выпуск 2
ИСТОРИЯ СВЕЧИ
|
БИБЛИОТЕЧКА «КВАНТ»
выпуск 2 |
|
Майкл Фарадей
ИСТОРИЯ СВЕЧИ |
Послесловие Б.В. Новожилова
Он может родиться, окрепнуть и вырасти. Или зачахнуть и умереть. Он может быть трепетным и ласковым или коварным, жадным и яростным. Он набрасывается, пожирает, проглатывает. С ним борются - он отступает побежденный. Он может принести спасение или обернуться ужасной трагедией.
- Огонь! - это и возглас надежды заплутавшего путника и суровая команда, несущая смерть врагу.
Огненные волосы, горящие глаза, испепеляющий взгляд. Взрыв смеха, вспышка гнева, огонь желаний. Загореться мыслью, пылать энтузиазмом, гореть страстью, играть с огнем.
Достаточно примеров. Они лишь должны напомнить, какую роль играет этот дар природы в нашей жизни. Наш язык (вспомним, кстати, и о языках пламени) наделил его чертами живого существа и, наоборот, внешность человека, его эмоции и поведение часто связываются со свойствами огня, пламени, горения. Можно представить, как изумлялись первобытные люди, наблюдая со страхом и недоверием случайное возникновение огня, его изменчивость, напоминающую необычное живое существо и его бесследное исчезновение. Недаром почти у всех народов мира в первобытном обществе существовал культ огня. Его почитали, ему поклонялись. Его похищали и тщательно хранили - ведь добывать огонь научились много позже, чем его приручили.
Одно из величайших событий в истории человечества - открытие способа добывать огонь по археологическим данным произошло около ста тысяч лет назад, в эпоху среднего палеолита. Применение же природного огня, случайно возникшего от молний или вулканической лавы, для защиты от холода и хищных зверей началось, конечно, гораздо раньше.
По мере развития человеческого общества значение процессов горения все возрастало. От применения огня для чисто бытовых целей (приготовление пищи, обогревание жилища) человек перешел к использованию его в качестве источника получения механической работы в различного рода тепловых двигателях, прежде всего в паровых машинах. Стремление улучшить качество паровых машин дало толчок к возникновению науки о тепле - термодинамике. Правильное понимание основных законов, лежащих в основе процесса горения, способствовало в свою очередь дальнейшему росту энерговооруженности человеческого общества. Несмотря на то, что в последние; десятилетия был открыт и стал служить человеку новый вид энергии - ядерная энергия, роль химических источников энергии - угля, газа, нефти - не уменьшилась. В наше время химическая энергия применяется во всех отраслях народного хозяйства - от индивидуальных газовых плит до двигателей космических кораблей.
Хотя тепловая энергия и является самым первым видом энергии, которым научился пользоваться человек, наука о горении зародилась совсем недавно. Только в XVIII веке Ломоносов и Лавуазье отвергли ошибочный взгляд алхимиков, утверждавших, что вещества, способные гореть, содержат особое "вещество огня" - флогистон. В 1773 г. Лавуазье пришел к правильному пониманию горения как процесса соединения вещества с кислородом воздуха. Систематические же исследования процессов горения были начаты лишь в конце прошлого века, когда катастрофические взрывы в шахтах побудили ученых ряда стран заняться тщательным изучением режимов распространения пламени. Из-за слабого развития смежных областей науки (кинетики химических реакций, гидродинамики, теории процессов переноса) результаты этого периода развития учения о горении носят качественный характер и не связаны с процессами, происходящими на молекулярном уровне.
К середине нашего столетия появились новые стимулы к развитию науки о горении, связанные с требованиями ракетной техники. В последние десятилетия было выполнено много теоретических и экспериментальных работ, опирающихся на новейшие достижения механики жидкости и газа и кинетики химических реакций. Сегодня уже нарисована четкая и логичная схема многообразных явлений горения, на основе которой инженеры могут целенаправленно влиять, например, на скорость распространения пламени и предсказывать, как будет вести себя то или иное топливо в конкретных условиях горения.
