Что представляет собой пламя? Из каких частиц оно состоит?

Спрашивает
Олег Назаренко
#горение
+1
#физика
07.10.2023
390 098
Средний вопрос

Пламя — газообразная среда, состав которой зависит от условий горения. В общем случае в пламени одновременно могут находиться в разных соотношениях:

  • продукты реакций быстрого окисления — горения;
  • непрореагировавшие газы из атмосферы, в которой происходит горение;
  • продукты пиролиза горючего и окислителя, включая воду, свободные радикалы и не до конца разложившееся топливо.

Чтобы представить, из чего состоит каждое конкретное пламя, необходимо понимать, что именно и в каких условиях горит. А еще помнить, что пламя — это и есть фронт открытого горения (то есть, не тления), в котором и происходят все основные химические реакции. Для поддержания горения необходимы три компонента: тепло, горючее, окислитель, причем если температура недостаточна в текущих условиях, то огонь будет затухать. Молекулы или атомы горючего и окислителя должны получить достаточно энергии для вступления в реакцию. Это тепло исходит либо от внешнего источника, либо от самого пламени — тогда горение будет самоподдерживающимся.

Например, в наиболее простом случае — окислении водорода кислородом в вакууме, — пламя будет состоять из водяного пара. Ракетные двигатели работают при избытке водорода (богатая смесь), чтобы защитить детали камеры сгорания и сопла от окисления. Поэтому в пламени окажется еще довольно много несгоревшего водорода.

В быту мы редко сжигаем чистый водород в атмосфере чистого кислорода, поэтому и встречающееся нам пламя будет иметь совсем другой состав. Так, газовые плиты или котлы сжигают метан (CH4) в обычном воздухе (N2, O2 и Ar). Пламя их горелок будет состоять не только из продуктов окисления метана — углекислого газа (CO2) и водяного пара (H2O), — но также из инертных азота (N2) с аргоном (Ar), угарного газа (CO) и аморфного углерода (C). Последний вместе с окисленными или непрореагировавшими примесями в метане и воздухе образует микрочастицы сажи.

Такое усложнение состава объясняется неидеальными условиями горения. Достаточное для полного окисления метана количество кислорода поступает не в весь объем пламени. Именно для того, чтобы уменьшить этот неприятный эффект, горелки плиты и котла имеют множество маленьких прорезей — так горючее контактирует с большим количеством окислителя. Проще говоря, на ту же массу сгорающего метана увеличивается площадь фронта горения (пламени).

Если мы попробуем повысить эффективность сжигания метана и начнем подавать к нему больше воздуха или даже чистого кислорода, количество углерода и угарного газа в пламени резко упадет. Может быть, они совсем исчезнут. Зато добавятся оксиды азота (NOx), потому что такое пламя будет гораздо горячее и теплота станет достаточной для активации обычно инертных молекул азота.

Оба примера выше описывали ситуацию с горением газов. Совсем другая картина складывается, когда горят жидкости или твердые тела. Первые сначала испаряются и частично разлагаются под действием тепла (это называется пиролиз). Вторые, за некоторыми исключениями, и вовсе не могут загореться без предварительного разложения.

Знакомый буквально каждому процесс горения древесины — это целый каскад реакций. Сначала биополимеры, из которых она состоит (целлюлоза, лигнин), под действием температуры распадаются на моносахариды. Они испаряются, часть из них окисляется напрямую, часть подвергается дальнейшему пиролизу. Какое-то количество органических и неорганических соединений так и не получает достаточно энергии для активации. Они остаются в своем первоначальном виде или превращаются в свободные радикалы и соединяются с не до конца окисленным углеродом либо улетучиваются. Так получаются сажа и дым.

А еще в древесине всегда есть вода, на испарение которой уходит немало тепла, которое иначе ушло бы на пиролиз и активацию горючего. Этот процесс тоже способствует уменьшению объема прореагировавшего в пламени вещества. Именно поэтому мокрая древесина так сильно дымит — больше сажи и водяного пара в пламени.

Что интересно, из-за наличия большого количества ионов, пламя обладает электропроводностью. Благодаря этому свойству работают многие датчики пламени в газовых горелках. Но называть его низкотемпературной плазмой некорректно — во фронте горения очень мало свободных электронов. Плазмой некоторые регионы пламени становится только в исключительных случаях, когда температура горения превышает несколько тысяч градусов.

Горение в целом и пламя в частности — наиболее доступные для наблюдения в быту явления, наглядно демонстрирующие широкий спектр химических, электромагнитных и квантовых эффектов. Главное тут — соблюдать технику безопасности при проведении экспериментов. Рассказывать о них можно бесконечно. Мы даже еще не затронули свечение пламени и его температуру — от чего они зависят и как формируются. Но это тема для отдельного ответа на отдельный вопрос.

