Общие сведения о горении твёрдых материалов

Введение

Открытый огонь для человека всю его историю являлся как спасителем, помощником, так и источником ужасных бедствий и смертей. Открытое пламя являлось источником многих пожаров, сгорали не только здания, собственность, домашний скот, но и люди. В результате пожаров исчезали целые города. Многие города сгорали дотла по неосторожности, а некоторые поджигались намеренно. Москва и большое количество современных европейских столицы сгорали и застраивались заново. Многие пожары стали сюжетами картин знаменитых мастеров. Опасность огня как процесса горения настолько велика, что было бы опрометчиво ее недооценивать. Огромное количество лесов на сегодняшний день уничтожается лесными пожарами, особенно ярко это проявилось в последнее десятилетие, когда каждый год бушуют пожары на территории Сибири. Вместе с флорой уничтожается и фауна – огромное количество животных гибнет в результате пожара.Однако огонь не только является нашим врагом, но и нашим другом. Начало современной цивилизации было положено по причине того, что люди научились использовать и добывать огонь, а в дальнейшем – ставить его свойства на пользу людям.Понимая суть этого опасного явления, человечество может уберечь себя в дальнейшем от многих стихийных бедствий, связанных с ним, или от трагичных ошибок, связанных с его использованием. Люди однажды уже поставили себе на службу огонь и в итоге получили двигатель внутреннего сгорания, электростанции, самолетные, ракетные двигатели. Понимая и более глубоко изучая суть процессов горения, человечество станет способно шагнуть выше – на новую ступень.1. Общие сведения о горении твёрдых материаловОгонь является тем, с чего началась вся человеческая цивилизация. Естественно, что непосредственно процесс горения – это то, с чем люди познакомились на заре своей цивилизации. Изначально человечество не умело добывать огонь, оно получало его после лесных пожаров в засушливые времена либо после грозы – молнии попадали по отдельно стоящим высоким деревьям, тем самым активировали процесс горения.Непосредственно сам процесс горения представляет собой химическую реакцию окисления, в результате которой выделяется довольно большое количества тепла и свечения.В эпоху современности горение применяется во время использовании двигателей внутреннего сгорания, в угольных электростанциях, промышленных печах, а также в естественной среде – в кострах на природе, что могут привести к такому природному бедствию, как лесные пожары – также являющие собой непосредственно процесс горения.В данном процессе, как правило, участвуют кислород, находящийся в воздухе, а также горючие вещества. Между последними начинается реакция соединения, в результате которой выделяется в первую очередь тепло, а продукты непосредственно реакции в итоге нагреваются до образования свечения. В результате реакции вещества, вступившие в данную реакцию, разлагаются.Тем не менее, кислород может быть совершенно необязателен, ряд веществ способны гореть в хлоре, углекислом газе или же тех же парах серы. Хлористый азот может взрываться при сжатии, как и некоторые другие химические вещества.Можно прийти к выводу, что процесс горения представляет собой результат реакции соединения, которая сопровождается разложением вступивших в реакцию веществ.Существует определенный ряд условий, способствующих горению:Источник воспламененияУсловия, способствующие горениюГорючее веществоОкислительГорючая средаИсточник воспламененияУсловия, способствующие горениюГорючее веществоОкислительГорючая средаРис 1.1Собственно, окислителем чаще всего является кислород. Воздух и непосредственно само горючее вещество представляют собой способную воспламениться и гореть систему. За процесс воспламенения в свою очередь отвечают температурные условия, которые чаще всего и являются источником воспламенения.Существует два основных горючих элемента в природе: углерод и водород.Горючие вещества бывают следующих видов:Таблица 1.1Виды горючих веществ№Виды горючих веществПримеры1.ТвердыеТорфДревесинаТканьХлопокИскопаемый уголь2.ЖидкиеСпиртКраскиЛаки3.ГазообразныеВодородКислородПропанАцетиленЭтиленФактически, горение происходит во всех трех агрегатных состояниях вещества. Рассмотрим горение твердых материалов.Чтобы твердый материал загорелся, необходимо, чтобы он как минимум обладал свойством горючести. В результате горения твердых горючих веществ образуются газы и пары.Ряд твердых веществ в процессе нагревания испаряется – сера и фосфор. Каменный уголь, древесина или торф в процессе сгорания, в отличие от серы и фосфора, не испаряются, а образуют твердый осадок черного света – уголь, а также пар и газ.Твердые, газообразные, а также жидкие вещества, которые образуются в результате процесса сгорания, называются продуктами сгорания.В наши дни некоторые ученые выделяют помимо горючих твердых веществ еще и горючие пыли. Фактически, они тоже относятся к классу твердых горючих веществ.Горючие пыли представляют собой непосредственно твердые вещества, небольшие частицы менее 0,85 миллиметра, находящиеся в мелкодисперсном состоянии. Некоторые источники эту пыль называют аэрогелем. Аэрогель легко воспламеняется и крайне пожароопасен.