Провівши цей нескладний досвід, ти переконаєшся, що без кисню полум'я гасне. Візьми свічку та зміцни її на тарілці. Попроси дорослих запалити свічку, потім накрий її скляною банкою. Через деякий час ти побачиш, що полум'я згасло, тому що кисень у банку закінчився.

Полум'я утворюється при горінні речовин, що знаходяться в різних станах - вони можуть бути і твердими, і рідкими, і навіть газоподібними. Утворюється полум'я лише за наявності пального речовини, кисню та тепла. Розглянемо процес на прикладі сірника: сірка і сам сірник, є горючою речовиною, тертя про коробки; енергія, що виникає в результаті тертя - стає теплом, і входячи в реакцію з киснем - сірник починає горіти. Дунувши на сірник, що горить, температура знижується і горіння припиняється.

Як вимірюють температуру?

Для вимірювання температури використовують різні шкали. Кожна шкала носить ім'я свого творця: Цельсія, Фаренгейта, Кельвіна та Ранкіна. У багатьох країнах користуються шкалою Цельсія (°С).
Ось деякі приклади температур:
250 ° С - температура займання деревини;
100 ° С - температура кипіння води;
37 ° С - температура людського тіла;
Про °С - температура замерзання води;
- 39 ° С - температура затвердіння ртуті;
- 273 ° С - абсолютний нуль температура, при якій атоми перестають рухатися.

Продукти горіння

Дим, попіл та сажа – це продукти горіння. Коли речовина згоряє, вона не зникає, а перетворюється на інші речовини та тепло.

Форма полум'я

Полум'я має подовжену форму, тому що гаряче повітря, легше, ніж холодне, спрямовується вгору.

Що таке пальне чи паливо

Речовини, що згоряють у присутності кисню з виділенням великої кількості тепла, називаються пальними та використовуються для виробництва різного виду енергії. Деревина та вугілля – це тверде пальне. Бензин, солярка та гас — рідке пальне, його одержують із нафти. Природний газ, що складається з метану, етану, пропану та бутану, — газоподібне паливо.

Текст роботи розміщено без зображень та формул.
Повна версія роботи доступна у вкладці "Файли роботи" у форматі PDF

Вогонь свічки, вогонь багаття,

Вогонь могутньої пожежі.

Вогні – вони всі майстри

Посланого людям дару.

Вступ

Він може народитися, зміцніти та вирости. Може ослабнути та померти. Може бути трепетним і лагідним або жорстоким та жадібним. Він накидається, пожирає, поглинає. З ним можна боротися, і він відступить переможеним. Він може врятувати або обернутися страшною трагедією.

"Вогонь!" - це як вигук надії, що заблукав, так і сувора команда, яка несе смерть ворогам.

Вогняне волосся, палаючий очей, спопелюючий погляд. Спалах гніву, вибух сміху. Грати з вогнем, спалахнути думкою, палати ентузіазмом, горіти пристрастю. «Іскра мала великий полум'я народить», «Вогонь та вода все зламають», «У вогні і залізо плавко», «Вогонь - друг і ворог людини».

Достатньо прикладів. Вони повинні нагадати, яку роль відіграє цей подарунок природи в нашому житті. Наша мова наділила його рисами живої істоти і, навпаки, зовнішність та емоції людини часто пов'язують із властивостями полум'я.

Вогонь давно є невід'ємною частиною життя людей. Чи можна уявити наше існування без вогню? Зрозуміло, що ні. З процесами горіння сучасна людина стикається щодня.

Мета роботи: вивчити процес горіння з різних точок зору.

Вивчити літературу та інтернет ресурси, пов'язані з темою горіння;

Познайомитись з історією оволодіння вогнем;

Знайти інформацію та точні інструкції щодо проведення дослідів, пов'язаних з процесами горіння.

Трохи історії

Горіння- це перша хімічна реакція, з якою познайомилася людина.

За легендою вогонь, змерзлим і нещасним людям, приніс титан Прометей, незважаючи на заборону Зевса. Але, швидше за все, первісні людиноподібні особини зіткнулися з вогнем під час пожеж, спричинених ударами блискавок та виверженням вулканів. Вони не вміли добувати його самі, але могли переносити та підтримувати його. Перші свідчення використання людьми вогню відносяться до таких археологічних стоянок стародавньої людини, як Чесування у Східній Африці, Сварткранс у Південній Африці, Чжоукоудянь та Сіхоуду в Китаї та Триніль, на острові Ява. Було знайдено багаття, попел і деревне вугілля, датовані 1,5-2 млн років тому, обгорілі знаряддя праці первісних людей і кістки ссавців.

