Φυσική της Φωτιάς

Καύσιμο

Το καύσιμο μπορεί να βρίσκεται σε μια από τις τρεις μορφές της ύλης: στερεά, υγρή και αέρια (Εικ. 4- 4)
Όλα τα μόρια ταλαντεύονται σε φυσιολογικές θερμοκρασίες. Τα μόρια των υγρών ταλαντεύονται με ταχύτερους ρυθμούς από αυτά των στερεών και των αερίων με ταχύτερους ρυθμούς και από τα μόρια των υγρών. Οι μορφές της ύλης είναι άμεσα συνδεδεμένες με τη θερμοκρασία. Καθώς αυξάνουμε την ποσότητα της ενέργειας σε κάθε μόριο, θερμαίνοντας το υλικό, τα μόρια ταλαντεύνονται με γρηγορότερους ρυθμούς. Καθώς αυτός ο ρυθμός ταλάντωσης αυξάνεται, τα στερεά γίνονται υγρά και τα υγρά αέρια.

Εικόνα 4-4 Οι μορφές της ύλης, στις περισσότερες περιπτώσεις, εξαρτώνται από τη θερμοκρασία

Η καύση συνήθως εκδηλώνεται, όταν το καύσιμο έχει μετατραπεί σε αέριο ή ατμό, καθώς το οξειδωτικό υπάρχει σε αέρια μορφή, και απαιτείται και οι δύο ουσίες, καύσιμο και οξειδωτικό, να βρίσκονται στην ίδια μορφή, για να γίνει η καύση. Στερεά και υγρά καύσιμα μετατρέπονται σε αέρια μορφή με την παροχή ενέργειας Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί, βλέποντας προσεκτικά την καύση σε ένα κερί Η φλόγα φαίνεται να βρίσκεται σε μια μικρή απόσταση από το φυτίλι. Αυτή η διαδικασία λέγεται πυρόλυση (Ε,κ. 4-5). Η πυρόλυση ορίζεται ως η χημική μετατροπή, που συμβαίνει λόγω θερμότητας. Μερικά καύσιμα, όπως ο καθαρός άνθρακας ή τα καύσιμα μέταλλα, δεν χρειάζεται να μετατραπούν σε αέρια μορφή, για να καούν Δεν χρειάζεται να αποσυντεθούν ή να ατμοποιηθούν η ένωση τους με το οξυγόνο γίνεται άμεσα. Όταν ένα καύσιμο φτάσει στη θερμοκρασία, όπου συνεχίζει να καίγεται χωρίς εξωτερική παροχή θερμότητας κα, γίνεται αυτόνομη, η θερμοκρασία αυτή καλείται θερμοκρασία ανάφλεξης.
 

Εικόνα 4-5 Πυρόλυση είναι η έκλυση ελεύθερων ριζών εξαιτίας της προσφοράς θερμότητας

Όταν θερμαίνεται μια ουσία, τα μόρια της διασπώνται σε μικρότερες αλυσίδες Τα μακριά μόρια διασπώνται σε κοντά και τα κοντά σε ελεύθερες ρίζες. Οι ελεύθερες ρίζες είναι παραπροϊοντα του καυσίμου, που ενώνονται αμέσως με το οξειδωτικό με τελικό αποτέλεσμα την καύση τους.
Ως παράδειγμα, θα δούμε τη διαδικασία σε ένα κομμάτι ξύλου. Το ξύλο αποτελείται από μακριές αλυσίδες μορίων, που περιέχουν υδρογόνο και άνθρακα. Καθώς το ξύλο θερμαίνεται, τα μόρια διασπώνται σε μικρότερα μόρια. Το τελικό αποτέλεσμα είναι κοντύτερα μόρια υδρογονάνθρακα και μεθάνιο, το οποίο είναι ένα εύφλεκτο αέριο. Μερικές άλλες κοντές αλυσίδες μορίων υδρογονάνθρακα, που αποτελούν το αποτέλεσμα της διαδικασίας, θα καούν, όπως το αιθάνιο και το προπάνιο. Όταν αυτά τα μόρια διασπαστούν σε ελεύθερες ρίζες από τη θερμότητα, ενώνονται με το οξειδωτικό και καίγονται. Για να γίνει μια καύση χρειάζεται αρκετή ποσότητα οξειδωτικού, συνήθως οξυγόνου, και μια πηγή ανάφλεξης, που παρέχει την απαραίτητη θερμοκρασία. Σε περίπτωση που λείπει ένα από αυτά τα στοιχεία, η πυρόλυση μπορεί να δημιουργήσει εύφλεκτα αέρια, τα οποία αναμένουν το στοιχείο, που λείπει, για να γίνει η καύση.

