Главная > Книги

3.1.2. Горение веществ


Горение твердого вещества происходит по более сложному механизму, в несколько стадий. При воздействии внешнего источника происходит прогрев поверхностного слоя твердого вещества, из него начинается выделение газообразных летучих продуктов. Этот процесс может сопровождаться или плавлением поверхностного слоя твердого вещества, или его возгонкой (образованием газов, минуя стадию плавления). При достижении определенной концентрации горючих газов в воздухе (нижнего концентрационного предела) они воспламеняются и посредством выделяющейся теплоты начинают сами воздействовать на поверхностный слой, вызывая его плавление и поступление в зону горения новых порций горючих газов и паров твердого вещества.
Рассмотрим в качестве примера древесину. При нагревании до 110 °C происходят высушивание древесины и незначительные испарения смолы. Слабое разложение начинается при 130 °C. Более заметное разложение древесины (изменение цвета) происходит при температуре 150 °C и выше. Образующиеся при 150–200 °C продукты разложения составляют в основном воду и углекислый газ, поэтому гореть не могут. При температуре выше 200 °C начинает разлагаться главная составная часть древесины – клетчатка. Газы, образующиеся при этих температурах, являются горючими, так как они содержат значительные количества окиси углерода, водорода, углеводородов и паров других органических веществ. Когда концентрация этих продуктов в воздухе станет достаточной, при определенных условиях произойдет их воспламенение.
Если горючее вещество при плавлении растекается, оно увеличивает очаг горения (например, каучук, резина, металлы и т. д.). В том случае, если вещество не плавится, кислород постепенно подходит к поверхности горючего и процесс приобретает форму гетерогенного горения (например, выжигание кокса). Процесс горения твердых веществ сложен и многообразен, он зависит от многих факторов (дисперсность твердого материала, его влажность, наличие пленки окислов на его поверхности и ее прочность, присутствие примесей и т. д.).
Более интенсивно (часто со взрывом) происходит возгорание мелкодисперсных металлических порошков и пылевидных горючих материалов (например, древесной пыли, сахарной пудры).
В качестве окислителя при пожаре наиболее часто выступает кислород, содержание которого в воздухе составляет около 21 %. Сильными окислителями являются перекись водорода, азотная и серная кислоты, фтор, бром, хлор и их газообразные соединения, хромовый ангидрид, перманганат калия, хлораты и другие соединения.
При взаимодействии с металлами, которые в расплавленном состоянии проявляют очень высокую активность, в роли окислителей выступают вода, двуокись углерода и другие кислородсодержащие соединения, которые в обычной практике считаются инертными.
Однако только наличия смеси горючего и окислителя еще недостаточно для начала процесса горения. Необходим еще источник зажигания. Для того чтобы произошла химическая реакция, необходимо появление достаточного количества активных молекул, их обломков (радикалов) или свободных атомов (еще не успевших объединиться в молекулы), которые обладают избыточной энергией, равной энергии активации для данной системы или превышающей ее.
Появление активных атомов и молекул возможно при нагреве всей системы, при локальном контакте газов с нагретой поверхностью, при воздействии пламени, электрического разряда (искра или дуга), локального нагрева стенки сосуда в результате трения или при введении катализатора и т. п.
Источником воспламенения может быть также внезапное адиабатическое (без теплообмена с окружающей средой) сжатие газовой системы или воздействие на нее ударной волны.
В настоящее время установлено, что механизм возникновения и развития реальных пожаров и взрывов характеризуется комбинированным цепочечно-тепловым процессом. Начавшись цепным путем, реакция окисления за счет ее экзотермичности продолжает ускоряться за счет тепла. В конечном счете критические (предельные) условия возникновения и развития горения будут определяться тепловыделением и условиями тепломассообмена реагирующей системы с окружающей средой.