Коли людина стала видобувати вогонь самостійно, було достеменно не відомо до 2008 року, коли група ізраїльських археологів назвала відносно точну дату 790 тис. років тому. Такий висновок вчені зробили на підставі результатів розкопок на відомій ранньопалеолітичній стоянці Гешер-Бнот-Яаков. Згідно з звітом у журналі «Quaternary Science Reviews», вони виявили сліди застосування примітивних засобів для добування вогню, що використовувалися протягом життя майже дванадцяти поколінь, що заселяли цю місцевість. Також висновки робилися з урахуванням більш детальних досліджень каменів і кам'яних знарядь, знайдених тут же раніше.

Першим способом самостійного видобутку вогню людиною було тертя. Цей спосіб зрідка використовується і в наш час, наприклад, у похідних умовах.

Поступово, у міру накопичення людством практичного досвіду та нових знань про навколишній світ, на зміну прийшов інший спосіб добування вогню, заснований на висіканні іскри. Він полягає в тому, що при різкому ударі каменем по деяких мінералах з їхньої поверхні вилітають дрібні частинки, які відразу спалахують і, потрапляючи на горючий матеріал, підпалюють його. До таких відноситься, наприклад, пірит (дисульфід заліза (II) - FeS 2). Відомі й інші мінерали з такою самою властивістю. З часом цей спосіб був удосконалений: вогонь стали отримувати, висікаючи іскри з найпоширенішого та доступного мінералу кремнію залізним кресалом. Займистими речовинами були трут або перепалена клоччя. Для отримання вогню у такий спосіб у Європі аж до середини XIX ст. Використовувався пристрій, який отримав у Росії назву «гниво».

Ще один цікавий спосіб використовувався з давніх-давен до середини ХХ століття племенами островів Суматра, Ява, Калімантан і Сулавесі: видобуток вогню шляхом різкого стиснення повітря в спеціальних пристосуваннях.

В даний час з процесами горіння людина стикається постійно. Це може бути горіння газу в газовій плиті, мікровибухи палива в дизельних двигунах автомобілів, системи опалення у приватних будинках або робота теплової електростанції тощо. У військовій справі під вогнем розуміється стрілянина з вогнепальної зброї.

Вогонь очима вченого

Що таке вогонь? З точки зору хімії - це зона перебігу екзотермічної реакції окислення, що іноді супроводжується піролізом (термічним розкладанням органічних та багатьох неорганічних сполук). З погляду фізики - випромінювання світла нагрітими речовинами із зони такої реакції.

Чому ми бачимо вогонь? Частинки пального матеріалу та продукти горіння світяться, тому що мають високу температуру (звичайне випромінювання абсолютно чорного тіла). Висока температура дозволяє атомам переміщатися на деякий час у вищі енергетичні стани, а потім, після повернення у вихідний стан, випромінювати світло певної частоти, що відповідає структурі електронних оболонок даного елемента.

У чому різниця між «вогнем» та «горінням»? Вогонь- це швидка форма горіння, за якої виділяються і світло і тепло. Горіння- складний фізико-хімічний процес перетворення вихідних речовин на продукти згоряння під час екзотермічних реакцій. Для процесу горіння потрібні:

Пальне (паливо);

Окислювач (найчастіше кисень);

Джерело запалювання (не завжди)

Окислювач та горюча речовина разом складають горючу систему. Вона може бути однорідною та неоднорідною:

Одноріднимиє системи, в яких пальне і окислювач рівномірно перемішані один з одним (суміші горючих газів, парів). Горіння таких систем називають кінетичним горінням. За певних умов таке горіння може мати характер вибуху.

Неоднорідні- системи, в яких горюча речовина та повітря не перемішані одна з одною та мають поверхні розділу (тверді горючі матеріали та нерозпилені рідини). У процесі горіння неоднорідних горючих систем кисень повітря проникає крізь продукти горіння до палива і вступає з нею в реакцію. Таке горіння називають дифузійним горінням. У ролі окислювача можуть виступати кисень, хлор, фтор, бром та інші речовини.

Вогонь основна (вільно палаюча) фаза горіння, це явище фізико-хімічне, отже, розглядати його лише з погляду хімії нерозумно. З погляду фізики вогонь- Сукупність розпечених газів, що виділилися в результаті:

довільного або мимовільного нагрівання палива (палива) до певної температури за наявності окислювача;

хімічної реакції (наприклад, вибуху);

протікання електричного струму в середовищі (електрична дуга, електрозварювання)

Фази горіння

Процес горіння ділиться на певні стадії (фази):

1. Початкова фаза (стадія зростання),

2. Вільно палаюча фаза (повністю розвинена стадія),

3. Тліюча фаза (стадія розпаду).

У першій – початковій – фазі витрата припливного кисню збільшується, потім починає зменшуватися. Виробляється деяка кількість тепла і це збільшується в процесі горіння. Полум'я може нагрітися до температури більше 5370 ° C, але температура в приміщенні на цьому етапі може бути невелика.