Στέρεα Καύσιμα

Διάφοροι παράγοντες επηρεάζουν το ρυθμό πυρόλυσης των στερεών: το μέγεθος, η διευθέτηση, η συνέχεια και η περιεκτικότητα υγρασίας.
Το μέγεθος επηρεάζει την καύση καθώς τα μικρά και λεπτοκομμένα καύσιμα, όπως η σκόνη και τα πριονίδια, χρειάζονται μικρότερα ποσά θερμότητας, για να υποστούν πυρόλυση. Αυτό οφείλεται στη μεγαλύτερη επιφάνεια, που έχουν, σε σχέση με τη μάζα τους . Όταν ανάβετε μια φωτιά, το χαρτί και τα μικρά κλαδιά ανάβουν πιο εύκολα από τα κομμάτια κορμών.

Η διευθέτηση βασίζεται στο χώρο μεταξύ των καυσίμων, ανεξαρτήτως του όγκου. Ένα σπίτι στο στάδιο κατασκευής του σκελετού  θα αναφλέγει' ευκολότερα και θα καεί γρηγορότερα από τις στοίβες των κατεργασμένων ξύλων , αν και είναι το ίδιο είδος ξύλου . Η βενζίνη όταν καίγεται σε ένα δοχείο, καίγεται γρήγορα στην επιφάνεια, ενώ όταν ψεκάζεται σαν σπρέι , εκρήγνυται.

Συνέχεια ονομάζουμε την ομαδοποίηση καυσίμων υλών σε μια περιοχή. Αυτή μπορεί να είναι προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, οριζόντια ή κάθετα. Ένα παράδειγμα κάθετης συνέχειας είναι τα ξερά χόρτα και οι θάμνοι, που διαδίδουν τη φωτιά στα δέντρα. Ένα παράδειγμα οριζόντιας συνέχειας είναι αυτή των ξερών χόρτων μιας έκτασης, που διακόπτονται από ένα δρόμο ή μια ζώνη πυρασφάλειας

Η περιεκτικότητα σε υγρασία είναι η ποσότητα της υγρασίας, που βρίσκεται μέσα στο καύσιμο και επηρεάζει την ευκολία ανάφλεξης. Σε μια υγρή ή βροχερή μέρα οι φωτιές στα δάση δεν είναι πρόβλημα. Σε ένα τέτοιο μέρος τα καύσιμα απορροφούν την υγρασία από τον αέρα. Για να γίνει πυρόλυση και να αρχίσει η καύση, η υγρασία πρέπει να μετατραπεί σε ατμό και να απομακρυνθεί. Αυτή όμως η διαδικασία απορροφά μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Εάν μια μεγάλη φωτιά έχει αρκετή ενέργεια, ώστε να απομακρύνει την υγρασία, τότε η καύση θα γίνει κανονικά.

Διάδοση της Φλόγας

Για να δοκιμαστούν στη διάδοση της φλόγας τα υλικά των εσωτερικών επενδύσεων των σπιτιών, ένα δείγμα τοποθετείται στο ταβάνι μιας ειδικής σήραγγας που λέγεται σήραγγα Στέινερ. Το δείγμα έχει μέγεθος 7,5m x 50cm και μια φλόγα, με βοήθεια ανεμιστήρα, ανάβει σε απόσταση 1,3 m περίπου. Η διάδοση της φλόγας μετριέται στο άλλο άκρο του δείγματος. Τα πρότυπα, που χρησιμοποιούνται, είναι το τσιμέντο με δείκτη Ο και η κόκκινη βελανιδιά με δείκτη 100. Τα τρία στοιχεία που μετράμε είναι ο ρυθμός διάδοσης της φλόγας, η θερμοκρασία που αναπτύσσεται και η πυκνότητα του καπνού, που παράγεται. Περαιτέρω εξετάσεις και αναλύσεις μπορούν να γίνουν για την περιεκτικότητα του καπνού.

Πολλές φωτιές εξαπλώνονται γρήγορα στις εσωτερικές επενδύσεις των σπιτιών με αποτέλεσμα την απώλεια ζωών και ιδιοκτησίας. Αν και δεν είναι ο μόνος παράγοντας η διάδοση της φωτιάς, παίζει μεγάλο ρόλο. Ο καπνός είναι σημαντικός παράγοντας για την ασφάλεια των ανθρώπων, καθώς μπορεί να είναι τοξικός και vα εμποδίζει την όραση.