Воспламенению твердых материалов предшествует определенный процесс – возгонка. Непосредственно из структуры твердого тела происходит процесс выделения определенных легколетучих газовых фракций.Негорючими являются материалы, которые неспособны к горению в воздушной среде.2. Физико-химические основы горенияДля процесса горения необходимы воспламенитель и горючая среда или горючая смесь, которая состоит из окислителя и горючего вещества. Окислителем может являться не только кислород, а также некоторые другие вещества - такие газы как, например, хлор. Помимо газов это могут быть те же окислы азота, бром или йод.В зависимости от свойств непосредственно горючей смеси либо по скорости распространения пламени, горение подразделяют на следующие виды:Таблица 2.1Виды горения№Виды дифференциацииВиды горенияКраткая характеристика1.По свойствам горючей смесиГомогенноеАгрегатное состояние исходных веществ одинаковое.ГетерогенноеИсходные вещества имеют разное агрегатное состояние(твердое и жидкое).2.По скорости распространения пламениДефлаграционноеСкорость распространения пламени составляет порядка 10 метров в секундуВзрывноеСкорость распространения пламени составляет порядка 100 метров в секундуДетонационноеПротекает дозвуковыми вспышкамиГорение – это достаточно быстро протекающая химическая реакция, сопровождающаяся появлением свечения, газа, тепла, часто газовой взвеси в виде дыма, а также тления. В обычных условия процесс представляет собой реакцию окисления или же соединения непосредственно горючего вещества с находящимся в воздухе кислородом. Однако в ряде случаев, процесс горения может представлять собой результат реакции разложения.При участии в реакции кислорода воздуха процесс горения происходит в результате воспламенения источником зажигания горючей среды. Такое горение весьма опасно.Основные виды источников воспламенения:Основные виды источников воспламененияОткрытый огоньОсновные виды источников воспламененияОткрытый огоньТеплота в результате процесса тренияТеплота в результате процесса тренияТеплота адиабатического сжатияТеплота адиабатического сжатияХимические реакции, протекающие с выделением теплаХимические реакции, протекающие с выделением теплаТехнологические нагревательные устройстваИскра и искровые электрические разрядыТехнологические нагревательные устройстваИскра и искровые электрические разрядыРис 2.1Температура нагрева каждого источника воспламенения может быть различна - начиная от несколько сотен градусов Цельсия.Горение может быть как полным, так и не полным. В первом случае продуктами распада являются в основном диоксид углерода, вода в виде пара, сернистый ангидрид, а также азот. Во втором случае – оксид углерода, кетоны, спирты, альдегиды и некоторые другие горючие и ядовитее вещества. Полное горение – это процесс, проникающий при избытке кислорода, неполное – при его нехватке.Таким образом, условием полного сгорания какого-либо вещества является определенное количество кислорода. Так для сгорания одного килограмма древесины или 4,18 килограмма торфа, или 5,18 килограмма пропана необходимо 23,8 кубических метра кислорода.Фронт пламени представляет собой небольшую зону, в которой протекает процесс химической реакции.Горючие системы могут быть следующих видов:Таблица 2.2Виды горючих систем№Виды горючих системКраткая характеристика1.Химически однородныеСмеси, в которых равномерно перемешаны воздух и горючее вещество.2.Химически неоднородныеСмеси, в которых неравномерно перемешаны воздух и горючее вещество.Полное время сгорания горючей смеси можно вычислить по следующей формуле:Tr = Tk + Tx , (2.1)где Tr – время полного сгорания;Tk – время, необходимое непосредственно для возникновения контакта между кислородом и горючим веществом;Tx – время длительности химической реакции окисления.Выделяют также калориметрическую температуру горения, которая представляет собой температуру, до которой в итоге нагреваются продукты полного сгорания, и вычисляется по следующей формуле: tk = QH / ( V x c), (2.2)гдеtk – калориметрическая температура горения;QH – низшая теплота сгорания горючего вещества;V – объем продуктов сгорания;с – средняя объемная теплоемкость продуктов сгорания.При условии ускорения реакции окисления возникает такое явление как самовоспламенение, под действием температуры происходит непосредственно во всем объеме вещества. Температура воспламенения представляет собой наименьшую температуру, до которой требуется нагреть нужное вещество, чтобы в результате произошло его воспламенение.Одной из разновидностей самовоспламенения является самовозгорание, другими словами – самостоятельное нагревание вещества с последующим самовоспламенением последнего. Можно сделать вывод, что для осуществления непосредственно процесса горения, требуется выполнение определенных условий, без которых последнее невозможно. Само возникновение и продолжение данного процесса также может происходить лишь при определенном соотношении горючего вещества к кислороду. Особенностью горения твердых горючих веществ является то, что в процессе горения, полного или неполного, последние, как правило, частично разлагаются. Стоит всегда помнить, что пламя и открытый огонь представляет серьезную угрозу сооружениям, постройкам, технике, но в первую очередь – жизни и здоровью людей.