Під час другої - вільно - палаючої фази багате киснем повітря залучене до полум'я, оскільки конвекція несе високу температуру до верхнього шару обмеженого простору. Гарячі гази поширюються зверху вниз, змушуючи більш прохолодне повітря шукати нижчі рівні, і, зрештою, запалюють весь горючий матеріал у верхніх рівнях кімнати. На даному етапі температура верхніх шарах може перевищити 7000°C. Вогонь продовжує споживати вільний кисень, доки він не досягне точки, де недостатньо кисню, щоб реагувати з паливом. Полум'я зменшується до тліючої фази і потребує лише надходження кисню, щоб швидко спалахнути.

У третій фазі полум'я може припинитися, якщо область горіння непроникна. У цьому випадку горіння зменшується до тліючих вуглинів. Виділяється щільний дим та гази, виникає надлишковий тиск. Вугілля продовжують тліти, приміщення повністю заповниться щільним димом та газами згоряння при температурі 5370°C. Сильний жар випарує легші паливні складові , такі як водень та метан, від пального матеріалу в кімнаті. Ці паливні гази будуть спільно з похідними вогню і далі збільшать небезпеку повторного займання та створять можливість зворотної тяги.

Види горіння

Спалах- це швидке згоряння горючої суміші, яке не супроводжується утворенням стиснутих газів.

Займання- Виникнення горіння під впливом джерела запалювання.

Яскравим прикладом займання є «фокус» давньоіндійських жерців: у давній Індії, при здійсненні священних обрядів, у напівтемряві храмів раптово спалахували і розсипалися іскрами таємничі червоні вогні, що наводили на забобонний страх молящихся. Зрозуміло, могутній Будда тут був ні до чого, зате його вірні служителі, жерці, лякали та обманювали віруючих за допомогою бенгальських вогнів. Солі стронцію, що надавали полум'я червоного кольору, змішувалися з вугіллям, сіркою та хлоратом калію (бертолетової сіллю). У потрібний момент суміш підпалювалася.

2KClO 3 + S +2C = 2KCl + SO 2 + 2CO 2

Самозаймання- це явище різкого збільшення швидкості екзотермічних реакцій, що веде до виникнення горіння речовин (матеріалу, суміші) за відсутності джерела запалювання.

Теплове самозайманняречовини виникає в результаті самонагрівання під впливом прихованого чи зовнішнього джерела нагріву. Самозаймання можливе лише в тому випадку, якщо кількість тепла, що виділяється в процесі самоокислення, перевищуватиме віддачу тепла у навколишнє середовище.

Прикладом теплового самозаймання може бути самозаймання летких ефірних олій у спеку. Усім відома легенда про неопалиму купину, або Мойсеєвому кущі, має цілком наукове пояснення: вчені вважають, що це був чагарник диптам, що виділяє ефірні олії, які спалахують під дією сонячних променів. У безвітряну погоду навколо куща збільшується концентрація летких ефірних олій, що виділяються рослиною, які займаються після досягнення певної температури. Рівняння хімічної реакції самозаймання ефіру:

З 4 Н 10 О + 6О 2 = 4СО 2 + 5Н 2 О

Тепловим самозайманням також пояснюється поява кладовищних вогників. При розкладанні органічних залишків виділяється безбарвний, отруйний газ фосфін (РН3), має властивість самозайматися повітря, тобто. за наявності кисню. Якщо цей газ виходить із землі, з органічними залишками, що розкладаються в ній, відбувається самозаймання, утворюються невеликі спалахи, якими раніше церковники лякали забобонних людей. Таке явище можна спостерігати лише у теплу пору року, оскільки температура самозаймання фосфіну = 38°C. Рівняння хімічної реакції самозаймання фосфіну:

2PH 3 + 4O 2 = P 2 O 5 + 3H 2 O

Самозаймання може відбуватися і під впливом життєдіяльності мікроорганізмів у масі речовини (матеріалу, суміші).

Схильністю до мікробіологічного самозаймання мають горючі матеріали, особливо зволожені, службовці живильним середовищем для мікроорганізмів, життєдіяльність яких пов'язана з виділенням теплоти (торф, тирсу). При цьому температура самонагрівання не перевищує нормальних значень температури навколишнього середовища і може бути негативною.

Тому більшість пожеж та вибухів відбувається при зберіганні сільськогосподарських продуктів (силос, зволожене сіно) в елеваторах. Найбільш часто використовуваний спосіб уникнути самонагрівання та самозаймання сіна (і подібних матеріалів) зводиться до того, щоб при складуванні цих матеріалів не відбувалося їх зволоження.

Існує відмінність між процесами загоряння і самозаймання: для того, щоб виникло загоряння, необхідно внести в горючу систему тепловий імпульс, що має температуру, що перевищує температуру самозаймання речовини.