Комментарии

35 Комментариев
Отличная статья.все четко изложено.спасибо
-
0
+
Пламя - низкотемпературная плазма, но ни как не газообразная среда)
    Выше ответил. Это уже не смешно даже
    +
      ещё комментарии
      -
      0
      +
      Ну ведь просто все - пламя которое проводит ток плазмой является, то есть имеет достаточную степень ионизации, пламя которое ток не проводит - не является. Считается что у свечки пламя недостаточно горячее (~1200С), а вот у газовых зажигалок температура повыше (~2000С) и вполне может содержать низкотемпературную плазму. Правда загара с нее не получишь.
-
0
+
А как же интересно водород Н2 соединяется с молекулой О2, чтобы сразу в пламени образовалась вода Н2О? Куда девается один атом кислорода? Что то тут не то … Надо теорию цепных реакций Н.Семенова (отечественного Нобелевского лауреата по химии) почитать 🙂
Vadym Andri
08.10.2023
-
0
+
Тут больше о процессе создания пламени , а не о самом .(
Николай К.
08.10.2023
-
-2
+
Только щас задумался и понял что нет никакого чуда в пламени, и если взять трубку и расколить в ней воздух(или углекислый газ и пар) до температуры пламени мы на выходе и получим то самое пламя)А паровые камины с подсветкой подтверждают обычность формы пламени, и до полной идентичности пламени им по сути не хватает высокой температуры для свечения
Andrey Radonezhsky
08.10.2023
-
2
+
Спасибо, очень интересно, познавательно и доступным языком.
Ira Iryna
08.10.2023
-
0
+
Пламя возможно только при связывании 3 х составляющих ,находящиеся в одной связке состояния..... желания гореть....
aRTUR Ko
08.10.2023
-
0
+
Пламя это плазма
    Почитайте критерии/свойства плазмы. По каждому из них пламя не плазма.
    +
      ещё комментарии
      Пламя электропроводно, в отличии от газа, значит имеются свободные носители заряда, просто степень ионизации крайне мала, но достаточна что бы омметром измерить сопротивление языка пламени от зажигалки
        От того, что куча ютуберов померила электропроводность пламени, оно плазмой не стало. Более того, в немалой части опытов с электропроводностью пламени, экспериментаторы сами на короткое время создают плазму, пропуская искру через огонь. На пути прохождения искры и возникает плазма -- электроны полностью отрываются от атомов и становятся вторым компонентом среды. Собственно, это и есть основной критерий плазмы -- в ней должны примерно на равных сосуществовать ядра и электроны в свободном виде. Свободные носители заряда могут быть и в водяном паре. И в парах натрия или хлора полно ионов, это не делает их плазмой. Тем не менее, возникновение плазмы в пламени возможно при особо высоких температурах. Когда энергии хватает для полного отрыва внешних электронов от части или всех продуктов горения. Но это надо сильно постараться и без сварочных очков на такой огонек не смотреть -- ультрафиолета будет достаточно для загара. Наконец, никто не спорит, что при особом желании в пламени можно создать плазму дополнительно бахнув его тем же током. Собственно, во фронте горения и так полно возбужденных атомов, у них проще оторвать электроны, чем у холодных и не активных.
-
1
+
Спасибо за статью. Этот вопрос волновал меня ещё со школьной парты. Когда я задавал его учителям химии и физики то они почему-то избегали ответа. Неужели об этом не было известно в 60- 70 годах прошлого века?
    Вопрос не в том, было ли это известно 50 лет назад (конечно было), а насколько полно понимают школьные учителя в принципе картину мира, которую описывает хотя бы школьный учебник. Это не камень в их огород, просто чтобы иметь возможность отвечать на подобные вопросы, надо каждый из них как следует проработать, а это время и силы. Например, в моем ответе нет ничего, что требует знаний химии и физики глубже школьного уровня. Но для его написания мне понадобилось сначала смоделировать (представить, расписать на листе, как удобнее) процесс горения, описать его одновременно с физической точки зрения и с химической. Затем взять эти два описания, скрестить их и смоделировать уже продукты сгорания. А затем еще раз все это проверить инструментами физики и химии. А потом структурированно описать так, чтобы суть сохранилась, а мысль по древу не растекалась. Ну и пошерстить по знакомым физикам и химикам, чтобы они сказали, не фигню ли я пишу. Наконец, то, что получилось в итоге не помешает сверить с кучей статей, публикаций, профессиональных и не очень дискуссий на схожие темы, которых в сети полно. Есть ли у школьных учителей на это время и силы?) Я сомневаюсь. Тем более, что начнешь одному отвечать -- станут все спрашивать самые разные странные вещи. Да, не слишком педагогично. Но у школы вообще немного другая задача, чем отвечать на все детские вопросы.
-
2
+
Спасибо за развёрнутый ответ. Правда, меня интересовало именно почему оно светится :) С физической точки зрения как работает. Не знал, как сформулировать вопрос, сам виноват.
    Пожалуйста, всегда рад стараться. Смех в том, что первый вариант ответа и включал в себя еще блок про то, почему пламя светится. Но вышло так длинно, что не формат. Смело задавайте этот вопрос (почему пламя светится), ответ, фактически, готов))) Это очень интересная тема и, на самом деле, прямая демонстрация эффектов квантовой физики.