Фарадей в своей "Истории свечи" говорит: "Явления, наблюдающиеся при горении свечи, таковы, что нет ни одного закона природы, который при этом не был бы так или иначе затронут". Хотя прошло уже более ста лет, и наука шагнула далеко вперед, эти слова остаются в силе.
Поскольку основу процесса горения составляет химическое превращение - разложение одних молекул вещества и образование других, при его изучении нужно знать законы протекания химических реакций, их механизм, скорость и т. д. Этими вопросами заснимается наука, называемая химической кинетикой.
В свою очередь химическая кинетика является одним из разделов химической физики - науки, пограничной между химией и новыми разделами физики, возникшими в начале XX века (квантовая механика, электронная теория атомов и молекул). Химическая физика занимается изучением химических проблем с помощью теоретических и экспериментальных физических методов. Таким образом, процесс горения, как и любое другое химическое превращение, может быть по-настоящему понят лишь на основе изучения строения атомов н молекул и реакций между ними. Квантовая теория строения атомов и молекул возникла лишь в XX веке, поэтому и химическая кинетика в частности, и теория быстропротекающих химических реакций при горении получают настоящее обоснование только в наши дни.
Химические реакции, идущие с большим выделением тепла, почти всегда вызывают возникновение различного рода физических явлений. В процессе горения происходит перенос тепла реагирующих веществ и продуктов горения из одного места в другое. В связи с этим исследование процессов горения возможно только при правильном учете не только химических, но и физических закономерностей. При этом те и другие процессы взаимозависимы - скорость химических реакций определяется процессами теплопередачи и диффузии вещества, и наоборот, температура, давление вещества и скорость его перемещения зависят от интенсивности химических реакций.
Конечно, со времен Фарадея открыто много нового, в частности, новый вид превращения вещества - ядерные реакции. Хотя в обычном горении ядра атомов не изменяются и, казалось бы, эти явления природы не имеют отношения к горению, следует все-таки отметить, что в настоящее время можно говорить о возможности и существования горения на ядерном уровне. К нему, конечно, следует отнести процесс энерговыделения на Солнце и других звездах. Решение проблемы управляемого термоядерного синтеза, к которой приложено много усилий со стороны ученых высокоразвитых стран, сводится в конечном счете к созданию условий, при которых ядерный очаг станет самоподдерживающимся (высокие плотности вещества и сверхвысокие температуры - десятки миллионов градусов), и к возможности регулировать скорость горения на желаемом уровне. Однако это предмет особого разговора. Мы будем рассматривать только химическое горение.
Начиная исследовать какое-либо явление, обычно обращают внимание на основные его особенности. Понимание деталей можно отложить и на будущее. Поступим и мы так же.
Процесс горения, как правило, связан с выделением тепла и света. И в пламени горящей спички и в камере сгорания космической ракеты выделение энергии приводит к возникновению высоких температур - порядка одной-двух тысяч градусов. Таким образом, непременным условием существования горения является участие в процессе веществ, реакция между которыми экзотермична, т. е. идет с выделением тепла. В процессе перестройки молекул их внутренняя, химическая энергия переходит в тепловую энергию, т. е. кинетическую энергию движения.
Одна из особенностей явления горения знакома каждому, кто хоть раз пытался разжечь костер на ветру или под дождем. Довольно просто (при достаточном количестве дров) поддерживать огонь в костре и под проливным дождем. Совсем другое дело его разжечь - обязательно нужно создать достаточно большой очаг пламени, который, оставленный на мгновенье без внимания, не погас бы. Когда такой очаг создан, он начинается сначала медленно, а потом все быстрее и быстрее разгораться и увеличиваться, охватывая в конце концов все топливо, собранное в костре. Выражаясь на языке науки о горении, существуют некоторые критические условия зажигания или воспламенения. Если эти условия выполнены, горение поддерживает себя само. В противном случае происходит потухание.
Все разнообразные и часто очень хитроумные способы разжигания костра "с одной спички" сводятся к умению так расположить дрова и вспомогательный материал - бересту, сухие щепочки,- чтобы величина пламени горящей спички превышала критический размер, необходимый для воспламенения.
