τα στοιχεία ελέγχου (στην καρδιά) του πυρηνικού αντιδραστήρα που ρυθμίζουν τη' λειτουργία του.
 

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ

Διακίνηση Μάζας, Ορμής, Θερμότητας

Στις πυρκαγιές λόγω διαφόρων συνθηκών (καπνός, φλόγες κ.λπ.) έχουμε μεταφορά μάζας, μεταφορά ορμής και μετάδοση θερμότητας.
Με τον όρο «μεταφορά μάζας» νοούμε τη διεργασία στην οποία έχουμε «διακίνηση» μάζας· η διακίνηση αυτή οφείλεται στη διαφορά συγκέντρωσης των συστατικών του συστήματος  που προκαλεί η καύση (πυρκαγιά). Στις πυρκαγιές, μέσο διακίνησης μάζας (m) είναι συνήθως ο αέρας και επαληθεύεται η γενική αρχή ότι η διεργασία θα συνεχίζεται μέχρι να κατανεμηθεί η συγκέντρωση κάθε συστατικού (j) ομοιόμορφα σε όλη την έκταση του χώρου που κατέχει το μίγμα. Ως συγκέντρωση συστατικού  μέσα στο μίγμα ορίζεται το πλήθος με το οποίο το συστατικό υπάρχει ανά μονάδα όγκου. Το πλήθος αυτό, ανάλογα των διαστατικών μονάδων, εκφράζεται με διαφόρους τρόπους (γραμμάρια ανά μονάδα όγκου π.χ.)

 Με τον όρο «μεταφορά ορμής» νοούμε τη διεργασία στην οποία έχουμε «διακίνηση» ορμής.
Αναφερόμενοι στη διεργασία αυτή και περιοριζόμενοι στις περιπτώσεις πυρκαγιών, επιδιώκουμε να συσχετίσουμε τη σκιαγράφηση του φαινόμενου με τα (δυσμενή) επακόλουθα του, λόγω των αερίων (καπνού) κ.λπ. της καύσης.
Όπως — και βιβλιογραφικά — είναι γνωστό, η διακίνηση αυτή δικαιολογείται με τη μοριακή συμπεριφορά των αερίων.
Κάθε μόριο με μάζα m, όταν κινείται με ταχύτητα U, έχει ορμή ίση με το γινόμενο m.U. Η ορμή, όμως, που κατέχει ένα μόριο διατηρείται σταθερή κατά τη διάρκεια της κίνησης του και ανταλλάσσεται (μεταβάλλεται) τη στιγμή των συγκρούσεων. Πραγματοποιείται, έτσι, μεταφορά (ανταλλαγή)
της ορμής από μόριο σε μόριο κατά τις διαμοριακές συγκρούσεις, που γίνονται και που είναι αποτέλεσμα της θερμικής κίνησης των μορίων.
Η «εκτενής» εξέταση του φαινόμενου της μεταφοράς ορμής μπορεί να γίνει με αναζήτηση δεδομένων από την επιστημονική βιβλιογραφία . Με τέτοια δεδομένα: τα μόρια αερίου κινούνται προς όλες τις κατευθύνσεις, πέρα από τη μακροσκοπική, κατά ορισμένη διεύθυνση, κίνηση στο αέριο. Κάθε μόριο, δηλαδή, εκτός από τη «θερμική» του ταχύτητα αποκτά και μία- πρόσθετη ταχύτητα ροής.

