Горение — определение, виды и условия¶
Горение — это физико-химический процесс взаимодействия вещества с окислительным агентом, сопровождающийся интенсивным тепловыделением и световым излучением. Согласно определению, принятому в науке, горение представляет собой экзотермическую окислительно-восстановительную реакцию, при которой окислителем обычно служит кислород, а продуктами сгорания являются газообразные соединения (оксиды). Процесс протекает с выделением тепла и, как правило, со свечением пламени.
¶Основные признаки горения
Для горения характерны три ключевых признака, позволяющих отличить его от других процессов:
- Экзотермичность — процесс всегда сопровождается выделением тепловой энергии.
- Самоподдерживающийся характер — при наличии достаточного количества топлива и окислителя реакция продолжается без внешнего воздействия после первоначального зажигания.
- Наличие пламени или свечения — при горении большинства веществ наблюдается видимое излучение (пламя, раскалённое тело).
¶Условия горения
Для протекания горения необходимо одновременное наличие трёх компонентов, образующих так называемый «огненный треугольник»:
- Топливо — горючее вещество (древесина, газ, бензин, уголь и др.);
- Окислитель — вещество, поддерживающее процесс окисления (чаще всего кислород воздуха, но могут использоваться хлор, фтор, азотная кислота);
- Источник зажигания — энергия, необходимая для начала реакции (искра, открытое пламя, нагрев).
При отсутствии любого из трёх компонентов горение невозможно. Именно на этом принципе основана большинство методов пожаротушения: удаление топлива, изоляция от кислорода или охлаждение до температуры ниже точки воспламенения.
¶Классификация горения
По фазовому состоянию топлива различают три основных вида гомогенного (однородного) горения:
- Газообразное — горение газов и паров жидкостей (природный газ, водород, пары бензина);
- Жидкое — горение жидких веществ, при котором сначала происходит их испарение, а затем горение паров;
- Твёрдое — горение твёрдых веществ, сопровождающееся пиролизом (термическим разложением) с выделением горючих газов.
По характеру протекания выделяют:
- Пламенное горение — сопровождается появлением пламени (горение газов, большинства жидкостей и некоторых твёрдых веществ);
- Беспламенное горение (тление) — происходит без видимого пламени, при этом вещество раскаляется и светится (горение угля, металлической пыли, некоторых полимеров).
¶Химическая природа процесса
Горение представляет собой цепную реакцию, состоящую из трёх стадий:
- Инициирование — под действием источника зажигания образуются активные центры (радикалы, ионы).
- Развитие цепной реакции — активные частицы вступают в реакцию с молекулами топлива и окислителя, порождая новые активные центры.
- Завершение — реакция прекращается при расходовании одного из компонентов или при охлаждении системы.
Примером гомогенной газофазной цепной реакции служит горение водорода:
2H₂ + O₂ → 2H₂O + теплота
При этом выделяемая теплота поддерживает температуру, необходимую для продолжения реакции.
¶Температура и скорость горения
Каждое вещество характеризуется температурой воспламенения — минимальной температурой, при которой пары или газообразные продукты пиролиза топлива способны вспыхнуть при соприкосновении с источником зажигания. Для различных веществ эта температура существенно различается: так, температура воспламенения бензина составляет около −45 °C, древесины — около 250–300 °C, метана — 540 °C.
Скорость горения зависит от концентрации окислителя, площади поверхности топлива, температуры и давления. В чистом кислороде горение протекает значительно интенсивнее, чем в воздухе, где концентрация кислорода составляет около 21 %.
¶Области изучения и применения
Вопросы горения изучаются в рамках физической химии, химической кинетики, теплофизики и пожарной науки (пирологии). Знание закономерностей горения применяется при разработке двигателей внутреннего сгорания, ракетных топлив, металлургических процессов, а также при обеспечении пожарной безопасности.
В России изучением горением и пожарной безопасности занимаются научные центры, в том числе Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны (ВНИИПО) МЧС России.
¶Интересные факты
- На Земле огонь известен человеку с палеолита; первое документированное использование огня в быту относится к периоду около 1–1,5 млн лет назад.
- В космосе, в условиях невесомости, пламя имеет сферическую форму, так как конвекция отсутствует.
- Горение является одним из немногих процессов, при котором вещество переходит из одного агрегатного состояния в другое с одновременным химическим превращением.
Источники:
- Химическая энциклопедия / Под ред. Кнунянца И. Л. — М.: Большая Российская энциклопедия.
- Пожарная безопасность: учебник / Под ред. А. Я. Королёва. — М.: ГУП Пожспас.
- ВНИИПО — Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны (официальный сайт).
- Физическая химия / Под ред. В. В. Скоробогатова. — СПб.: Лань.