تحقیق مقاله احتراق

احتراق

احتراق عبارت است از اکسیداسیون سریع مواد، همراه با آزاد شدن سریع انرژی.

یکی از تعاریف اکسیداسیون عبارت است از ترکیب شیمیایی یک ماده با اکسیژن. تعریف دیگر اکسیداسیون چنین است: واکنش شیمیایی که شامل اکسیژن باشد، به طوریکه یک یا تعداد بیشتری از مواد با اکسیژن ترکیب شوند.

افروزش

برای آغاز این فرآیند به یک منبع تولید گرما، مواد سوختی و هوا نیاز است. مواد از نظر قابلیت شعله وری متفاوت اند و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی در این موضوع مؤثر است. مثلاً موادی که به شکل ورقه ای هستند، فوم ها و یا یک تکه پارچه خیلی ساده تر از بلوکهای ضخیم مواد جامد آتش می‌گیرند. طبق تعریف، آغاز فرآیند سوختن را افروزش می‌نامند. برای پایین آوردن قابلیت افروزش مواد در مقابل منابع کوچک تولید گرما می‌توان کارهایی انجام داد اما اینها لزوماً بر روی سرعت سوختن این مواد مؤثر نخواهد بود.

آتش (حریق)

ساده ترین تعریف احتراق، چیزی است که به آن آتش اطلاق می‌شود و عبارت است از ترکیب شیمیایی سریع مواد با اکسیژن که هم نور و هم گرما تولید می‌کند. شعله ور شدن (مشتعل شدن) و سوختن همراه با دود (سوختن سطحی) دو نوع احتراق هستند که ممکن است اتفاق بیفتند.

برای انجام شدن عمل احتراق باید یک اکسید کننده موجود باشد. تقریباً همه آتشها با اکسیژن موجود در اتمسفر به عنوان عامل اکسیدکننده انجام می‌گیرد، اما اکسیدکننده های دیگری نیز موجود است.

بیشتر این اکسیدکننده ها زمانی که در معرض حرارت، فشار یا هر دوی آنها قرار می‌گیرند  اکسیژن آزاد می‌کنند. علاوه بر آن اکسیدکننده های دیگری نیز وجود دارد مثل هالوژنها (فلوئور، کلر، برم و ید) که احتراق را تقویت می‌نماید، اما در اینجا فقط احتراق با اکسیژن هوا مورد بحث است.

سوختن و بیشتر انفجارها، نمونه هایی از واکنشهای شیمیایی هستند که از آنها به عنوان آتش (حریق) نام برده می‌شود و در واقع واکنشهای شیمیایی هستند که شامل اکسیداسیون سریع مواد است. با وجود این، سرعت این واکنشها ممکن است صدها یا هزاران مرتبه سریعتر از یک حریق باشد. به عبارت ساده تر، سوختن واکنش اکسیداسیونی است که به طور قابل توجهی سریعتر از حریق است، اما آهسته تر از انفجار است.

مثلث آتش

این تئوری به صورت یک مثلث ارائه گردیده است. به دلیل اینکه سه جزء (وجه) اصلی در آن وجود دارد و مثلث یک شکل بسته است که نمایانگر یک سیستم بسته می‌باشد. قسمتی از تئوری تأکید دارد که برای اینکه یک آتش موجود باشد بسته بودن سیستم الزامی‌است بدین معنی که اگر یکی از سه وجه مثلث در تماس با وجه بعدی نباشد وقوع حریق ممکن نیست. در شکل (1 1) مثلث آتش نشان داده شده است.

(نمودار و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

یک روش دیگر برای بیان تئوری مثلث آتش این است که بگوییم این سه فاکتور باید همزمان موجود باشد تا آتش وجود داشته باشد، همچنین شکل و مقدار مناسبی هم داشته باشند.

به طور خلاصه، این تئوری می‌گوید؛ اگر سوخت، اکسیدکننده و انرژی به مقدار مناسب و شکل دلخواه به طور همزمان کنار یکدیگر آورده شوند، حریق (آتش) اتفاق خواهد افتاد. در مورد سوخت باید به این نکته توجه داشت که نه تنها سوخت باید موجود باشد، بلکه باید فرم صحیح و مناسبی نیز داشته باشد. در واقع سوخت باید به صورت بخار یا گازی شکل باشد تا سوختن اتفاق بیفتند و نیز سوخت باید به مقدار کافی در دسترس باشد، که در این صورت به آن سوخت قابل اشتعال می‌گویند (سوخت باید در محدوده شعله وری قرار داشته باشد).