• ΣΗΜΕΙΩΣΗ
Τα περισσότερα εύφλεκτα υγρά, όπως η βενζίνη, έχουν ειδικό βάρος μικρότερο του 1,0 οπότε επιπλέουν στο νερό.

Υγρά Καύσιμα.

Τα μόρια των υγρών καυσίμων κινούνται ελεύθερα και ρέουν, όπως το νερό, αλλά δε διαχωρίζονται. Τα υγρά καταλαμβάνουν το σχήμα του δοχείου, στο οποίο βρίσκονται. Τα χαρακτηριστικά των υγρών καυσίμων κάνουν δύσκολη την κατάσβεση τους και αυξάνουν την επικινδυνότητα για τον άνθρωπο και την περιουσία του.
Όταν ένα υγρό καύσιμο χυθεί στο έδαφος, η επιφάνεια του μεγαλώνει. Επίσης ρέει προς τα κάτω, οπότε μετακινείται σε άλλα επίπεδα. Κάποια άλλα χαρακτηριστικά των υγρών καυσίμων είναι σημαντικά για τους πυροσβέστες.
• Ειδικό βάρος. Είναι το βάρος ενός υγρού συγκρινόμενο με το βάρος νερού με τον ίδιο όγκο. Το νερό έχει την τιμή 1,0. Αδιάλυτα υγρά με ειδικό βάρος μικρότερο του 1,0 επιπλέουν στο νερό. Αδιάλυτα υγρά με ειδικό βάρος μεγαλύτερο του 1,0 βυθίζονται στο νερό . Τα περισσότερα εύφλεκτα υγρά, όπως η βενζίνη, έχουν ειδικό βάρος μικρότερο του 1,0 οπότε επιπλέουν στο νερό.
• Πτητικότητα. Η πτητικότητα είναι η ευκολία, που έχουν τα υγρά να απελευθερώνουν ατμούς σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αυτό το χαρακτηριστικό έχει άμεση σχέση με το πόσο εύφλεκτο είναι το υγρό, την ευκολία κατάσβεσης του, και τις προφυλάξεις, που πρέπει να ληφθούν.
• Πίεση ατμών. Όλα τα υγρά έχουν μια πίεση ατμών, που είναι η πίεση που ασκείται στα τοιχώματα του δοχείου, από τα μόρια του ατμού, όταν βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας. Η πίεση αυτή δημιουργείται από τα μόρια του υγρού, που εγκαταλείπουν την επιφάνεια μέσω εξάτμισης. Όταν ο αριθμός των μορίων, που εγκαταλείπουν την επιφάνεια είναι ίδιος με τον αριθμό που επιστρέφουν, το υγρό βρίσκεται σε ισορροπία. Η πίεση των ατμών είναι ανάλογη της θερμοκρασίας (ενέργεια). Όταν αυξάνει η θερμοκρασία, τα μόρια έχουν περισσότερη ενέργεια να νικήσουν την ατμοσφαιρική πίεση και η πίεση των ατμών του υγρού αυξάνει.
• Σημείο βρασμού. Όταν η πίεση των ατμών είναι ίση με την ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια του υγρού, τότε το σημείο βρασμού έχει επιτευχθεί. Σε αυτό το σημείο τα μόρια του υγρού έχουν αρκετή ενέργεια να αφήσουν ενεργά την επιφάνεια του υγρού. Τα υγρά στο σημείο βρασμού απελευθερώνουν με πιο γρήγορους ρυθμούς ατμούς από την εξάτμιση. Αυτό μπορεί εύκολα να παρατηρηθεί σε ένα σκεύος γεμάτο νερό στην κουζίνα. Καθώς προστίθεται ενέργεια, με τη μορφή θερμότητας, το νερό αρχίζει να βράζει και φεύγει από το σκεύος σαν ατμός. Αν το σκεύος έχει καπάκι, σύντομα ο ατμός θα δημιουργήσει αρκετή πίεση, με αποτέλεσμα να σηκώσει το καπάκι. Αν το σκεύος με το νερό τοποθετηθεί στον πάγκο, το νερό θα εξατμισθεί, αλλά με πολύ αργότερο ρυθμό.

 

Εικόνα 4-11 Πίεση ατμών. Το δοχείο αριστερά έχει μικρότερη πίεση από το δοχείο στα δεξιά.

