برای درک بهتر آتش و آتش سوزی، باید در مورد احتراق اطلاعاتی داشته باشید تا بتوانید این فرایند پیچیده را درک کنید. برای ایجاد آتش نیاز به سه عامل اساسی است که آن را مثلث آتش می نانیم. اما امروزه به این مثلث یک عامل دیگر نیز اضافه شده که آن را به چهار وجهی آتش تغییر داده است.
مثلث آتش و چهار وجهی آتش
برای سال های طولانی مفهوم آتش با مثلث آتش یعنی نمادی از سوخت، گرما و اکسیژن بود. تحقیقات بیشتر در مورد آتش نشان داد که عنصر چهارمی نیز یعنی واکنش زنجیره شیمیایی در فرایند آتش سوزی یکی از اجزای ضروری است. پس این مثلث به چهار وجهی آتش یا هرم آتش تغییر یافت تا این عنصر چهارم را نیز به رسمیت بشناسیم.
اساسا برای وقوع آتش باید هر چهار عنصر وجود داشته باشد. این چهار عنصر شامل سوخت، گرما، اکسیژن و یک واکنش زنجیره شیمیایی است. حذف هریک از این عناصر ضروری باعث خاموش شدن آتش خواهد شد. برای مثال کپسول آتش نشانی با از بین بردن یکی از این عوامل، باعث خاموشی آتش می شود.
اساسا برای وقوع آتش باید هر چهار عنصر وجود داشته باشد. این چهار عنصر شامل سوخت، گرما، اکسیژن و یک واکنش زنجیره شیمیایی است. حذف هریک از این عناصر ضروری باعث خاموش شدن آتش خواهد شد. برای مثال کپسول آتش نشانی با از بین بردن یکی از این عوامل، باعث خاموشی آتش می شود.
این مدل شاید ساده باشد اما مقایسه خوبی برای تئوری چگونگی خاموش کردن آتش است. مثلا، یک خاموش کننده از نوع فوم، مانعی در اطراف مواد قابل احتراق ایجاد کرده و جریان اکسیژن را قطع می کند و همچنین گرما را نیز کاهش می دهد. با استفاده از آب می توانید دما را به زیر نقطه اشتعال کاهش داده یا برای آتش سوزی مایعات قابل اشتعال، سوخت را حذف یا منحرف می کند.
تعریفی از آتش
از تعریف های پذیرفته شده در مورد احتراق یا آتش، فرایندی است که شامل اکسیداسیون سریع در دماهای بالا همراه با محصولات گازی گرم شده و منتشر کردن نورهای مرئی یا نامرئی است. اکسیداسیون در اطراف ما به شکل زنگ زدگی روی سطح فلزات و در بدن انسان با متابولیسم غذایی که میخوریم اتفاق می افتد. با این وجود، کلمه کلیدی که احتراق را از سایر شکل های اکسیداسیون متمایز می سازد، کلمه سریع است.
فرایند احتراق به طور معمول با اکسید شدن یک سوخت در حضور اکسیژن همراه با انتشار نور، گرما و سایر محصولات خروجی همراه است. اکسیداسیون به طور دقیق به معنای از دست دادن الکترون است. برای اینکه یک واکنش اکسیداسیون رخ دهد، یک عامل کاهنده یعنی سوخت و یک عامل اکسید کننده که معمولا اکسیژن است باید وجود داشته باشد..
با اضافه شدن گرما یا منبع احتراق، مولکول های سوخت و مولکول های اکسیژن انرژی گرفته و فعال می شود. این انرژی مولکولی به مولکول های سوخت و اکسیژن دیگر نیز منتقل می شود که یک واکنش زنجیره ای را شکل می دهد. در این واکنش زنجیره ای سوخت، الکترون های خود را از دست داده و اکسیژن الکترون ها را به دست می آورد. این انتقال الکترون ها گرمازا بوده و می تواند تولید نور نیز کند. در صورتی که آتش در کوره باشد، این فرایند کنترل شده خواهد بود ولی اگر ساختمانی در آتش باشد، این فرایند به عنوان آتش کنترل نشده شناخته می شود.