Наконец, важная особенность явления горения - способность его к пространственному распространению. Вспомним лесные и степные пожары. Недаром для охраны больших массивов леса создана специальная служба слежения. С вертолетов и самолетов регулярно осматриваются большие площади лесов, а при необходимости высаживается и парашютный десант. Основное - вовремя заметить очаг пожара. Иначе он быстро захватывает большую территорию, и борьба с ним многократно усложняется. В ветреную погоду скорости распространения лесных пожаров достигают десятков километров в час.
Это свойство горения применяется и на практике. Во взрывном деле раньше широко употреблялся огнепроводный, или бикфордов, шнур. Он представляет собой пропитанную селитрой нитку, заключенную наподобие фитиля в пороховую трубку. Горение распространяется по такому шнуру со скоростью сантиметра в секунду. Шнур длиной, например, в шестьдесят сантиметров приводит к взрыву присоединенного к нему заряда ровно через минуту.
В конце концов и горение свечи тоже пример пространственного распространения пламени сверху вниз. Все эти особенности горения тесно связаны с законами протекания химических реакций. Поэтому мы с них и начнем.
II
Все многообразие окружающих нас тел обусловлено существованием всего ста с небольшим разных типов атомов. Их различные комбинации образуют и очень простые молекулы (кислород, вода, углекислый газ), и молекулы-гиганты, построенные из очень большого числа атомов (например, белки или высокомолекулярные соединения-полимеры). Слово "гиганты" в отношении молекул следовало бы, конечно, взять в кавычки: ведь по сравнению с окружающими нас предметами молекулы малы.
Не утомляя читателя числами с огромным количеством нулей после запятой (от них суть дела не намного становится понятнее), приведем простое сравнение. Предположим, мы увеличиваем в одинаковое число раз молекулу воды и теннисный мяч. Если при этом молекула станет размером с мяч, то последний будет сравним с земным шаром.
Молекулы довольно неохотно поддаются расщеплению на атомы. Возьмем, к иримеру, обыкновенный лед. Его молекула содержит два атома водорода и один атом кислорода. Нагревая лед, его можно расплавить и превратить в воду. Вода будет состоять из тех же молекул. При кипячении воды она испаряется, но и пары воды-это те же самые молекулы. Лишь нагревая водяные пары до очень высокой температуры (несколько тысяч градусов), можно разрушить молекулы и получить отдельные атомй водорода и кислорода.
При дальнейшем повышении температуры и атомы разлагаются на их составные части -положительные ядра и отрицательные электроны. Таким образом, атомы в молекуле связаны между собой довольно мощными силами.
Голландский физик Ван-дер-Ваальс, исследуя поведение плотных газов при различных температурах и давлениях, установил, что для объяснения их свойств необходимо предположить существование сил притяжения между молекулами на больших расстояниях и отталкивание на малых.
Причину возникновения межатомных и межмолекулярных сил можно понять лишь на основе квантовой механики - науки, описывающей поведение микрочастиц. Не останавливаясь на подробностях, укажем лишь, что эти силы имеют электрическую природу. Однако для расчета межатомных взаимодействий недостаточно одного известного закона Кулона. Квантовый характер движения электронов приводит к специфическим особенностям взаимодействия атомов по сравнению со взаимодействием обычных классических заряженных частиц.
Если на больших расстояниях атомы притягиваются, а на малых отталкиваются, то должно быть положение, где сила взаимодействия между атомами равна нулю (силы притяжения при уменьшении расстояния в этой точке сменяются силами отталкивания). Это так называемое положение равновесия. Поместив два атома на таком расстоянии, мы получим устойчивую молекулу. Действительно, при малейшем изменении расстояния между атомами возникают силы, стремящиеся вернуть эти атомы в исходное состояние (если расстояние увеличилось, то появляются силы притяжения, которые вызывают сближение атомов; при случайном уменьшении расстояния возникнут силы отталкивания).
В физике обычно говорят не на языке сил, а на языке энергий. Это оказывается во многих случаях удобнее. Например, при изучении движения тел в поле тяжести Земли вместо закона тяготения Ньютона часто пользуются понятием потенциальной энергии. Величина потенциальной энергии тела в поле Земли зависит от высоты, на которую оно поднято. Чем больше расстояния от Земли, тем большую работу совершает тело при падении и тем, следовательно, больше его потенциальная энергия. На поверхности Земли потенциальная энергия меньше всего.