Температура самонагрівання- мінімальна температура середовища, вище за яку за сприятливих умов можливий розвиток екзотермічного процесу самонагрівання, пов'язаного з термічним розкладанням та окисленням певного обсягу (маси) паливної речовини.

Температура самозаймання- це найнижча температура речовини, коли відбувається різке збільшення швидкості екзотермічних реакцій, що закінчується виникненням полум'яного горіння.

Вибух - це надзвичайно швидке хімічне перетворення речовини, що супроводжується швидким виділенням теплової енергії та утворенням стислих газів, здатних виконувати механічну роботу.

Без цього типу горіння так само складно уявити сучасний світ, оскільки механічний вибух палива є основою роботи більшості автомобільних двигунів. Також вибухи невеликих масштабів використовуються у піротехнічних пристроях. Піротехніка (інш. грец. πῦρ - вогонь, жар; τεχνικός - мистецтво, майстерність) - галузь техніки, пов'язана з технологіями приготування горючих складів та спалювання їх для отримання певного ефекту. Ділиться на:

військову (сигнальні ракетниці, димові шашки)

спеціалізовану (кінознімальні спецефекти, цивільні сигнальні засоби)

розважальну (піротехнічні вироби – петарди, бенгальські вогні, хлопавки, салюти.

Продукти згоряння

У процесі горіння утворюються продукти згоряння. Вони можуть бути рідкими, твердими та газоподібними. Їх склад залежить від складу палаючої речовини та від умов її горіння. Органічні та неорганічні горючі речовини складаються, головним чином, з вуглецю, кисню, водню, сірки, фосфору та азоту. З них вуглець, водень, сірка та фосфор здатні окислюватися при температурі горіння та утворювати продукти горіння: СО, CO 2 , SO 2 , P 2 O 5 . Азот при температурі горіння не окислюється та виділяється у вільному стані, а кисень витрачається на окислення горючих елементів речовини. Всі зазначені продукти згоряння (за винятком чадного газу СО) горіти надалі не здатні.

При неповному згорянні органічних речовин в умовах низьких температур та нестачі повітря утворюються різноманітні продукти - оксид вуглецю(II), спирти, альдегіди, кислоти та інші складні хімічні сполуки. Ці продукти утворюють їдкий та отруйний дим. Крім того, продукти неповного горіння самі здатні горіти та утворювати з повітрям вибухові суміші. Такі вибухи бувають при гасінні пожеж у підвалах, сушарках та у закритих приміщеннях з великою кількістю пального матеріалу.

Колір полум'я

Здатність домішок фарбувати полум'я у різні кольори використовується у піротехніці, а й у аналітичної хімії: пірохімічний аналіз - метод виявлення деяких хімічних елементів (наприклад, в мінералах) по різному фарбуванню полум'я.

Елемент	Колір полум'я
	Смарагдово-зелений
Кобальт (Co)
Марганець (Mn)	Фіолетово-аметистовий
Залізо (Fe)	Жовто-бурий
Нікель (Ni)	Червоно-бурий
Натрій (Na)	Помаранчевий
Кальцій (Ca)	Яскраво-червоний

Газовий пальник горить блакитним полум'ям через наявність чадного газу (СО). Жовто-жовтогаряче полум'я сірника пояснюється наявністю солей натрію в деревині. Жовто-жовтогарячий колір верхівки полум'я за звичайних умов пояснюється свіченням частинок сажі, що відносяться вгору потоком гарячого повітря.

Висновок

В результаті роботи над темою виконано поставлені завдання: вивчено літературні джерела та Інтернет-ресурси про історію опанування вогнем та про процеси горіння; підібрані лабораторні досліди, пов'язані з процесами горіння та інструкції щодо їх проведення.

Мета роботи досягнута. Таке, здавалося б, звичне для сучасної людини явище як горіння є найскладнішим фізико-хімічним процесом. Це перша хімічна реакція, з якою познайомилася людина! Цей процес відіграє дуже важливу роль у нашому житті, хоча часом і становить велику небезпеку.

Цікаві факти та лабораторні досліди, представлені в роботі, можна використовувати в демонстраційних цілях в освітніх закладах для ознайомлення учнів із такою дивовижною темою, як вогонь.

Практична частина

Досвід №1. «Хімічний гніт».

Такий спосіб дистанційно запалювати запали для бомб використовували ще наприкінці 19 століття. Він заснований на здатності гліцерину спалахувати від реакції з сильним окислювачем (перманганатом калію).

Мета експерименту: переконатися, що вогонь може «народжуватися» не лише від іскри, а й просто від змішування деяких речовин, які окремо абсолютно нешкідливі.

Реактиви та обладнання: папір, кристалічний перманганат калію, безводний гліцерин, піпетка.

Хід роботи та спостереження: на зім'ятий аркуш паперу висипати невелику кількість перманганату калію, капнути 3-5 крапель гліцерину; над сумішшю з'явиться дим, і через якийсь час (5-15 секунд) суміш і зім'ятий лист загоряться.