محدوده شعله وری

محدوده شعله وری عبارت است از درصد سوخت به صورت گاز یا بخار در هوا، که بین بالاترین و پایین ترین حد شعله وری قرار دارد. بالاترین حد شعله وری ماکزیمم درصد سوخت به صورت گاز بخار در داخل هواست که بیشتر از این درصد، احتراق صورت نمی‌گیرد (در این حالت مخلوط را غنی می‌گویند). حد پایین شعله وری عبارت است از می‌نیمم درصد سوخت به صورت گاز یا بخار در  هوا، به طوریکه پایین تر از این درصد احتراق صورت نمی‌گیرد (در این حالت مخلوط را ضعیف می‌گویند).

درجه حرارت افروزش

انرژی مورد بحث در مثلث آتش به صورت زیر تعریف می‌شود.

مقدار انرژی لازم برای افزایش درجه حرارت سوخت که به درجه حرارت افروزش (اشتعال) برسد. درجه حرارت افروزش عبارت است از می‌نمیمم درجه حرارتی که سوخت می‌تواند داشته باشد قبل از اینکه مشعل شود.

پیشگیری و محافظت در برابر حریق

برای پیشگیری از حریق قبل از هر چیزی باید به این نکته توجه داشت که علت اصلی برای بسیاری از آتش سوزی ها وجود یک منبع کوچک تولید گرماست، بنابراین دور کردن منابع شناخته شده تولید آتش، از مواد قابل احتراق کاری ضروری است. در جاهایی که نمی‌توان چنین کاری را کرد، مانند افتادن ته سیگار نیم سوخته بر روی اثاث داخل ساختمان، مواد موجود باید سریعاً دچار آتش سوزی نشوند و جنس آنها طوری باشد که حتی در صورت دچار شدن به آن، آتش به سرعت گسترش نیابد.

اگر بتوان جلوی افروزش مواد را گرفت هیچ آتش سوزی اتفاق نمی‌افتد. پس یکی از اقدامات اساسی محافظت در مقابل آتش همین مسأله (افروزش مواد) است.

در ضمن دوده و بخارات سمی‌حاصل از احتراق بااهمیت تر از خود آتش در مسأله محافظت در مقابل آتش به حساب می‌آید. آلودگی اصلی از احتراق عمدتاً ناشی از گاز منواکسیدکربن (CO) است. با وجود این بعضی از مواد پلیمری، مواد سمی‌چون سیانید هیدروژن (HCN) و اسید کلریدریک (HCL) تولید می‌نماید. همچنین در حین احتراق، کندسوزکننده ها (مواد افزودنی برای کاهش خطر آتش سوزی) با عناصر پلیمری ترکیب شده و احتمالاً تولید محصولات سعی می‌نماید. آمار تلفات آتش سوزی ها نشانگر این مطلب است که اکثر تلفات نه بر اثر سوختگی، بلکه ناشی از اثر گازهای سمی‌و ناتوان کننده حاصل از آتش سوزی بوده است. بنابراین تعیین نوع و مقدار این گازها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. وسایلی از مواد مصنوعی و پلیمری زیادی در آنها وجود دارد از این نظر بسیار بااهمیت است.

مقابله با آتش

معمولی ترین روش خاموش کردن آتش، خارج کردن وجه انرژی از مثلث آتش است. بهترین راه آن این است که گرما (انرژی) را، به وسیله خنک کردن سوخت تا زیر درجه حرارت افروزش با استفاده از آب، از نزدیکی سوخت دور کنیم. راههای دیگری نیز برای خنک کردن آتش وجود دارد. در بعضی از مواقع، آب نمی‌تواند به عنوان یک عامل خاموش کننده آتش به کار رود، مثل آتش (سیمهای الکتریکی باردار) یا آتشی که شامل موادی باشد که با آب واکنش دهد.

و برای خاموش کردن آتشهایی که شامل پلاستیکها است نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. در بعضی مواقع، گرمای جذب شده توسط پلاستیکها ممکن است باعث شود آنها به صورت مایع جاری درآیند. در این مواقع استفاده از قطره های ریز آب به صورت اسپری سریعاً مایع را سرد می‌کند و آن را به حالت جامد اولیه برمی‌گرداند، همچنین این آب باعث خاموش شدن آتش نیز می‌شود.

دومین روش خاموش کردن آتشها، براساس ضلع اکسیژن مثلث آتش است. کاربرد کف برای آتشهای مایع، یا استفاده از دی اکسیدکربن برای آتشهای مواد قابل احتراق که از رسیدن اکسیژن اتمسفر به آتش جلوگیری می‌نماید، معمول است. استفاده از آب برای محصورکردن یک مایع درحال سوختن (مایع سوختنی باید غیرقابل حل در آب و وزن مخصوص بیشتری از آب داشته باشد) نیز می‌تواند مانع رسیدن اکسیژن به آتش شود. به طور کلی یک مایع یا جامد را می‌توان به هر طریقی پوشش داد که اکسیژن به آن نرسد. مثلاً انداختن شیء درحال سوختن، در آب و غرق شدن جسم در زیر آب باعث می‌شود سوخت سریعاً سرد شود و اکسیژن نیز به آن نرسد.