 

 Είναι, λοιπόν, δυνατό να διατυπωθεί η άποψη ότι όσο πιο έντονη μεταφορά ορμής γίνεται τόσο πιο σφοδρό κύμα καύσης  παρατηρείται.
Με τον όρο «μετάδοση θερμότητας» νοούμε τη «διακίνηση» (διάδοση) της θερμότητας από ένα σώμα σε άλλο ή από μία θέση ενός σώματος σε γειτονική της θέση.
Η διακίνηση αυτή οφείλεται στη χαρακτηριστική θερμοδυναμική ιδιότητα της ύλης: τη θερμοκρασία  καθώς και στο δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα, σύμφωνα με το οποίο απλή διάδοση θερμικής ενέργειας γίνεται πάντοτε από υψηλότερες θερμοκρασιακές καταστάσεις σε χαμηλότερες. Είναι αυταπόδεικτο ότι, στις πυρκαγιές, ισχύει ο γενικός κανόνας διάδοσης θερμότητας, δηλαδή η διεργασία (μεταφοράς θερμότητας) διενεργείται όσο υπάρχει το αίτιο (:διαφορά θερμότητας).
Η μετάδοση θερμότητας μπορεί να γίνει — βασικά — με τους εξής τρόπους.
— με αγωγή
— με συναγωγή (δηλαδή όχι μόνο με μεταφορά μάζας)
— με ακτινοβολία*
Το φαινόμενο μεταφοράς μάζας και μετάδοσης θερμότητας έχουν μεγάλες ομοιότητες· π.χ. το φαινόμενο της διάχυσης έχει αντιστοιχία με το φαινόμενο της μετάδοσης θερμότητας με αγωγό, η εξαναγκασμένη (από μηχανικά αίτια για παράδειγμα) διακίνηση μάζας μπορεί να θεωρηθεί ως αντίστοιχη της μεταφοράς θερμότητας κ.λπ.
Σημειώνεται ότι φαινόμενο μάζας αντίστοιχο της μετάδοσης θερμότητας με ακτινοβολία δεν υπάρχει.
Η αντιστοιχία, πάντως, των φαινόμενων (μεταφοράς μάζας, μετάδοσης θερμότητας) επεκτείνεται και στα φαινόμενα μεταφοράς ορμής.
Βιβλιογραφικά, σήμερα το αντικείμενο επιδέχεται κοινής μελέτης με τον γενικό τίτλο: φαινόμενα μεταφοράς.
Οι διεργασίες μεταφοράς χαρακτηρίζονται (θερμοδυναμικώς) για αναντιστρεπτότητα — για μεγαλύτερη εμβάθυνση κρίνεται αναγκαία η προσφυγή στη διαθέσιμη βιβλιογραφία .
Οι πυρκαγιές, ως διεργασίες μεταφοράς, διαθέτουν το κοινό γνώρισμα των αναντιστρέπτων φαινόμενων μεταφοράς, ότι: όταν δύο ή περισσότερες διεργασίες γίνονται συγχρόνως τότε αυτές παύουν (γενικά) να δρουν ως ανεξάρτητα φαινόμενα. Το γεγονός αυτό είναι επεξηγηματικό και σε ότι αφορά τη μετάδοση της καύσης .
Οι τρόποι μετάδοσης καύσης έχουν αναλογία με εκείνους της μετάδοσης θερμότητας. Στις πυρκαγιές, το πρόβλημα της μετάδοσης θερμότητας έχει τη συνηθισμένη του μορφή με την οποία παρουσιάζεται στην πράξη (δεν αντιμετωπίζεται, δηλαδή, εφαρμογή του ενός ή του άλλου τρόπου μετάδοσης θερμότητας μονωμένα αλλά συνδυασμός δύο ή και των τριών τύπων σε μία και την αυτή περίπτωση).