Πυκνότητα του ατμού: Η σχετική πυκνότητα του ατμού συγκρινόμενη με την πυκνότητα του αέρα είναι η πυκνότητα του ατμού. Ο αέρας έχει την τιμή 1,0. Ένας ατμός με μεγαλύτερη πυκνότητα από 1,0 θα πέσει κοντά στο έδαφος, ενώ ένας ατμός χαμηλής πυκνότητας θα ανέβει και θα χαθεί στην ατμόσφαιρα . Οι ατμοί της βενζίνης με μεγάλη πυκνότητα πέφτουν χαμηλά και απλώνονται, όπως ένα υγρό. Οι ατμοί υγροποιημένων υγραερίων δρουν με παρόμοιο τρόπο. Οι ατμοί του φυσικού αερίου θα ανέβουν ψηλά και θα διαλυθούν με τον ελάχιστο αέρα. Εξαιρέσεις παρατηρούνται, όταν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος είναι πολύ υψηλή ή πολύ χαμηλή. Αν κάνει κρύο, ένας ατμός, που είναι ελαφρύτερος του αέρα σε κανονική θερμοκρασία, ίσως συμπεριφερθεί σαν βαρύτερος του αέρα. Σε μια ζεστή μέρα, ιδίως όταν το υγρό χυθεί σε πυρωμένη άσφαλτο του οδοστρώματος, οι βαρύτεροι του αέρα ατμοί μπορεί να θερμανθούν και να ανέλθουν. Η σχετική υγρασία μπορεί να επιδράσει στη συμπεριφορά των ατμών. Αυτό συμβαίνει, επειδή ο υγρός αέρας περιέχει περισσότερη υγρασία από τον ξηρό αέρα, και έτσι αυτός είναι βαρύτερος.

• ΣΗΜΕΙΩΣΗ
Ένας ατμός με μεγαλύτερη πυκνότητα από τον αέρα θα τρέξει κάτω, θα απλωθεί στο δάπεδο και θα συγκεντρωθεί στα πιο χαμηλά σημεία.

• Σημείο ανάφλεξης: Το σημείο ανάφλεξης είναι η ελάχιστη θερμοκρασία ενός εύφλεκτου υγρού και δίνει ατμούς ικανούς να σχηματίσουν με τον αέρα εκρηκτικό μείγμα. Επάνω από την επιφάνεια του υγρού, από εξάτμιση του ή βρασμό του υπάρχουν οι ατμοί του. Αν μια πηγή ανάφλεξης, πυροδότησης, πλησιάσει αυτούς τους ατμούς και γίνει ανάφλεξη, το υγρό ευρίσκεται στο σημείο ανάφλεξης του. Όταν τα υγρά έχουν σημείο ανάφλεξης κάτω από 100°F (38°C), λέγονται εύφλεκτα υγρά. Όταν το σημείο ανάφλεξης είναι άνω αυτού του σημείου, λέγονται καύσιμα υγρά.
• Διαλυτότητα. Είναι η ικανότητα μιας ουσίας να αναμειγνύεται με το νερό. Τα περισσότερα εύφλεκτα υγρά δεν αναμειγνύονται με το νερό, πράγμα που δυσκολεύει την κατάσβεση τους. Επειδή δεν μπορούν να διαλυθούν, επιπλέουν στην επιφάνεια του νερού και συνεχίζουν να καίγονται. Τα υγρά, που αναμειγνύονται με το νερό, μπορούν να διαλυθούν και να αραιώσουν σε σημείο, που να μην καίγονται πλέον. Ένα παράδειγμα διαλυτού καυσίμου είναι η αλκοόλη.

Καύσιμα αέρια /ατμοί.