Досвід №2. «Міні-феєрверк».

Реактиви та обладнання: потовчене в порошок деревне вугілля, кристалічний перманганат калію, залізна тирса, аркуш паперу, тигль, щипці тиглів, сухе пальне.

Хід роботи та спостереження: на аркуш паперу насипаємо три невеликі однакові купки дрібно потовчених порошків: перманганату калію, залізної тирси та вугілля. Після цього складаємо листок паперу навпіл так, щоб порошки зсипалися в одну купку. Справа в тому, що при перетиранні марганцівки із залізною тирсою, суміш може спалахнути. Отриману суміш висипаємо у тигль. Підносимо його до полум'я сухого пального та чекаємо кілька секунд. Коли суміш нагріється, вона почне іскрити, подібно до бенгальського вогню.

Досвід №3. "Негасимий магній".

Магній – одна з небагатьох речовин, які неможливо згасити водою.

Реактиви та обладнання: магній, вода, склянка, ложка із довгою ручкою, спиртовка.

Хід роботи та спостереження: невелика кількість магнію, що знаходиться в ложці, запалюємо від полум'я спиртування. Поміщаємо магній, що горить, у склянку з водою, і спостерігаємо, що він не згас, а продовжує горіти, залишившись на поверхні води.

Досвід №4 «Фараонова змія із глюконату кальцію».

Фараоновими зміями називають цілу низку реакцій, які супроводжуються утворенням пористого продукту з невеликого обсягу реагуючих речовин. Ці реакції супроводжуються бурхливим виділенням газу.

Мета експерименту: спостерігати за термічним розкладанням глюконату кальцію.

Реактиви та обладнання: таблетки глюконату кальцію, сухе пальне, пінцет.

Хід роботи та спостереження: на запалену пігулку сухого пального, за допомогою пінцету, кладемо 1-2 пігулки глюконату кальцію. Глюконат кальцію значно збільшиться в обсязі, набуде «червоподібної» форми, «виповзатиме» з полум'я. «Змія», що вийшла, дуже тендітна і розпадеться при першому ж дотику.

Досвід №5. "Содова гадюка".

Мета експерименту: поспостерігати за термічним розкладанням суміші соди та цукрової пудри.

Реактиви та обладнання: пісок, сода, цукрова пудра, спирт.

Хід роботи і спостереження: насипаємо трохи піску (4-5 столових ложок), робимо невелике заглиблення на вершині «піраміди». У це поглиблення висипаємо суміш з рівної кількості соди та цукрової пудри. Поливаємо все це спиртом, підпалюємо. Спочатку спостерігаємо утворення невеликих темних бульбашок, потім появу самої «содової гадюки». Як і в попередньому досвіді, змія фараонова поступово збільшується в розмірах.

Досвід №6. "Вибух суміші газів".

Мета експерименту: спостерігати за вибухом суміші повітря із пальним газом.

Реактиви та обладнання: цинк, соляна кислота, прилад для отримання газів, склянка з водою, засіб для миття посуду, запалена лучинка.

Хід роботи та спостереження: у склянку з водою наливаємо трохи миючого засобу, перемішуємо для утворення легкої пінки. Змішуємо цинк та соляну кислоту в приладі для отримання газів, газовідвідну трубку направляємо в склянку з водою та миючим засобом. При взаємодії цинку із соляною кислотою виділяється водень, який утворює піну у склянці. Коли набереться достатня кількість

піни, прибираємо газовідвідну трубку, підносимо палаючу лучинку до піни і спостерігаємо невеликий вибух.

Досвід №7. «Кольорове полум'я».

Реактиви та обладнання: хлорид міді, сульфат міді (II), кухонна сіль, фторид кальцію, хлорид амонію, вода, спиртування, петелька з ніхромового дроту.

Хід роботи і спостереження: хлорид амонію у співвідношенні 1:1 змішуємо з кожним з реагентів, розбавляємо водою і перемішуємо кашку, що утворилася. Потім піддаємо невелику кількість кожної з речовин петелькою з ніхромового дроту і вносимо в полум'я пальника, спостерігаємо за реакцією фарбування полум'я. У результаті вийшло: вихідне полум'я було прозорим, із синюватим відтінком; хлорид натрію (кухонна сіль) пофарбував полум'я у жовтий; сульфат міді (II) - мідний купорос - зелений; хлорид міді - у світло-синій, а фторид кальцію надав полум'ю ледь помітного червоного відтінку.