    Михаил Ппп
    08.10.2023
    -
    3
    +
    Светится потому что продукты сгорания остывают отдавая "лишнию" энергию в виде квантов света
    +
      ещё комментарии
      Mikhail Reznitsky
      27.10.2023
      -
      0
      +
      Михаил, Ваш ответ,как мне представляется, абсоютно верный и корректный, а ответ "эксперта" - словесная диспепсия, содердащая научные и наукоподобные термины. С уважением, Ваш тёзка.
Илья Дзен
07.10.2023
-
-5
+
А ещё это тепловая энергия, которую наш глаз воспринимает как пламя. Кислород при необходимой температуре вступает в реакцию с веществом, начинает его окислять. Вещество разрушается, атомы вещества разваливаются и выбрасывают большое количество элементарных частиц, которые и есть те самые пламя и тепло. Это как с Солнцем. Оно ведь не горит в привычном нам понимании. Оно излучает огромное количество элементарных частиц, образующихся в результате слияния атомов водорода, гелия и чего-то там ещё.
    Yuri G
    07.10.2023
    -
    1
    +
    Всё верно.. Но только атомы в недрах солнца не сливаются в привычном нам смысле, а... совокупляются) Именно поэтому наш глаз чувствует тепло этих притязаний.
    Нет, совсем не так. Тепловую энергию наш глаз вообще не может воспринять, ее мы можем ощутить при касании (непосредственно нагревателя или потока воздуха от него), либо как инфракрасное излучение кожей (чувство тепла на расстоянии от нагревателя). При окислении никакие атомы не разваливаются, они просто переходят из одного соединения в другое.
    +
      ещё комментарии
      0d1n Azgard
      07.10.2023
      -
      0
      +
      Если вы поправляете, то поправляйте правильно. То что мы видим пламя - это и есть электромагнитное излучение, т.е. в данном случае при горении (окислении) излучаются фотоны.
        Все верно. Только это не тепловая энергия, а вторичное следствие ее воздействия на атомы и молекулы.
          Илья Дзен
          08.10.2023
          -
          0
          +
          Комментарий удален пользователем или модератором...
            Вообще, мне стоило начать с того, что в физике такое понятие, как тепловая энергия, используется очень осторожно. Потому что оно очень неоднозначное и в большинстве случаев есть гораздо более корректные термины (например, "теплота", "количество теплоты", "энтальпия"). И все они обозначают довольно разные явления. Поправлю же себя -- я имел в виду под тепловой энергией сумму кинетической энергии всех частиц системы. Именно то, что мы ощущаем, как тепло при контакте. Мне показалось это подходящим по контексту. Возможно неправильно. Однако, ни в одном из вариантов трактовки тепловой энергии не получится ее приравнять к электромагнитному излучению. Потому что излучение -- это следствие обмена частиц системы кинетической энергией.
              Илья Дзен
              08.10.2023
              -
              0
              +
              Из Википедии "Электромагни́тное излуче́ние (ЭМИ) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля. Может трактоваться как электромагни́тная волна́ или как пото́к фото́нов, в зависимости от характера рассматриваемой задачи..." А ещё у электромагнитного излучения есть видимый спектр. Пламя относится именно к нему. Поэтому я всё-таки не понимаю, в чём я не прав
                В том, что что свечение пламени, то есть, электромагнитное излучение от пламени, это продукт, следствие отдачи атомами энергии другим атомам. В строгом смысле тепловую энергию (полную энергию тела) можно передать только при прямом контакте. Излучение -- это уже конвертация энергии в другую форму. И пламя -- это не энергия. Это среда, в которой происходит процесс горения. Видим мы пламя, потому что оно излучает. То есть часть энергии прореагировавших друг с другом атомов конвертируется в фотоны и теряется. В тепловую обратно ее перевести можно либо уловив ИК-часть спектра, либо абсолютно черным телом.
                Илья Дзен
                16.10.2023
                -
                0
                +
                Пламя - это визуализация энергии. Вы уже сами запутались. Ещё немного и вы сами себе докажете, что я был прав изначально.
                Визуализация энергии --- это вообще вся материя тогда уж
                Илья Дзен
                17.10.2023
                -
                0
                +
                В том числе
Есть что спросить?

Вы можете получить ответ на вопрос по любой теме от экспертов нашей редакции, хорошо разбирающихся в этой теме.

Задать вопрос

Похожие вопросы

Несмотря на кажущуюся внешнюю простоту, поставленный вами вопрос совсем нетривиален. Течение песка не...Читать далее

Может проломить, не сомневайтесь. Плотность пыли — ну, примем очень примерно за 50 кг/м3 (строго говоря,...Читать далее

Это классическая задача из «Занимательной физики» Якова Перельмана — в ней как раз рассматривалось движение...Читать далее

Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно