Plamen

Ovo je glavno značenje pojma Plamen. Za druga značenja, v. Plamen (razvrstavanje).
Slojeviti plamen svijeće
Plamen drvenog ugljena

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, budući da 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] Slijedeća 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 labaratoriju, 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 čađi, koje nastaju u plemenu. Sa povećanjem dovoda kisika, manje će biti prisutno isijavanje čađi, 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.

Različite vrste plamena Bunsenovog plamenika, koje ovise o dovodu kisika. Na lijevoj strani je bogato gorivo bez pomiješanog kisika, stvara žuti čađavi difuzioni plamen; na desno je tanak, pun pomiješanog kisika, plamen, bez čađi i boju plamena stvaraju molecule radikala, posebno CH i C2 pojasna emisija. Ljubičasta boja je smetnja zbog fotografskog procesa

Temperature plamena običnog plamenika su oko 1600 °C, svijeće oko 1400 °C,[5] propan plamenika oko 1995 °C, a mnogo topliji kisik + acetilen plamenik stvara 3000 °C. Cianogen (CN)2 stvara čak i još topliji plamen, sa temperaturom 4525 °C, 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 °C. 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 °C i to je jedan od najvećih problema za vatrogasce.

Uobičajene temperature plamena

Ispitivanje plamena natrija. Treba napomenuti da žuta boja ne dolazi zbog emisije čađi (plava boja na dnu pokazuje potpuno sagorijevanje), već dolazi od spektralne linije atoma natrija, posebno veoma izražene linije D

To je jedan kratki vodič temperatura plamena, za različite tvari (kod 20 °C zraka i tlaka od 1 bara):

Materijal koji gori Temperatura plamena (°C)
Vatra drvenog ugljena 750 – 1200
Metan (prirodni plin) 900 – 1500
Propan plamenik 1200 – 1700
Plamen svijeće ~1100 (glavnina), vrući dio 1300 – 1400
Magnezij 1900 – 2300
Vodikov plamenik Do ~2000
Acetilen (etin) plamenik Do ~2300
Kisik+acetilen plamenik Do ~3300
Povratni udar kod požara 1700 – 1950
Bunsenov plamenik 900 – 1600 (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 nulte gravitacije, prijenos topline na okolinu se ne odvija i ne moze odnijeti topple proizvode izgaranja od izvora goriva, tako da plamen ima kuglasti oblik

Kod nižih temperatura od 120 °C, 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, dobija više plavu boju i izgaranje je bolje. [10]

Izvori

  1. ↑ Law, C. K. (2006). „Laminar premixed flames”. Combustion physics. Cambridge, England: Cambridge University Press. str. 300. ISBN 0521870526. 
  2. ↑ Verheest, Frank (2000). „Plasmas as the fourth state of matter”. Waves in Dusty Space Plasmas. Norwell MA: Kluwer Academic. str. 1. ISBN 0792362322. 
  3. ↑ „Reaction of Chlorine with Hydrogen”. Arhivirano iz originala na datum 2009-01-26. Pristupljeno 2013-11-11. 
  4. ↑ 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”. Arhivirano iz originala na datum 2007-10-29. Pristupljeno 2013-11-11. 
  5. ↑ „Temperatures in flames and fires”. Arhivirano iz originala na datum 2008-01-12. Pristupljeno 2013-11-11. 
  6. ↑ 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. 
  7. ↑ Christopher W. Schmidt, Steve A. Symes (2008). The analysis of burned human remains. Academic Press. str. 2–4. ISBN 0123725100. 
  8. ↑ Pearlman, Howard; Chapek, Richard M. (24 April 2000). „Cool Flames and Autoignition in Microgravity”. NASA. Arhivirano iz originala na datum 2010-05-01. Pristupljeno 13 May 2010. 
  9. ↑ Jones, John Clifford (September 2003). „Low temperature oxidation”. Hydrocarbon process safety: a text for students and professionals. Tulsa, OK: PennWell. str. 32–33. ISBN 9781593700041. 
  10. ↑ Spiral flames in microgravity Arhivirano 2010-03-19 na Wayback Machine-u, National Aeronautics and Space Administration, 2000.

Vanjske veze