Βασική Παρατήρηση

Τα πιο πάνω φαινόμενα έχουν απασχολήσει πολύ την επιστημονική σκέψη και διερευνηθεί για τις εφαρμογές.
Στην πράξη τα προβλήματα π.χ. που συνδέονται με μετάδοση θερμότητας είναι δυνατό να παρουσιάζονται με δύο εντελώς διαφορετικές επιδιώξεις: να επιζητείται α) η μεγαλύτερη δυνατή ροή θερμότητας από σύστημα σε σύστημα ή β) διακοπή (ή, τουλάχιστον, ελάττωση) ροής θερμότητας από σύστημα σε σύστημα  για να συγκρατηθεί η ενέργεια στο σύστημα (θερμική μόνωση του συστήματος). Ο καθορισμός των συνθηκών τόσο της πρώτης όσο και της δεύτερης περίπτωσης είναι αποτέλεσμα ειδικής μελέτης.
Πάρα πολλά συμπεράσματα των σχετικών επιστημονικών διατριβών είναι χρήσιμα και για την πυρασφάλεια — ενδεικτικά: είναι ενδεχόμενο με τοποθέτηση μονωτικής επένδυσης να υπάρξει αύξηση αντί μείωση των απωλειών θερμότητας.
 

Η ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΤΗΣ ΚΑΥΣΗΣ

 Μετάδοση με Αγωγή

Η μετάδοση της καύσης με τον τρόπο αυτό γίνεται από μόριο σε μόριο που είναι σε επαφή. Λεπτομερέστερα, το φαινόμενο δεν προκαλείται από μεταφορά ύλης· στηρίζεται στη ροή θερμικής ενέργειας μέσω των συστατικών του θεωρούμενου συστήματος (μορίων υλικού σώματος), η οποία προκαλείται λόγω διαφοράς θερμοκρασίας. Τελικά, η μετάδοση πυρκαγιάς με τον τρόπο αυτό ισοδυναμεί με μετάδοση θερμότητας με αγωγή και υπακούει στο νόμο της θερμικής αγωγιμότητας στερεών: το ποσό θερμότητας που σε ένα χρόνο (t) περνάει μέσα από ένα στερεό σώμα εξαρτάται όχι μόνο από τις διαστάσεις του (σχήμα κ.λπ.) και τη θερμοκρασιακή διαφορά των σημείων του, που λαμβάνονται υπόψη, αλλά και από το υλικό του. Αυτό, δικαιολογεί γιατί η διάδοση της θερμότητας με αγωγή γίνεται με διαφορετική ταχύτητα στα διάφορα σώματα.
Από πυροσβεστολογικής πλευράς, έχει αξία να υπενθυμιστεί (από τη Φυσική ) ότι τα υγρά (εκτός από τον υδράργυρο) και τα αέρια (εκτός από το υδρογόνο) έχουν πάρα πολύ θερμική αγωγιμότητα. Η θερμική αγωγιμότητα των υλικών είναι κριτήρια καθορισμού της πιθανής επέκτασης πυρκαγιάς.

