Plamen
Plamen (od latinskog flamma) je vidljivi (s emisijom svjetla), plinski dio vatre. To je pojava kod koje dolazi do izrazitog oslobađanja energije (eksotermna reakcija), pogotovo uslijed izgaranja (samoodrživa redoks reakcija – redukcija i oksidacija).[1] Ako je plamen dovoljno topao da ionizira plinove, može se pojaviti i plazma. [2]
Boja i temperatura plamena ovisi o vrsti goriva koje sudjeluje u izgaranju, što možemo primijetiti ako držimo upaljeni upaljač u blizini upaljene svijeće. Ako upotrijebimo toplinu na molekule fitilja svijeće, one će isparavati. U tom stanju, one mogu reagirati sa kisikom u zraku, što daje dovoljno topline, koja će ponovo isparavati molekule fitilja svijeće i tako održavati ravnomjerni plamen. Visoka temperature plamena uzrokuje isparavanje i molekula goriva (vosak), koje se raspadaju, stvarajući različite produkte nekompletnog izgaranja i slobodne radikale (slobodni radikali su atomi, molekule i ioni, koji imaju neparan broj elektrona, pa su time izuzetno kemijski reaktivni), koji međusobno reagiraju i sa oksidansom koji je prisutan (oksidans je tvar koja prima elektrone i time oksidira druge tvari). Dovoljna energije u plamenu će pobuditi elektrone u nekim kratkotrajnim prijelaznim reakcijama, kao recimo nastanak CH i C2, koje rezultiraju u emisiji vidljive svjetlosti, jer imaju višak energije. Što je temperatura izgaranja plamena veća, to je i veća energija elektromagnetskog zračenja, kojeg isijava plamen (vidi crno tijelo).
Osim kisika kao oksidansa i drugi plinovi se mogu uključiti u stvaranju plamena, kao na primjer, vodik koji izgara u klorovodiku, stvara plamen i emitira plinoviti vodikov klorid (HCl), kao proizvod izgaranja.[3] Sljedeća kombinacija, jedna od mnogih, je reakcija hidrazina (N2H4) i dušikovog tetraoksida (N2O4), koja se obično koristi kao pogon za rakete – hipergoličko gorivo. Polimeri fluora mogu dovesti fluor kao oksidans za metalna goriva, npr. kombinacija magnezij/teflon/viton (MTV pirolant).
Kemijska kinetika koja se javlja kod plamena je veoma složena i obično uključuje velik broj kemijskih reakcija i međuprodukata, obično radikala. Na primjer, da bi se opisalo izgaranje bioplina, treba 53 vrste i 325 osnovnih reakcija. [4]
Postoje različiti načini rasporeda komponenti kod izgaranja u plamenu. Kod difuzionog plamena, kisik i gorivo se spajaju tek kad se susreću u plamenu. Plamen svijeće je difuzioni plamen, jer prvo se dešava hlapljenje goriva, pa se stvara laminarno strujanje (slojevito) vrućeg plina, koji se miješa sa kisikom i sagorijeva.
Boja plamena
Boja plamena ovisi o nekoliko čimbenika, najvažniji su tipična radijacija crnog tijela (isijavanje) i spektralni pojasevi, dok spektralne linije emisije i spektralne linije upijanja, igraju vrlo malu ulogu. Kod tipičnog izgaranja ugljikovodika, boja plamena uglavnom ovisi o dovodu kisika i dobrom mješanju kisika i goriva, koje određuje stupanj izgaranja i time koja će se temperature postići.