Рис. 1
Здесь уместно провести аналогию с механикой. Если некоторое тело, находящееся в поле тяжести, движется по поверхности, изображенной на рисунке, то его потенциальная энергия будет изменяться подобным же образом. Шарик всегда скатывается в углубление, и чтобы достать его оттуда, нужно затратить некоторую энергию, пропорциональную глубине ямы.
При химическом взаимодействии происходит превращение одних молекул в другие. При этом разрушаются старые связи и возникают новые. Рассмотрим в качестве примера реакцию между молекулами А и В (исходные вещества), которая приводит к образованию К и L (молекулы-продукты):
A + B Ю K + L.
Если новые молекулы прочнее старых (их суммарная энергия связи больше, чем у исходных молекул), то в результате реакции выделяется энергия. Действительно, на разрушение молекул А и В мы должны затратить меньше энергии, чем ее выделяется при образовании К и L. Такие реакции называются экзотермическими, а количество выделяющейся энергии (на одну молекулу или на единицу массы вещества) носит название теплового эффекта. Например, тепловой эффект реакции горения бензина составляет сорок пять миллионов джоулей (около десяти тысяч килокалорий) на один килограмм. Этого тепла достаточно, чтобы нагреть продукты горения до температуры в несколько тысяч градусов.
Если реакция идет с выделением тепла, это не означает, что она пойдет быстро. Ведь прежне чем образовать новые связи, нужно разрушить старые. А для этого нужно где-то взять энергию. Так, туристская группа, маршрут которой проложен из одной долины в более глубокую, должна сначала подняться на перевал. Энергия, необходимая для разрыва или существенного ослабления (достаточного для протекания реакции) связей в исходных молекулах, называется энергией активации. На рис. 2 изображены энергетические барьеры для экзотермической (а) реакции и реакции, идущей с поглощением тепла (б - эндотермический процесс). Величина Е -энергия активации, или тот барьер, который должны преодолеть исходные молекулы, чтобы вступить в реакцию, Q - тепловой эффект реакции.
Рис. 2
Разрушение или ослабление химических связей может произойти под действием теплового (поступательного или колебательного) движения атомов и молекул. Природа устроена так, что энергия теплового движения при умеренных температурах обычно много меньше энергии активации. Так, для типичных реакций горения энергия активации в десятки тысяч раз превышает энергию теплового движения молекул. В этом причина столь малой скорости химического превращения при обычных температурах.
В газе при нормальных условиях каждая молекула испытывает в среднем десять миллиардов столкновений в секунду. Если бы каждое столкновение приводило к реакции, то она произошла бы мгновенно. Опыт не подтверждает этого. Например, смесь водорода и кислорода (гремучий газ) при комнатной температуре можно хранить совершенно спокойно. Все дело в том, что лишь очень малая доля столкновений оказывается эффективной, т. е. приводит к образованию воды. Большинство соударений оказываются бесполезными - химическая реакция идет лишь между теми молекулами, тепловая энергия которых намного превышает среднюю. А таких молекул очень мало. Из огромного числа молекул, содержащихся в кубическом сантиметре газа, лишь несколько имеют запас тепловой энергии, достаточный для того, чтобы пошла химическая реакция.
Однако доля активных молекул очень сильно возрастает с повышением температуры. Соответственно растет и скорость химической реакции. Чтобы почувствовать это, проще всего обратиться к числам. Реакция образования йодистого водорода из молекул водорода и йода при 290 К (комнатная температура) практически не идет: за миллион лет прореагировала бы всего одна тысячная процента смеси. Если же повысить температуру всего в два раза (до шестисот градусов Кельвина), то реакция в смеси закончилась вы всего за полтора часа. А при температуре в восемьсот градусов смесь прореагировала бы в течение секунды.
Для многих химических реакций справедливо следующее, довольно грубое, утверждение: повышение температуры на десять градусов приводит к удвоению скорости реакции.