Список литературы

1. .Кендіван, О.Д.-С. Диво очима хіміка/О.Д.-С. Кендіван // Хімія. Навчально-методичний журнал для вчителів хімії та природознавства №5-6 вид. Перше вересня – Москва, 2014. – С.45-52

2. Красицький, В.А. Рукотворний вогонь: історія та сучасність / В.А. Красицький // Хімія. Навчально-методичний журнал для вчителів хімії та природознавства №1 вид. Перше вересня – Москва, 2014. – С.4-8

3. Невідомий. аналітична хімія. Напівмікроаналіз [Електронний ресурс] / Невідомий // Аналітична хімія - Режим доступу: http://analit-himiya.ucoz.com/index/0-13

4. Невідомий. Горіння [Електронний ресурс]/ Невідомий// Вільна енциклопедія Вікіпедія - Режим доступу: https://ua.wikipedia.org/wiki/Горение

5. Полтєв, М.К. Глава Х. Пожежна безпека. §1. Процеси горіння/М.К. Полтєв // Охорона праці машинобудуванні, вид. "Вища школа" - Москва, 1980.

6. Рюмін, В.В. Горіння без повітря/В.В. Рюмін // Цікава хімія, 7-е вид. Молода гвардія. – Москва, 1936. – С.58-59

7. Рюмін, В.В. Самозаймання/В.В. Рюмін// Цікава хімія, 7-е вид. Молода гвардія. - Москва, 1936. - С.59

8. Степін, Б. Д.; Алікберова, Л.Ю. Ефектні досліди/Б.Д. Степін, Л.Ю. Алікберова // Цікаві завдання та ефектні досліди з хімії вид. Дрофа – Москва, 2006. – С.

Інструкція

Багато хто помилково називають горіння вогнем, але це неправильно. Насправді вогонь – лише один із етапів горіння. Якщо говорити ще конкретніше – це фізичне явище розглядає гази та плазму разом. При цьому причини їх виділення можуть бути різними – реакція чи вибух, спалах горючих матеріалів у присутності окислювача. Однією з основних властивостей вогню є його висока здатність до самопоширення у відповідних умовах. Але в деяких випадках, наприклад під час горіння хімічних речовин, полум'я відсутнє повністю.

Щоб виник вогонь, необхідно виконання відразу трьох умов. Перша умова – наявність палива, яке горітиме. Наступна вимога полягає у наявності окислювача, завдяки якому процес горіння може існувати. Остання умова - температура має відповідати властивостям і окислювача, і палива. Якщо хоча б жодної з умов не буде дотримуватися, то горіння стає неможливим, тому вогонь також не виникне. За дотримання всіх вимог спостерігається процес горіння, що супроводжується вогнем. Слід зазначити, що вогонь забарвлюється залежно від виду палива.

Займистими речовинами вважаються ті, які в присутності окислювача здатні займатися. Залежно від властивостей розрізняють кілька видів палива. Якщо речовина неспроможна самостійно горіти у присутності окислювача, їх називають негорючими. А речовини, здатні горіти виключно у присутності джерела вогню, прийнято називати важкогорючими речовинами. І ті речовини, які можуть продовжувати самостійно горіти навіть після видалення джерела вогню, називаються горючими речовинами. Займисті речовини можуть бути практично в будь-якому агрегатному стані. Практично у всіх речовинах, що мають прекрасні горючі властивості, міститься кілька хімічних домішок. Саме ці домішки і відповідають за колір, яким буде вогонь після займання.

Так звичним помаранчевим кольором має деревина, тоді як червоний колір полум'я з'являється при згорянні кальцію або літію. А для створення жовтого необхідно використовувати як паливо паливо з високим вмістом натрію. Благородним блакитним кольором характеризується при горінні природний газ, синій – якщо у паливі є селен. Надає білий колір вогню присутність в паливі титану або алюмінію. Вогонь стає фіолетово-рожевим під впливом калію, а під впливом молібдену, сурми, міді, барію чи фосфору – зеленим.

– стійка ланцюгова реакція, що включає горіння , яке є екзотермічну реакцію, в якій окислювач, зазвичай кисень, окислює пальне, зазвичай вуглець, в результаті чого виникають продукти згоряння, такі як діоксид вуглецю, вода, тепло і світло. Типовий приклад - горіння метану:

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O

Тепло, що виникає при горінні, може використовуватися для живлення самого горіння, і якщо цього достатньо і додаткової енергії для підтримки горіння не потрібно, виникає вогонь. Щоб зупинити вогонь, можна видалити пальне (відключити пальник на плиті), окислювач (накрити вогонь спеціальним матеріалом), тепло (збризкати вогонь водою) або реакцію.

Горіння, в певному сенсі, протилежне фотосинтезу, ендотермічної реакції, в яку вступають світло, вода та діоксид вуглецю, внаслідок чого виникає вуглець.

Є спокуса припустити, що з спалюванні дерева використовуються вуглець, що у целюлозі . Однак, зважаючи на все, відбувається щось складніше. Якщо дерево піддати впливу тепла, воно піддається піролізу (на відміну від горіння, що не вимагає кисню), що перетворює її на більш горючі речовини, такі, як гази, і саме ці речовини загоряються при пожежах.