U laboratoriju, pod normalnom gravitacijom i sa zatvorenim ventilom kisika, Bunsenov plamenik će goriti sa žutim plamenom, na oko 1000 °C. To je zbog užarenosti jako malih čestica čađe, koje nastaju u plamenu. Sa povećanjem dovoda kisika, manje će biti prisutno isijavanje čađe, a više će doći do potpunog izgaranja i reakcija će stvoriti dovoljno energije da pobudi ionizaciju molekula plinova, što dovodi do plavičaste boje. Spektar dobro pomiješanog kisika i potpuno izgorenog butana, stvara plamen na desnoj strani slike plave boje, posebno zbog pobuđenih molekula radikala, koje emitiraju svjetlo ispod 565 nanometara, u plavom i zelenom području, vidljivog spektra svjetlosti.
Temperature plamena običnog plamenika su oko 1600 ºC, svijeće oko 1400 ºC,[5] propan plamenika oko 1995 ºC, a mnogo topliji kisik + acetilen plamenik stvara 3000 ºC. Cianogen (CN)2 stvara čak i još topliji plamen, sa temperaturom 4525 ºC, kada izgara s kisikom. [6]
Hladniji difuzioni plamen (nepotpuno izgaranje) će biti crven, malo narančast i bijel, ako temperatura raste. Što je temperature veća, to će boja biti sve više bjelija. Prijelaz se može dobro opaziti kod vatre, blizu goriva je bijela boja, iznad toga je narančasta i na kraju plamena je crvena boja, a tim redom se i temperature smanjuje. Plava boja se pojavljuje samo ako se smanji količina čađi i ako pobuđene molekule radikala prevladavaju, pa se tako plava boja može vidjeti blizu osnove svijeće, gdje je manje prisutno čađi.
Posebne boje se mogu dobiti ako se dodaju tvari koje pobuđuju plamen, a u analitičkoj kemiji ta se pojava koristi u ispitivanju plamenom, da se utvrdi prisutnost nekih metalnih iona. U pirotehnici, neke pirotehničke boje se dodaju, da stvaraju posebne efekte za vatromet.
Temperatura plamena
Temperatura plamena ovisi o mnogim stvarima, koje ga mogu mijenjati. Treba napomenuti da boja plamena ne određuje nužno i temperaturu plamena, jer emisija svjetlosti idealnog crnog tijela, nije jedina koja utječe na boju plamena, pa je zato boja plamena samo približna procjena. Čimbenici koji utječu na temperaturu plamena su:
- adijabatski plamen (adijabatski proces je proces bez prijenosa topline), što znači da temperatura plamena ovisi da li postoji prijenos topline na okolinu ili ne
- atmosferski tlak
- prisutsvo kisika, kao dio atmosferskog zraka
- gorivo koje izgara (ovi o brzini izgaranja goriva)
- prisustvo oksidacije (gubitka elektrona) kod goriva
- temperatura okolnog zraka, recimo ako je zrak hladniji i toplina će se brže odvoditi, te će plamen biti hladnijite
- stehiometrijski proces izgaranja, tako recimo i premali i preveliki dovod kisika će smanjiti temperaturu plamena
Kod požara kuća ili zgrada, plamen će obično biti crven i stvarati dosta dima. Crvena boja plamena, u odnosu na uobičajenu žutu boju plamena, nam govori da je temperatura nešto niža. To je zato što u stambenim prostorijama je nedostatak kisika i dešava se nepotpuno izgaranje, pa su temperature plamena 600 – 800 ºC. To znači da se stvara puno ugljičnog monoksida CO (koji je goriv ako je velika temperatura). Treba upozoriti na opasnost od “povratnog udara”, a to se dešava kada požar dobije dovoljno kisika, onda ugljični monoksid izgara i stvara temperature sve do 2000 ºC i to je jedan od najvećih problema za vatrogasce.