Это свойство химических реакций природа использовала в процессе эволюции живых существ. Некоторые млекопитающие в трудное для них время года, зимние месяцы, впадают в спячку. При этом температура тела падает и лишь на несколько градусов превышает температуру окружающей среды. Жизненные процессы резко замедляются, что позволяет организму ограничить отдачу тепла наружу и преодолеть трудности, связанные с нехваткой питания. Наоборот, иногда выгодно повысить температуру тела (например, во время болезни) для того чтобы усилить обмен веществ и ускорить течение жизненных процессов. С этим успешно справляются органы терморегуляции организма.
Свойство химических реакций сильно ускоряться с повышением температуры лежит в основе объяснения и процессов горения.
III
Изучение горения лучше всего начать с какого-нибудь простого случая. Свеча для этого нам не годится - слишком много побочных факторов сопутствуют химической реакции горения. Топливо сначала должно расплавиться, затем подняться по фитилю, испариться и лишь потом, смешавшись с кислородом воздуха, сгореть. Вспомним слова Фарадея: "Как можно что-нибудь изучать, когда мешают трудности, не относящиеся к делу?"
Целесообразно начать с горения газов. Это связано с тем, что газовые химические реакции лучше изучены, чем реакции в конденсированных телах или на их поверхности. Кроме того, и многие физические процессы (теплопроводность, диффузия) в газовых системах мы можем рассчитывать лучше, чем в твердом теле или жидкости.
Пусть в некотором сосуде находится смесь газов, способная к экзотермической реакции. Если температура газа достаточно низка (например, комнатная), то лишь небольшая доля молекул может вступить в химическую реакцию. Для многих горючих смесей скорость реакции при комнатной температуре столь ничтожна, что они могут сохраняться очень долго. Повысим теперь температуру газа - возрастет скорость химической реакции, а вместе с нею и скорость выделения тепла. Это приведет к дальнейшему, уже самопроизвольному нагреву газа за счет его химической энергии.
Если бы не было потерь энергии через стенки сосуда, то произошел бы, как обычно говорят, тепловой взрыв. Повышение температуры вело бы к росту скорости химической реакции, а рост скорости реакции к увеличению температуры. Скорость этого процесса очень быстро возрастает во времени, так что он носит взрывной характер. Повышение температуры газа после завершения реакции пропорционально тепловому эффекту.
При учете потерь энергии газа через стенки сосуда могут осуществиться два случая. Если размеры сосуда достаточно велики, то теплопотери малы по сравнению с тепловыделением за счет химической реакции. Действительно, скорость выделения энергии пропорциональна объему сосуда, т. е. кубу его линейного размера, а теплопотери-поверхности, которая пропорциональна квадрату линейного размера.
Увеличение объема сосуда снижает роль теплопотерь. Взрыв будет происходить, но менее бурно, чем в неограниченном сосуде. Если же роль теплопотерь велика (небольшой объем газа), то взрыв не успеет развиться - после некоторого повышения температуры газа устанавливается стационарный режим, при котором тепловыделение равно теплопотерям и реакция идет с почти постоянной, обычно малой, скоростью.
Необходимо отметить, что переход от невзрывного, медленного протекания реакции ко взрыву носит резкий характер. Достаточно лишь на немного увеличить размер сосуда или температуру окружающей среды, как течение реакции радикально меняется. Это один из примеров существования критических условий в горении.
Рис. 3
Читатели, знакомые с принципом действия атомного реактора, вспомнят, конечно, что там критические условия связаны с равенством скорости выделения нейтронов в объеме реактора и скорости их поглощения и вылета из реагирующей среды.
Есть критические условия и в животном мире. Чем крупнее животное, тем меньше у него отношение поверхности тела к его объему. У небольших животных потеря тепла на единицу массы очень велика, поэтому нужна очень высокая интенсивность обмена веществ. Это обстоятельство ставит предел уменьшению размеров тела теплокровного животного. Если человеку для поддержания жизни достаточно в сутки потреблять количество пищи, составляющее процент от его массы, то самое мелкое млекопитающее (землеройка массой три-пять граммов должно ежесуточно поглощать количество пищи, равное массе животного.
В рассмотренной выше постановке опыта скорость химической реакции почти постоянна по объему сосуда, поэтому тепловой взрыв охватывает весь газ. Представим теперь, что в достаточно широкой трубе находится смесь газов А и В, которые могут реагировать с выделением некоторого количества тепла Q:
А + В Ю K + L + Q.