Μετάδοση με Μεταφορά και Συναγωγή

Η μετάδοση της καύσης με τον τρόπο αυτό γίνεται, κατά κύριο λόγο με μεταφορά μάζας· υπάρχει όμως πιθανότητα, όπως στην περίπτωση της — με επαφή — μεταφοράς θερμότητας, η μετάδοση αυτή να οφείλεται σε συνδυασμό μεταφοράς μάζας και αγωγής θερμότητας, π.χ. όταν στερεή επιφάνεια βρίσκεται σε υψηλότερη θερμοκρασία από ένα σε επαφή με αυτή ρευστό, η θερμότητα αρχικά ρέει με αγωγή από το στερεό στη γειτονική μάζα του ρευστού, οπότε επέρχεται άνοδος της θερμοκρασίας της μάζας αυτής με συνέπεια την αύξηση της εσωτερικής ενέργειας του ρευστού στη συνέχεια,
λόγω της αύξησης της εσωτερικής ενέργειας του ρευστού παρατηρείται ανύψωση της θερμοκρασίας του, που — προφανώς — δεν είναι ομοιόμορφη σε όλη τη μάζα του ρευστού' έτσι, προκαλείται φαινόμενο μεταφοράς μάζας γιατί επικρατεί διαφορά πυκνότητας μεταξύ θέσεων διαφορετικής θερμοκρασίας στην οποία (διαφορά) και οφείλεται η κίνηση του ρευστού. Το φαινόμενο ενδιαφέρει πολύ την πυρασφάλεια, δεδομένου ότι στα θερμά ρευστά οφείλονται πολλά ατυχήματα. Σε πολυόροφες οικοδομές π.χ. με πυρκαγιά στο ισόγειο, τα θερμά αέρια, ως ελαφρότερα του περιβάλλοντος αέρα, ανέρχονται και εγκαταλείπουν μία περιοχή χαμηλής πίεσης που, συνήθως, προκαλεί ένα οριζόντιο ρεύμα προς την εστία της πυρκαγιάς. Αναλόγως των συνθηκών (αν η οικοδομή είναι κλειστή έχει όμως κατακόρυφους διόδους — όπως κλιμακοστάσια, φρέατα ανελκυστήρων κ.λπ.) τα ανερχόμενα αέρια είναι υπεύθυνα επέκτασης της πυρκαγιάς, πρόκλησης ασφυξίας ή/και δηλητηριάσεων δεν αποκλείεται, επίσης, τα αέρια αυτά, λόγω πρόσληψης θερμότητας από αγωγή κ.λπ., να αναφλέγουν «πολύ νωρίς» με οριζόντια εκτόνωση (εξάπλωση), θραύση υαλοπινάκων και έξοδο τους από παράθυρα ή θύρες που άνοιξαν είτε λόγω απλής ώθησης ή καταστροφής από τα θερμά αέρια. Στα υπόγεια οι πυρκαγιές είναι, συχνά, βραδείας καύσης (από ανεπάρκεια οξυγόνου) και με πολύ καπνό τα αέρια, όμως, έχουν μικρή πτητικότητα και γι' αυτό η μετάδοση θερμότητας με μεταφορά (κατά την κατακόρυφη ή οριζόντια έννοια) επιβραδύνεται.
Η μεταφορά επηρεάζεται από τις καιρικές συνθήκες και μάλιστα με δύο τρόπους, α) με τροποποίηση των οδών μεταφοράς και β) με τροποποίηση των θερμοκρασιών καύσης. Στη πρώτη περίπτωση τυπικό παράδειγμα αποτελεί η εκτίναξη κομματιών των σωμάτων που καίγονται  σχετικά με το θέμα αυτό μπορεί να σημειωθεί ότι στις πυρκαγιές δασών η όλη διαδικασία εξαρτάται, όπως είναι γνωστό, από την πνοή του ανέμου ή την άπνοια.
Έχει εξακριβωθεί ότι αυξομείωση του ρυθμού καύσης των σωμάτων, που γίνεται από άνεμο, αναστροφή (σχηματισμός στρωμάτων αέρα διαφορετικής θερμοκρασίας), υγρασία κ.λ.π, επηρεάζει (λόγω θερμοκρασιακών διαφοροποιήσεων) τη μεταφορά πυρκαγιάς.
Η μεταφορά μπορεί να αυξήσει την επέκταση της πυρκαγιάς είναι, επίσης, δυνατό να υποβοηθήσει -στη διάρκεια αερισμού, π.χ.- την κατάσβεση πυρκαγιάς συγκεκριμένου χώρου, γραφείων, οικιών κ.α. Οι εργασίες σε τέτοια κατάσβεση πρέπει να γίνονται με τρόπο που να εγγυώνται την απομάκρυνση της θερμότητας, να μη επιτρέπει στη θερμότητα να κατευθύνεται προς τον ανθρώπινο παράγοντα που επιδιώκει την πυρόσβεση κ.λπ. Επειδή το πιο εύκολο μέσο πυρόσβεσης είναι το νερό, υπογραμμίζεται ότι, στη προσπάθεια κατάσβεσης πυρκαγιάς, εκτοξεύεται ένα ποσό νερού που απορροφά θερμότητα και μεταβάλλεται, έτσι, σε μέσο μεταφοράς θερμότητας. Η πραγματικότητα αυτή εξηγεί την προτίμηση για άλλες μεθόδους — ενδεικτικά: για χρήση νερού με μορφή ομίχλης. Η ομίχλη αυτή είναι περισσότερο αποτελεσματική απ' ότι το νερό, αλλά είναι δυνατό να δημιουργηθούν θερμά ρεύματα μεταφοράς, αν η ομίχλη εξατμισθεί — δυνατότητα που δίνει τη διάσταση της γενόμενης πιο πριν υπογράμμισης (για την αναγκαιότητα απομάκρυνσης της θερμότητας).
Μετάδοση πυρκαγιάς με μεταφορά, μόνο, εμφανίζεται στα ρευστά (υγρά και αέρια) η μετάδοση αυτή έχει το χαρακτηριστικό γνώρισμα της διάδοσης θερμότητας με μεταφορά: μάζες ρευστού, αφού θερμανθούν σε μία θερμή περιοχή του, μετακινούνται σε ψυχρές περιοχές του, μεταφέροντας μαζί τους τη θερμική ενέργεια που πήραν από τη θερμή περιοχή. Με τον τρόπο αυτό εξαπλώνεται η καύση, λόγω μεταφοράς της θερμότητας με μετακίνηση της ύλης που την έχει προσλάβει. Κατ' αναλογία με την ορολογία που υιοθετείται στη διάδοση (μετάδοση) της θερμότητας με μεταφορά, η μετάδοση πυρκαγιάς με μεταφορά μπορεί να ονομασθεί και μετάδοση πυρκαγιάς με ρεύματα, γιατί κατά τη μετακίνηση των μαζών του ρευστού δημιουργούνται ρεύματα απ' αυτό, όπως θίξαμε ήδη.