Uobičajene temperature plamena
To je jedan kratki vodič temperatura plamena, za različite tvari (kod 20 ºC zraka i tlaka od 1 bara):
| Materijal koji gori | Temperatura plamena (°C) |
|---|---|
| Vatra drvenog ugljena | 750–1 200 |
| Metan (prirodni plin) | 900–1 500 |
| Propan plamenik | 1 200–1 700 |
| Plamen svijeće | ~1 100 (glavnina), vrući dio 1300–1400 |
| Magnezij | 1 900–2 300 |
| Vodikov plamenik | Do ~2 000 |
| Acetilen(Etin) plamenik | Do ~2 300 |
| Kisik+acetilen plamenik | Do ~3 300 |
| Povratni udar kod požara | 1 700–1 950 |
| Bunsenov plamenik | 900–1 600 (ovisi o dotoku kisika) |
| Materijal koji gori | Max. temperature plamena(°C, u zraku, difuzioni plamen)[7] |
|---|---|
| Drvo | 1027 |
| Benzin | 1026 |
| Metanol | 1200 |
| Petrolej | 990 |
| Životinjska mast | 800–900 |
| Drveni ugljen (kovački ,sa više zraka) | 1390 |
Hladni plamen
Kod nižih temperatura od 120 ºC, mješavina goriva i zraka može kemijski reagirati i stvoriti veoma slabi plamen, kojeg zovemo hladni plamen. Tu pojavu je otkrio Humpry Davy 1817. Proces ovisi o pažljivoj ravnoteži temperature i koncentracije reaktivne mješavine i ako su uvjeti povoljni, ona se može zapaliti bez vanjskog utjecaja.[8][9]
Plamen u svemiru
2000. pokusi koje je provela NASA, pokazali su da gravitacija igra dodatnu ulogu u oblikovanju plamena. Normalni raspored plamena kod normalne gravitacije ovisi o prijenosu topline. Kod male ili nulte gravitacije, kao u svemiru, prirodnog odvoda topline nema, plamen postaje kuglast, dobiva više plavu boju i izgaranje je bolje. [10]
Izvori
- ↑ Law, C. K. (2006). "Laminar premixed flames". Combustion physics. Cambridge, England: Cambridge University Press. str. 300. ISBN 0521870526. http://books.google.com/?id=vWgJvKMXwQ8C&pg=RA300
- ↑ Verheest, Frank (2000). "Plasmas as the fourth state of matter". Waves in Dusty Space Plasmas. Norwell MA: Kluwer Academic. str. 1. ISBN 0792362322. http://books.google.com/?id=LBpPMbADNCgC&pg=PA1
- ↑ "Reaction of Chlorine with Hydrogen". http://genchem.chem.wisc.edu/demonstrations/Inorganic/pages/Group67/chlorine_and_hydrogen.htm
- ↑ Gregory P. Smith, David M. Golden, Michael Frenklach, Nigel W. Moriarty, Boris Eiteneer, Mikhail Goldenberg, C. Thomas Bowman, Ronald K. Hanson, Soonho Song, William C. Gardiner, Jr., Vitali V. Lissianski, and Zhiwei Qin. "GRI-Mech 3.0". http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/
- ↑ Temperatures in flames and fires
- ↑ Thomas, N.; Gaydon, A. G.; Brewer, L., A. G.; Brewer, L. (1952). "Cyanogen Flames and the Dissociation Energy of N2". The Journal of Chemical Physics 20 (3): 369–374. doi:10.1063/1.1700426
- ↑ Christopher W. Schmidt, Steve A. Symes (2008). The analysis of burned human remains. Academic Press. str. 2–4. ISBN 0123725100. http://books.google.com/?id=Q7Pb2wXV2woC&pg=PA4
- ↑ Pearlman, Howard; Chapek, Richard M. (24. travnja 2000.). "Cool Flames and Autoignition in Microgravity". NASA. http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT/RT1999/6000/6711wu.html Pristupljeno 13. svibnja 2010.
- ↑ Jones, John Clifford (rujna 2003). "Low temperature oxidation". Hydrocarbon process safety: a text for students and professionals. Tulsa, OK: PennWell. str. 32–33. ISBN 9781593700041
- ↑ Spiral flames in microgravity, National Aeronautics and Space Administration, 2000.