Если газ холодный, то скорость реакции ничтожна, и смесь будет находиться в трубе сколь угодно долго. Нагревая газ у одного конца трубы, можно вызвать местное воспламенение смеси. Выделившееся при этом тепло будет передаваться соседним, холодным слоям газа, что приведет к распространению реакции вдоль трубы.
Если смесь прореагировала в одном конце трубы (скажем, в правом), то по ее длине будет меняться не только температура, но и концентрации исходных А и В и конечных К и L продуктов. Неравномерность температуры приводит к процессу теплопроводности, т. е. к передаче тепла от уже прореагировавших объемов газа к свежей, холодной смеси. Из-за переменности концентраций возникает явление диффузии - молекулярный перенос вещества из областей с большой его концентрацией в те места, где оно находится в недостатке. Исходные вещества диффундируют направо, конечные - налево, в несгоревшую смесь. Процессы диффузии и теплопроводности сглаживают распределения температур и концентраций. Между свежей смесью и продуктами горения появляется зона, где присутствуют конечные продукты, а температура повышена, несмотря на то, что химическая реакция здесь не идет. На левом конце этой зоны, называемой областью подогрева, температура близка к начальной температуре T0, а на правом - к температуре горения T1. Концентрация же исходного вещества падает слева направо и в конце зоны подогрева во много раз меньше начальной. Схематически распределение концентраций и температуры по длине трубы изображено на рис. 4.
Рис. 4Где происходит химическая реакция? Мы знаем, что ее скорость зависит от концентрации исходных веществ и температуры. Слева большая концентрация, но низкая температура, справа - наоборот.
Вспомним теперь, что скорость реакции очень сильно зависит от температуры и гораздо слабее от концентрации реагирующих веществ. Поэтому можно утверждать, что максимальная скорость химической реакции достигается в том месте, где температура наивысшая, т. е. равна T1. Прерывистой линией на рисунке нанесена скорость реакции W в фронте пламени. Кривая имеет резкий максимум при T1. Левее реакция не идет, так как там мала температура, правее - из-за нулевой концентрации исходных веществ.
Таким образом, наличие диффузии конечных продуктов реакции в исходную смесь приводит к тому, что реакция в основном идет в том месте, где исходное вещество сильно разбавлено продуктами реакции.
Приведем опять механическую аналогию. Расставим теперь в ряд много косточек от домино (рис. 5, а). Если они находятся не слишком далеко друг от друга, то достаточно уронить одну, чтобы "прореагировали" и соседние (рис. 5, б). Аналогия достаточно глубокая. Здесь можно различить и "свежую смесь", способную к реакции, но находящуюся в устойчивом состоянии (вертикально стоящие кости), "прореагировавшие" газы (лежащие кости), и "зону реакции" (падающие косточки). Так же как и в процессе горения, здесь распространяется "волна падения", которая движется со вполне определенной скоростью.
Рис. 5
Однако вернемся к газу. Проследим за судьбой некоторой порции свежей смеси. Зона химической реакции, называемая фронтом пламени (он обычно светится, так как газы нагреты), движется справа налево, поэтому выбранный нами объем газа рано или поздно попадает в зону подогрева, где он разбавляется продуктами горения и нагревается за счет тепла сгоревших ранее порций газа. Попадая же во фронт пламени и сгорая в нем, он выделяет тепло, которое идет не на саморазогрев (температура во фронте максимальна), а на нагрев следующих порций свежей смеси. Таким образом, тепловая энергия берется в долг, который погашается в процессе сгорания.
Хотя химические реакции при температурах горения порядка двух тысяч градусов протекают очень быстро, скорость распространения пламени обычно мала - порядка десятков сантиметров в секунду. Это связано с тем, что существенным элементом процесса горения является перенос тепла, который идет с незначительной скоростью.