با اضافه شدن گرما یا منبع احتراق، مولکول های سوخت و مولکول های اکسیژن انرژی گرفته و فعال می شود. این انرژی مولکولی به مولکول های سوخت و اکسیژن دیگر نیز منتقل می شود که یک واکنش زنجیره ای را شکل می دهد. در این واکنش زنجیره ای سوخت، الکترون های خود را از دست داده و اکسیژن الکترون ها را به دست می آورد. این انتقال الکترون ها گرمازا بوده و می تواند تولید نور نیز کند. در صورتی که آتش در کوره باشد، این فرایند کنترل شده خواهد بود ولی اگر ساختمانی در آتش باشد، این فرایند به عنوان آتش کنترل نشده شناخته می شود.
حالت های احتراق
فرایند احتراق به دو صورت شعله ور و غیر شعله ور صورت می گیرد:
در این حالت، لازم است سوخت جامد و یا مایع به گاز تبدیل شود. بخارات سوخت جامد به صورت حرارت خارج شده یا تقطیر می شود و مایع را در حالت شعله ور خواهیم دید. این تولید گاز یا بخار ساطع شده از سوخت به عنوان پیرولیز نامیده می شود. زمانی که شعله ایجاد شد، انتقال حرارت از شعله به سطح سوخت ادامه پیدا می کند تا گازهای فرار بیشتری را خارج و فرایند احتراق را تداوم بخشد.
ادامه سوختن در حالت شعله ور به سرعت سوزاندن بالایی نیاز دارد و اتلاف حرارتی مربوط به انتقال گرما از ناحیه شعله توسط هدایت، همرفت و نور باید کمتر از انرژی خروجی آتش باشد. اگر اتلاف حرارتی بیشتر از انرژی خروجی آتش باشد، آتش خاموش خواهد شد.
در این حالت، لازم است سوخت جامد و یا مایع به گاز تبدیل شود. بخارات سوخت جامد به صورت حرارت خارج شده یا تقطیر می شود و مایع را در حالت شعله ور خواهیم دید. این تولید گاز یا بخار ساطع شده از سوخت به عنوان پیرولیز نامیده می شود. زمانی که شعله ایجاد شد، انتقال حرارت از شعله به سطح سوخت ادامه پیدا می کند تا گازهای فرار بیشتری را خارج و فرایند احتراق را تداوم بخشد.
ادامه سوختن در حالت شعله ور به سرعت سوزاندن بالایی نیاز دارد و اتلاف حرارتی مربوط به انتقال گرما از ناحیه شعله توسط هدایت، همرفت و نور باید کمتر از انرژی خروجی آتش باشد. اگر اتلاف حرارتی بیشتر از انرژی خروجی آتش باشد، آتش خاموش خواهد شد.
هر دو حالت شعله ور و غیر شعله ور می تواند به صورت ترکیبی یا جداگانه رخ دهد. گازها و مایعات قابل اشتعال فقط در حالت شعله ور می سوزد. کاه، چوب و زغال سنگ از جمله نمونه هایی است که هر دو حالت ممکن است به طور همزمان برای آنها وجود داشته باشد.
احتراق شعله ور می تواند به شکل های زیر رخ دهد:
- شعله هایی که در آن سوخت و اکسیژن قبل از احتراق مخلوط می شود. مثلا شعله های روی مشعل بونسن (Bunsen)، مشعل پروپان یا اجاق گاز از جمله این موارد است.
- شعله های انتشار که رواج بیشتری دارد، جایی است که سوخت و اکسیژن در ابتدا جدا اما در محلی با یکدیگر مخصول شده و می سوزد. برای مثال می توان به سوختن یک کنده درخت اشاره کرد.
مراحل آتش سوزی
به طور کلی 3 مرحله برای آتش سوزی وجود دارد:
مرحله اولیه
مرحله اولیه منطقه ای است که در آن تقطیر، پیش گرم کردن و پیرولیز به صورت آهسته در حال انجام است. ذرات گاز و ریز میکرون توسط انتشار، حرکت هوا و حرکت همرفتی ضعیف تولید و به دور از منبع منتقل می شود که توسط شناوری محصولات حاصل از تجزیه در اثر حرارت تولید می شود.
مرحله دود کردن
در این مرحله، ناحیه ای از پیرولیز کاملا توسعه یافته است که با احتراق شروع می شود و شامل مرحله اولیه احتراق می شود. ذرات آئروسل نامرئی و دود مرئی با الگوهای همرفتی متوسط و حرکت هوای پس زمینه تولید شده و به دور از منبع منتقل می شود.