Μετάδοση με Ακτινοβολία.

Η μετάδοση της καύσης με τον τρόπο αυτό διαφέρει από τις δύο προηγούμενες περιπτώσεις στο ότι γίνεται μετάδοση θερμικής ενέργειας χωρίς απαραίτητα να μεσολαβεί υλικό σώμα.
Η μετάδοση της θερμικής αυτής ενέργειας γίνεται με ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Η διεργασία (μηχανισμός) της μετάδοσης με ακτινοβολία ακολουθεί τα εξής (3) στάδια:
α) μετατρέπεται η θερμική ενέργεια του καιόμενου σώματος σε κίνηση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
β) τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα προωθούνται μέσω του χώρου πού μεσολαβεί από την εστία πυρκαγιάς μέχρι μία ψυχρότερη περιοχή, τα σώματα της οποίας μπορούν να προσβληθούν από πυρκαγιά και
γ) τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα «μετατρέπονται» ξανά σε ενέργεια κατά την απορρόφηση από τα ψυχρά σώματα που τα δέχονται.
Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα — σύμφωνα με τη σχετική αρχική παρατήρηση — μπορούν να διαδοθούν μέσα στα σώματα καθώς επίσης και μέσα στα κενό. Το γεγονός αυτό είναι επεξηγηματικό της δυνατότητας διάδοσης της θερμότητας από σώμα σε άλλο, χωρίς να είναι απαραίτητο να υπάρχει μεταξύ τους υλικό μέσο, (με ηλεκτρομαγνητικά κύματα,.δηλαδή, όπως στην περίπτωση κενού).
Η διάδοση της θερμότητας με ακτινοβολία προκαλεί πολλά προβλήματα. Αρκετές φορές λήψη απλών μέτρων δίνει ορθές λύσεις π.χ. απομάκρυνση ανθρώπων και αντικειμένων από ακτινοβόλες πηγές, δεδομένου ότι η ένταση της ακτινοβολίας μειώνεται αντιστρόφως ανάλογα του τετραγώνου της απόστασης.