Мы уже упоминали, что распространение пламени по трубе возможно лишь при достаточно большом ее диаметре. Если диаметр мал, то в игру вступают теплопотери из зоны реакции в стенки трубы. Существует минимальный (критический) диаметр, при котором пламя уже не может себя поддерживать - происходит срыв горения. Для обычных газовых смесей, скажем, водорода или природного газа с воздухом, значение критического диаметра составляет один-два миллиметра. Это свойство пламени и использовал Дэви в изобретенной им безопасной лампе. Медная металлическая сетка с ячейками, размер которых меньше критического, не позволяет пламени проникнуть из лампы во внешнюю среду.
На этом мы закончим рассмотрение простейшего случая горения заранее перемешанных газов. Упомянем только, что именно его демонстрировал на своих лекциях Фарадей, когда проводил удивительно красивый опыт зажигания свечи на расстоянии. От фитиля только что погашенной свечи поднимается тонкая струйка пара, который, перемешиваясь с воздухом, образует горючую смесь. Пламя от горящей лучинки проскакивает по этому огневоду к еще не успевшему остыть фитилю и зажигает свечу.
IV
Рассмотрим теперь другие типы процесса горения. На практике во многих случаях используется горение газов, которые смешиваются между собой в процессе горения. В качестве примера можно привести пламена различных газовых горелок. Горючий газ (обычно более или менее сложные углеводороды) подается через отверстие горелки в атмосферу, где и смешивается с воздухом, кислород которого необходим для горения.
Рис. 6
Если поступление газа в горелке регулируется извне, то свеча сама диктует темп подачи горючего. Иногда горелка состоит из двух концентрических труб, внутренняя из которых предназначена для подачи горючего, а через внешнюю поступает окислитель (воздух или чистый кислород).
Описывая физическую картину распространения пламени в газе, мы приняли, что плоский фронт его распространяется по неподвижной среде. В реальных тепловых установках обычно неподвижен фронт пламени, а смесь горючих газов подается в камеру сгорания с определенной скоростью.
Известно, что движение жидкости или газа может быть ламинарным (упорядоченным) или турбулентным. В первом случае движение послойное; перемешивание и теплопроводность осуществляются путем перехода отдельных молекул между слоями с различными концентрацией и температурой. При турбулентном движении газа с определенной средней скоростью существуют беспорядочные во времени и пространстве пульсации скорости как в направлении движения, так и поперек его. Эти пульсации приводят к интенсивному перемешиванию и теплопроводности путем беспорядочного перемещения макроскопических объемов газа из одного места в другое.
Естественно, что турбулентные процессы переноса во много раз эффективнее молекулярных. Турбулентное течение газа приводит к искажению плоской формы фронта горения и к расширению зоны протекания химических реакций, а следовательно, и к ускорению горения. Именно такие режимы сгорания осуществляются и в упомянутой Фарадеем игре в изюм, в костре и в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей.
Исследование горения газов во многом помогает понять и картину горения твердых и жидких тел, поскольку и в этих случаях очень часто химическая реакция происходит в газовой фазе. Это связано с тем, что роль окислителя при горении обычно применяемых топлив - угля, дров, нефтепродуктов - играет воздух. В этом случае процесс горения происходит на поверхности раздела: твердое тело - газ или жидкость - газ. Реакции между веществами, находящимися в разных фазах, конденсированной и газовой, называются гетерогенными. Поэтому горение твердых и жидких тел объединяется одним термином - гетерогенное горение (горение газов называется гомогенным горением). Скорость гетерогенного горения во многом определяется процессом диффузии. Действительно, чтобы происходила реакция на поверхности конденсированной фазы, необходим достаточный диффузионный подвод окислителя (например, кислорода воздуха) к поверхности тела и одновременное удаление продуктов горения.
Горение некоторых типов жидких топлив - керосина, бензина, спирта - осуществляются гомогенным образом. Такое легко испаряющееся топливо может быть без труда переведено в газообразное состояние и перемешано с воздухом. Этот процесс и осуществляется в карбюраторах двигателей внутреннего сгорания. Чтобы облегчить испарение, топливо сначала распыляют при помощи форсунок, а затем перемешивают в потоке воздуха, движущегося с большой скоростью. В результате получается однородная смесь паров горючего и воздуха.