مرحله شعله ور شدن
این مرحله، منطقه ای از واکنش سریع است که دوره وقوع اولیه شعله تا یک آتش کامل توسعه یافته را پوشش می دهد. انتقال حرارت از آتش به طول کلی از تابش و همرفت از شعله انجام می شود.
کلاس های آتش
سوخت های قابل احتراق و قابل اشتعال در فرایند آتش سوزی به 5 دسته تقسیم می شود:
- آتش های کلاس A: آتش هایی است که شامل مواد جامد آلی مانند کاغذ، چوب و موارد مشابه است.
- آتش های کلاس B: آتش هایی است که شامل مایعات قابل اشتعال می شود.
- آتش های کلاس C: آتش هایی است که شامل گازهای قابل اشتعال می شود.
- آتش های کلاس D: آتش هایی است که فلزات را درگیر می کند.
- آتش های کلاس F: آتش هایی است که شامل روغن های پخت و پز می شود.
خلاصه ای در مورد آتش سوزی و مثلث آتش
برای آتش نیاز به یک منبع اشتعال خارجی به شکل جرقه، شعله یا اخگر داغ داریم. این منبع احتراق خارجی سوخت را در حضور اکسیژن گرم می کند و با گرم شدن سوخت و اکسیژن، فعالیت های مولکولی آنها افزایش خواهد یافت (مثلث آتش)
در صورتی که به اندازه کافی گرم شود، یک واکنش زنجیره ای شیمیایی یا فعالیت مولکولی خودپایدار بین سوخت و اکسیژن رخ خواهد داد (چهار وجهی آتش) این فرایند گرمایش را ادامه می دهد و واکنش زنجیره ای حاصل شده بدون نیاز به منبع احتراق خارجی شدت پیدا می کند.
احتراق تا زمانی ادامه پیدا می کند که:
- سوخت یا اکسیژن حذف شود
- تمامی سوخت یا اکسیدان های موجود مصرف شود
- دما به اندازه کافی کاهش پیدا کند
- تعداد مولکول های برانگیخته شده به طور قابل توجهی کاهش یافته و واکنش زنجیره ای می شکند
یعنی یکی از اجزای مثلث آتش که فهمیدیم در واقع چهار وجهی آتش یا هرم آتش است، باید حذف شود تا آتش خاموش شود.
انواع انفجار
انفجار به عنوان انتشار بسیار سریع گاز با فشار بالا در محیط توصیف می شود. انرژی حاصل از این آزاد شدن بسیار سریع تر از گاز پرفشار، به شکل موج ضربه ای تلف می شود.
انفجارها را می توان به صورت شیمیایی مانند انفجار دیگ بخار یا واکنش شیمیایی مخلوط گاز و به صورت فیزیکی مانند ترکیدن بالان طبقه بندی کرد. موضوع بحث در مورد انفجارهای شیمیایی است.
فرایند یک انفجار واکنش شیمیایی مانند به فرایند احتراق است که در آن یک سوخت و عامل اکسید کننده قبل از احتراق با یکدیگر ترکیب می شود. مانند بخارات نفت یا ذرات ریز غبار آرد که با هوا مخلوط می شود. با این حال، در یک انفجار فرایند اکسیداسیون با سرعت بسیار زیادی پیش می رود.
فرایند اکسیداسیون معمولا در یک محفظه مانند مخزن یا سیلو محدود می شود. به طوری که افزایش سریع فشار با یک جبهه شعله مرتبط رخ می دهد. به طور کلی این موج ضربه ای پر فشار است که باعث اثرات مخرب انفجار می شود.
امواج ضربه ای از نقطه اشتعال با سرعتی کمتر از سرعت صوت منتشر می شود. سرعت موج ضربه ای بیش از سرعت صوت را انفجار می گویند.
افزایش فشار ایجاد شده یک موج شک 6894.76 پاسکال برای به زمین انداختن یک انسان کفایت می کند. اگر افزایش فشار یک موج ضربه ای از 13789.52 پاسکال تا 20684.28 پاسکال ایجاد کند، برای شکستن یک دیوار بتنی 8 تا 12 اینچی کافی است. یک پاسکال (Pa) معادل با یک نیوتن بر متر مربع است.