Заключение

Непосредственно процесс горения представляет собой химическую реакцию окисления, в результате которой выделяется довольно большое количества тепла и свечения. Тем не менее, кислород может быть совершенно необязателен, ряд веществ способны гореть в хлоре, углекислом газе или же тех же парах серы. Хлористый азот может взрываться при сжатии, как и некоторые другие химические вещества. Можно прийти к выводу, что данный процесс также есть результат реакции соединения, которая сопровождается разложением вступивших в реакцию веществ.Воздух и непосредственно само горючее вещество представляют собой способную воспламениться и гореть систему. Существует два основных горючих элемента в природе: углерод и водород.Чтобы твердый материал загорелся, необходимо, чтобы он как минимум обладал свойством горючести. В результате горения твердых горючих веществ образуются газы и пары. Ряд твердых веществ в процессе нагревания испаряется – сера и фосфор. Каменный уголь, древесина или торф в процессе сгорания, в отличие от серы и фосфора, не испаряются, а образуют твердый осадок черного света – уголь, а также пар и газ.Горючие пыли тоже относятся к классу твердых горючих веществ. Они представляют собой непосредственно твердые вещества, небольшие частицы менее 0,85 миллиметра, находящиеся в мелкодисперсном состоянии. Воспламенению твердых материалов предшествует определенный процесс – возгонка. Непосредственно из структуры твердого тела происходит процесс выделения определенных легколетучих газовых фракций.Для процесса горения необходимы воспламенитель и горючая среда или горючая смесь, которая состоит из окислителя и горючего вещества. Окислителем может являться не только кислород, а также некоторые другие вещества - такие газы как, например, хлор. Помимо газов это могут быть те же окислы азота, бром или йод. Горение – это достаточно быстро протекающая химическая реакция, сопровождающаяся появлением свечения, газа, тепла, часто газовой взвеси в виде дыма, а также тления. В обычных условия процесс представляет собой реакцию окисления или же соединения непосредственно горючего вещества с находящимся в воздухе кислородом. Однако в ряде случаев, процесс горения может представлять собой результат реакции разложения.При участии в реакции кислорода воздуха процесс горения происходит в результате воспламенения источником зажигания горючей среды. Такое горение весьма опасно. Температура нагрева каждого источника воспламенения может быть различна - начиная от несколько сотен градусов Цельсия.Горение может быть как полным, так и не полным. Условием полного сгорания какого-либо вещества является определенное количество кислорода. Фронт пламени представляет собой небольшую зону, в которой протекает процесс химической реакции.При условии ускорения реакции окисления возникает такое явление как самовоспламенение, под действием температуры происходит непосредственно во всем объеме вещества. Температура воспламенения представляет собой наименьшую температуру, до которой требуется нагреть нужное вещество, чтобы в результате произошло его воспламенение. Одной из разновидностей самовоспламенения является самовозгорание, другими словами – самостоятельное нагревание вещества с последующим самовоспламенением последнего. Для осуществления непосредственно процесса горения, требуется выполнение определенных условий, без которых последнее невозможно. Само возникновение и продолжение данного процесса также может происходить лишь при определенном соотношении горючего вещества к кислороду. Особенностью горения твердых горючих веществ является то, что в процессе горения, полного или неполного, они, как правило, частично разлагаются.

Список литературы

Брыляков К. П. Курс лекций по химической кинетике: учебное пособие/ К. П. Брыляков, А. А. Антонов. - Долгопрудный: Интеллект, 2022. – 288 с.Ветошкин А. Г. Основы пожарной безопасности. В 2 ч. Ч. 1: учебное пособие / А. Г. Ветошкин. - Вологда: Инфра-Инженерия, 2020. - 448 с. Девисилов В. А. Теория горения и взрыва: учебник / В. А. Девисилов, Т. И. Дроздова, А. И. Скушникова. — М.: ИНФРА-М, 2020. — 262 с. Жуков В. И. Защита и безопасность в чрезвычайных ситуациях: учеб. пособие / В. И. Жуков, Л. Н. Горбунова. - М.: ИНФРА-М, 2018. - 392 с. Илюшов Н. Я. Пожаровзрывобезопасность. Расчет интенсивности теплового излучения при пожаре: учебное пособие / Н. Я. Илюшов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. - 172 с. -Коханов В. Н. Безопасность жизнедеятельности: учебник / В. Н. Коханов, В. М. Емельянов, П. А. Некрасов. — М.: ИНФРА-М, 2021. — 400 с.Матерова С. И. Химия процессов горения: Учебное пособие / С. И. Матерова - Железногорск: ФГБОУ ВО СПСА ГПС МЧС России, 2017.- 63 с. Сазонов В. Г. Основы теории горения и взрыва: учебное пособие / В. Г. Сазонов. – М.: МГАВТ, 2012. - 168 с. Уманский С. Я. Теория элементарных химических реакций: научное издание / С. Я. Уманский. - Долгопрудный: Интеллект, 2009. - 408 с. Эквист Б. В. Теория горения и взрыва: учебник / Б. В. Эквист. – М.: Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2018. - 180 с.