В большинстве же случаев в процессе горения жидкого топлива ясно различаются две фазы - жидкость и газ, причем химическая реакция, как правило, идет в газообразной фазе. Дело в том, что температура испарения жидкости всегда меньше температуры пламени ее паров. Поэтому гетерогенное горение жидких топлив есть последовательность двух процессов: испарения жидкости и горения ее паров. При этом теплота, необходимая для испарения жидкости, поступает из зоны горения.
Очевидно, что ускорение сжигания жидкого топлива может быть достигнуто увеличением поверхности горения, например, при распылении его в капли. Если каплю радиусом один сантиметр разбить на капли радиуса порядка десяти микрометров, то их получится миллиард. Суммарная же поверхность капель будет превышать поверхность исходной капли в тысячу раз. Соответственно возрастет и скорость горения.
Все современные способы сжигания жидких горючих основаны на предварительном их разбрызгивании при помощи форсунок. Схема процесса горения отдельной капли состоит в следующем. Шарообразная капля окружена сферическим фронтом пламени, где достигается максимальная температура. Тепло, выделяемое химической реакцией, передается на поверхность капли, где происходит испарение жидкости. От капли к пламени диффундируют пары жидкости, а извне поступает окислитель. Навстречу ему диффундируют продукты горения. Аналогично горят и многие твердые топлива. Горючие газы получаются либо непосредственно при возгонке твердого тела (горение дров, спичка), либо при последовательном переходе твердое тело - жидкость - газ (свеча).
Горение самого распространенного твердого топлива - угля тоже обычно начинается с выделения газообразной "летучей" части. Всякое ископаемое твердое топливо содержит остатки органических веществ, которые при нагревании превращаются в газы. Большая же часть угля состоит из углерода, который и есть основной источник тепла. Хороший уголь содержит много углерода, в плохом его меньше. Так, донецкий антрацит, имеющий теплоту сгорания 7950 ккал/кг, на 96,5% состоит из углерода. При взаимодействии кислорода воздуха с углеродом на поверхности происходит чрезвычайно сложная реакция, детальный механизм которой еще окончательно не установлен. Однако важность проблемы привлекает к ней внимание со стороны многих исследователей.
Остановимся еще на важном случае горения - горении конденсированных систем, применяемых во взрывных работах и военном деле.
Пороха, или метательные взрывчатые вещества, составляющие особый класс взрывчатых веществ, предназначены для сообщения телам (снарядам, ракетам) большой скорости, имеющей вполне определенное направление. Пороха характеризуются большой устойчивостью процесса горения - даже при высоких давлениях горение их не переходит во взрыв.
С давних пор применялся для военных целей дымный, или черный порох, представляющий собой механическую смесь селитры, серы и древесного угля. При сгорании 1 кг дымного пороха образуется около трехсот литров газа. По сравнению с изобретенным в конце XIX века бездымным порохом это немного. Бездымные пороха, основа которых - пироксилин, дают гораздо больше газа - до восьмисот литров на килограмм. К бездымным порохам относятся и баллиститы, в которых вместо пироксилина используются нитроглицерин, нитродигликоль и другие вещества.
В последнее время в связи с бурным развитием ракетной техники повысился интерес к так называемым смесевым порохом. Подобно черному пороху они представляют собой смесь двух или большего числа компонентов. Один компонент является обычно окислителем - им может быть вещество, содержащее много кислорода, например, перхлорат аммония. В качестве горючего в порохе используются различные смолы и другие органические соединения. Смесевые пороха находят широкое применение в ракетной технике, так как скорость их горения может быть изменена путем варьирования состава, размеров частиц и т. п.
На этом мы закончим наш краткий обзор явлений горения.
В заключение следует отметить, что в последние годы горение оказалось связанным с рядом проблем, имеющих глобальный, общечеловеческий характер. Речь идет об энергетическом кризисе, охватившем ряд стран, и об экологических проблемах (охрана окружающей среды). Первый аспект возник в связи с истощением природных топливных ресурсов, а второй связан с вредным влиянием некоторых продуктов горения на биосферу. Решение этих проблем может быть достигнуто только совместными усилиями многих стран. Вот почему эти вопросы обсуждаются на самом высоком уровне. Понятен и тот огромный размах научных работ, которые ведутся в области горения как в нашей стране, так и за рубежом.