Το αέριο είναι μια κατάσταση της ύλης, που καθορίζεται σαν ρευστό που δεν έχει ούτε σχήμα ούτε όγκο, αλλά τείνει να επεκταθεί παντού. Τα αέρια πάντα γεμίζουν το δοχείο, στο οποίο φυλάσσονται. Τα σώματα, που στη φυσική τους κατάσταση είναι αέρια, όταν τα κρατάμε ως υγρά, ευρίσκονται άνω του σημείου βρασμού στη συνήθη θερμοκρασία, ενώ μετατρέπονται σε αέρια, όταν τα ελευθερώσουμε. Για παράδειγμα το βουτάνιο και το προπάνιο (το υγραέριο), όταν ελευθερώνεται από τη φιάλη, μετατρέπεται σε αέρια κατάσταση.
• Ανώτερο όριο ανάφλεξης. Είναι η μεγαλύτερη συγκέντρωση (το πιο πλούσιο σε καύσιμο μείγμα) ενός ατμού ή αερίου, άνω της οποίας δεν είναι δυνατόν να αναφλέγουν οι ατμοί και λέγεται ανώτερο όριο ανάφλεξης. Ένας ατμός, που βρίσκεται σε μεγαλύτερη συγκέντρωση από το ανώτερο όριο ανάφλεξης, λέμε ότι είναι "πολύ πλούσιος", πολύ πυκνός για να αναφλεγεί.
• Κατώτερο όριο ανάφλεξης. Η ελάχιστη συγκέντρωση ενός αερίου ή ατμού στον αέρα, κάτω από την οποία δεν μπορεί να αναφλεγεί, είναι το κατώτερο όριο ανάφλεξης. Ένας ατμός κάτω από το κατώτερο όριο ανάφλεξης λέμε ότι είναι "πολύ αραιός", για να αναφλεγεί· το μείγμα είναι φτωχό.
• Περιοχή ανάφλεξης. Η αναλογία αερίου ή ατμού στον αέρα μεταξύ του ανώτερου και κατώτερου ορίου ανάφλεξης είναι η περιοχή ανάφλεξης . Η αναλογία του ατμού στον αέρα μετράτε επί τοις εκατό (%). Στην επιφάνεια του υγρού καυσίμου οι ατμοί του θα είναι σε περιεκτικότητα (συγκέντρωση) 100%. Όσο απομακρυνόμαστε από την επιφάνεια, η συγκέντρωση ελαττώνεται, μέχρι να φθάσει το 0%.

Κατάταξη των Αερίων

Τα αέρια μπορούν να καταταγούν σε κατηγορίες ως εύφλεκτα και μη εύφλεκτα. Υπάρχουν αέρια, που δεν είναι εύφλεκτα, αλλά υποβοηθούν μια καύση. Το καλύτερο παράδειγμα είναι το οξυγόνο. Το οξυγόνο το ίδιο δεν καίγεται, αλλά όταν η συγκέντρωση του αυξηθεί, οι περισσότερες φωτιές θα ανάψουν πιο γρήγορα.

• ΚΑΝΟΝΑΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ
 Όταν οι ατμοί θερμανθούν, δεν φαίνονται, όμως μπορεί να διαχέονται στο χώρο.
Λίγα λόγια για την προσοχή, που χρειάζονται τα καύσιμα αέρια: Όταν ένα αέριο σε συμπίεση, όπως το βουτάνιο, εκτονώνεται (ελευθερώνεται), το σύννεφο των ατμών που βλέπετε δείχνει ότι το αέριο είναι πιο ψυχρό από τον αέρα και συμπυκνώνει, υγροποιεί την υγρασία τον αέρα. Φαίνεται σαν ομίχλη. Αυτό δεν είναι σύννεφο του αερίου. Όταν οι ατμοί θερμανθούν, το νέφος εξαφανίζεται, δε φαίνεται, αλλά διαχέεται στην ατμόσφαιρα, στο χώρο. Είναι δυνατόν να μείνουμε μέσα σε νέφος ατμών σε συγκέντρωση μεταξύ των δύο ορίων ανάφλεξης. Αν το μείγμα των καυσίμων με τον αέρα αναφλέγει', το άτομο που βρίσκεται μέσα στο μείγμα θα υποστεί σοβαρά εγκαύματα, αν μείνει ζωντανό. Αν ένα όχημα με μηχανή Diesel περάσει επάνω από σύννεφο εύφλεκτων ατμών θα είναι σαν να πατήθηκε ο επιταχυντής (γκάζι) μέχρι κάτω. Αφήνοντας το πεντάλ του επιταχυντή, δεν παρατηρείται κανένα αποτέλεσμα. Ο οδηγός δεν μπορεί να ελαττώσει τις στροφές της μηχανής, επειδή δεν ελαττώνει τη ροή του αέρα αλλά του καυσίμου. Η μηχανή μπορεί να λειτουργεί γρήγορα, μέχρι να καταστραφεί. Μπορεί ακόμη το έναυσμα να γίνει στο στροβιλοσυμπιεστή από έναυσμα του μείγματος από την θερμοκρασία του συμπιεστή ή από κομμάτια πυρωμένου άνθρακα από την εξάτμιση της μηχανής.