سومین روش خاموش کردن آتش، برمبنای تئوری مثلث آتش، خارج نمودن سوخت است. این کار ممکن است سریع و ساده باشد مثل خارج کردن یک ماده سوختنی از یک خانه. یک مثال پیچیده از دور نمودن سوخت، انتقال دادن مایعی است که درحال سوختن است از یک تانک به تانک دیگر به وسیله لوله ارتباطی، همچنانکه سطح مایع در داخل تانک درحال سوختن کمتر می‌شود، سوخت کمتری در معرض سوختن خواهد بود تا جائیکه تمام مایع از تانک خارج و از طریق لوله ارتباطی وارد تانک دیگر می‌شود. در نتیجه این عمل آتش خاموش می‌شود چون چیزی برای سوختن باقی نمانده است.

پیرولیز

ریشه کلمه پیرولیز از دو کلمه یونانی پیرو به معنای آتش و کلمه لیز به معنای تجزیه کردن گرفته شده است. بنابراین ممکن است پیرولیز به صورت ساده زیر تعریف شود:

تجزیه و شکسته شدن مولکولها بر اثر حرارت

زمانی که یک ماده پیرولیز پیوندهای کووالانسی داخل مولکولها شکسته می‌شود و معمولاً گرمای زیادی نیز تولید می‌شود و در حقیقت عامل به وجود آورنده آتش همان شکسته شدن سوخت به مواد ساده تر است. پیرولیز کلاسیک (بهترین فرم پیرولیز) زمانی اتفاق می‌افتد که به یک ماده جامد مثل چوب و دیگر مواد سلولزی حرارت داده می‌شود. اغلب این کار در غیاب هوا صورت می‌گیرد اگرچه در حضور هوا نیز چوب پیرولیز می‌شود. در نتیجه چنین عملی محصولات پیرولیز شده موادی هستند که در واکنشهای احتراقی سهیم هستند. به عبارت دقیق تر، پیرولیز شکسته شدن پیوندهای کووالانسی ترکیبات بر اثر حرارت است. بنابرانی می‌توان چنین استنباط کرد که مایعات گازهای قابل اشتعال ترکیباتی هستند که دارای پیوند کووالانسی هستند.

نکته قابل توجه در اینجا این است که مایعات نمی‌سوزند و زمانی که ترمهایی مثل «قابل اشتعال یا قابل احتراق» همراه مایعات می‌آید فقط به این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد که بین دو گروه از مایعات با محدوده نقطه اشتعال متفاوت، فرقی قائل شده باشند. بسیاری از مردم معتقدند که مایعات قابل اشتعال می‌سوزند، ولی حقیقت این است که فقط بخار این گونه مایعات می‌سوزد. بنابراین مایع قابل اشتعال یا قابل احتراق مایعی است که بر اثر سوختن بخار تولید نماید.

مایع قابل اشتعال، مایعی است که نقطه اشتعال آن کمتر از 100 درجه فارنهایت و مایع قابل احتراق، مایعی است که نقطه اشتعال آن در حدود 100 درجه فارنهایت و یا بالاتر باشد. نقطه اشتعال به صورت زیر تعریف می‌شود:

می‌نیمم درجه حرارتی که در آن مایع، بخار کافی تولید نماید که بتواند یک مخلوط قابل افروزش در نزدیکی سطح مایع یا ظرف به وجود آورد.

مایعات در پایین تر از نقطه جوش خود با سرعت معینی تبخیر می‌شوند و سرعت تبخیر آنها در نقطه جوش به ماکزیمم مقدار خود می‌رسد. بخار تولید شده با هوا ترکیب و آماده سوختن می‌شود، اما اگر تئوری چهار وجهی آتش صحیح باشد باید یک مرحله دیگر (تشکیل رادیکالهای آزاد) نیز اتفاق بیفتد. منبع افروزش باعث شکسته شدن مولکولها و تبدیل آنها به مواد ساده تر (رادیکالهای آزاد) می‌شود و زمانی که سوخت با درصد مناسب (در محدوده شعله وری) با هوا مخلوط می‌شود باید دمای مخلوط تا دمای افروزش سوخت افزایش یابد و در این مرحله است که حریق شروع می‌شود.