Якщо дерево горить досить довго, полум'я зникне, але тління продовжиться, зокрема дерево продовжить світитися. Тління – це неповне горіння, у результаті якого, на відміну повного горіння, виникає монооксид вуглецю.

Повсякденні об'єкти постійно випромінюють тепло, більшість якого знаходиться в інфрачервоному діапазоні. Його довжина хвилі більша, ніж у видимого світла, тому без спеціальних камер його не побачити. Вогонь досить яскравий для того, щоб видавати видиме світло, хоч і інфрачервоного випромінювання у нього вистачає.

Інший механізм виникнення кольору біля вогню - спектр випромінювання об'єкта, що спалюється. На відміну від випромінювання АЧТ спектр випромінювання має дискретні частоти. Це відбувається тому, що електрони породжують фотони на певних частотах, переходячи з високоенергетичного в низькоенергетичний стан. Ці частоти можна використовувати визначення присутніх у пробі елементів. Така ідея (яка використовує спектр поглинання) використовується визначення складу зірок. Спектр випромінювання також відповідає за колір феєрверків та кольорового вогню.

Форма полум'я Землі залежить від гравітації. Коли вогонь розігріває навколишнє повітря, відбувається конвекція: гаряче повітря, що містить, крім іншого, гарячу золу, піднімається, а холодний (кисень, що містить), опускається, підтримуючи вогонь і надаючи полум'я його форму. При низькій гравітації, наприклад, на космічній станції, цього немає. Вогонь живиться дифузією кисню, тому горить повільніше і у вигляді сфери (оскільки горіння відбувається тільки там, де вогонь стикається з повітрям, що містить кисень. Усередині сфери кисню не залишається).

Випромінювання абсолютно чорного тіла

Випромінювання АЧТ описує формула Планка, що відноситься до квантової механіки. Історично вона була одним із перших застосувань квантової механіки. Її можна вивести із квантової статистичної механіки в такий спосіб.

Ми підраховуємо розподіл частот у фотонному газі при температурі T. Те, що воно збігається з розподілом частот фотонів, що випускаються абсолютно чорним тілом тієї ж температури, випливає із закону випромінювання Кірхгофа. Ідея в тому, що АЧТ можна привести до температурної рівноваги з фотонним газом (оскільки вони мають однакову температуру). Фотонний газ поглинається ЧТ, що також випромінює фотони, так що для рівноваги необхідно, щоб для кожної частоти, на якій ЧТ випускає випромінювання, воно і поглинало б його з тією ж швидкістю, що визначається розподілом частот у газі.

У статистичній механіці ймовірність знаходження системи у мікростані s, якщо вона знаходиться в тепловій рівновазі при температурі T, пропорційна

Де E s – енергія стану s, а β = 1/k B T, або термодинамічна бета (Т – температура, k B – постійна Больцмана). Це розподіл Больцмана. Одне з пояснень цього дано в блогу Теренса Тао. Це означає, що ймовірність дорівнює

P s = (1/Z(β)) * e - β E s

Де Z(β) – нормалізуюча константа

Z(β) = ∑ s e - β E s

Для опису стану фотонного газу потрібно знати щось щодо квантової поведінки фотонів. При стандартному квантуванні електромагнітного поля поле можна розглядати як набір гармонійних квантових осциляцій , кожна з яких осцилює з різними кутовими частотами ω. Енергії власних станів гармонійного осцилятора позначаються невід'ємним цілим n ∈ ℤ ≥ 0 , яке можна інтерпретувати як кількість фотонів частоти ω. Енергії власних станів (з точністю до константи):

У свою чергу, квантова нормалізуюча константа передбачає, що на низьких частотах (щодо температури) класична відповідь приблизно вірна, але на високих середня енергія експоненційно падає, при цьому падіння виходить більшим за менших температур. Це відбувається тому, що на високих частотах та низьких температурах квантовий гармонійний осцилятор більшу частину часу проводить в основному стані, і не переходить так легко на наступний рівень, що ймовірність чогось експоненційно нижча. Фізики говорять, що більшість цього ступеня свободи (свободи осцилятора коливатися на певній частоті) «заморожується».

Щільність станів та формула Планка

Тепер, знаючи, що відбувається на певній частоті, необхідно підсумувати по всіх можливих частотах. Ця частина класична обчислень і ніяких квантових поправок робити не треба.

Ми використовуємо стандартне спрощення, що фотонний газ укладено в об'єм зі стороною довжиною L з періодичними граничними умовами (тобто, реально це буде плоский тор T = ℝ 3 / L ℤ 3). Можливі частоти класифікуються за рішеннями рівняння електромагнітних хвиль для стоячих хвиль в обсязі із зазначеними граничними умовами, які, у свою чергу, відповідають, з точністю до множника, власним значенням лапласіану. Точніше, якщо Δ υ = λ υ де υ(x) – гладка функція T → ℝ, тоді відповідне рішення рівняння електромагнітної хвилі для стоячої хвилі буде

υ(t, x) = e c √λ t υ(x)

І тому, враховуючи, що λ зазвичай негативна, і значить, √λ зазвичай уявний, відповідна частота дорівнюватиме

ω = c √(-λ)

Така частота зустрічається dim V λ разів, де V λ - λ-власне значення лапласіана.

Спрощуємо умови за допомогою об'єму з періодичними граничними умовами тому, що в цьому випадку дуже просто записати всі власні функції лапласіана. Якщо використовувати для простоти комплексні числа, то вони визначаються як

υ k (x) = e i k x

Де k = (k 1, k 2, k 3) ∈ 2 π / L * ℤ 3, хвильовий вектор. Відповідне власне значення лапласіану буде

λ k = - | k | 2 = - k 2 1 - k 2 2 - k 2 3

Відповідною частотою буде

І відповідною енергією (одного фотона цієї частоти)

E k = ℏ k = ℏ c |k|

Тут ми апроксимуємо імовірнісний розподіл за можливими частотами k, які, строго кажучи, дискретні, безперервним імовірнісним розподілом, і підраховуємо відповідну щільність станів g(ω). Ідея в тому, що g(ω) dω має відповідати кількості доступних станів із частотами в діапазоні від ω до ω + dω. Потім ми проінтегруємо щільність станів і отримаємо остаточну нормалізуючу константу.

Чому ця апроксимація розумна? Повну нормалізуючу константу можна описати так. Для кожного хвильового числа k ∈ 2 π / L * ℤ 3 існує число n k ∈ ℤ ≥0 , що описує кількість фотонів з таким хвильовим числом. Загальна кількість фотонів n = n k звичайно. Кожен фотон додає енергії ℏ ω k = ℏ c |k|, з чого випливає, що

Z(β) = ∏ k Z ω k (β) = ∏ k 1 / (1 - e -βℏc|k|)

За всіма хвильовими числами k, отже, його логарифм записується, як сума

Log Z(β) = ∑ k log 1 / (1 - e -βℏc|k|)

І цю суму ми хочемо апроксимувати інтегралом. Виявляється, що для розумних температур і великих обсягів підінтегральний вираз змінюється дуже повільно зі зміною k, тому така апроксимація буде дуже близькою. Вона перестає працювати тільки за наднизьких температур, де виникає конденсат Бозе-Ейнштейна.

Щільність станів обчислюється в такий спосіб. Хвильові вектори можна як рівномірних точок грати, що у «фазовому просторі», тобто, кількість хвильових векторів у якомусь регіоні фазового простору пропорційно його обсягу, по крайнього заходу, для регіонів, великих проти кроком решітки 2π/L. По суті, кількість хвильових векторів у регіоні фазового простору дорівнює V/8π 3 де V = L 3 наш обмежений обсяг.

Залишається обчислити обсяг регіону фазового простору всім хвильових векторів k з частотами ω k = c |k| у діапазоні від ω до ω + dω. Це сферична оболонка товщиною dω/c та радіусом ω/c, тому її об'єм

2πω 2 /c 3 dω

Тому щільність станів для фотона

G(ω) dω = V ω 2 / 2 π 2 c 3 dω

Насправді ця формула вдвічі занижена: ми забули врахувати поляризацію фотонів (або, що еквівалентно, спин фотона), яка подвоює кількість станів для хвильового числа. Правильна щільність:

G(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω

Те, що щільність станів лінійна обсягом V працює у плоскому торі. Це властивість своїх значень лапласіана за законом Вейла. Це означає, що логарифм нормалізує константи

Log Z = V / π 2 c 3 ∫ ω 2 log 1 / (1 - e - βℏω) dω

Похідна β дає середню енергію фотонного газу

< E >= - ∂/∂β log Z = V / π 2 c 3 ∫ ℏω 3 / (e βℏω - 1) dω

Але для нас важливим є підінтегральний вираз, що дає «щільність енергій»

E(ω) dω = Vℏ / π 2 c 3 * ω 3 / (e βℏω - 1) dω

Описує кількість енергії фотонного газу, що походить від фотонів з частотами діапазону від ω до ω + dω. У результаті вийшла форма формули Планка, хоча з нею потрібно трохи пограти, щоб перетворити на формулу, що відноситься до АЧТ, а не до фотонних газів (потрібно поділити на V, щоб отримати щільність в одиниці об'єму, і зробити ще дещо, щоб отримати міру випромінювання).

Формула Планка має два обмеження. У випадку, коли βℏω → 0, знаменник прагне βℏω, і ми отримуємо

E(ω) dω ≈ V / π 2 c 3 * ω 2 /β dω = V k B T ω 2 / π 2 c 3 dω

Теги: Додати теги