Ugnis yra dujinė medžiaga. Pradėkite nuo mokslo

14.11.2020

Degimo metu susidaro liepsna, kurios struktūra susidaro dėl reaguojančių medžiagų. Jo struktūra yra padalinta į regionus, priklausomai nuo temperatūros rodiklių.

Apibrėžimas

Liepsna – tai karštos dujos, kuriose plazmos komponentai arba medžiagos yra kietos, išsklaidytos formos. Jie atlieka fizinio ir cheminio tipo transformacijas, lydimas liuminescencijos, šiluminės energijos išsiskyrimo ir šildymo.

Joninių ir radikalų dalelių buvimas dujinėje terpėje apibūdina jos elektrinį laidumą ir ypatingą elgesį elektromagnetiniame lauke.

Kas yra liepsnos

Paprastai tai yra procesų, susijusių su degimu, pavadinimas. Palyginti su oru, dujų tankis yra mažesnis, tačiau dėl aukštos temperatūros dujos pakyla. Taip susidaro liepsnos, kurios yra ilgos ir trumpos. Dažnai vyksta sklandus perėjimas iš vienos formos į kitą.

Liepsna: struktūra ir struktūra

Norėdami nustatyti išvaizda Užtenka padegti aprašytą reiškinį.Išsivysčiusi nešviečianti liepsna negali būti vadinama vienalyte. Vizualiai galima išskirti tris pagrindines sritis. Beje, liepsnos struktūros tyrimas rodo, kad įvairios medžiagos dega susidarant kitokio tipo deglui.

Deginant dujų ir oro mišinį, pirmiausia susidaro trumpas deglas, kurio spalva yra mėlynos ir violetinės spalvos. Jame matoma šerdis – žaliai mėlyna, primenanti kūgį. Apsvarstykite šią liepsną. Jo struktūra suskirstyta į tris zonas:

Paskirkite paruošiamąją zoną, kurioje dujų ir oro mišinys šildomas prie degiklio angos išleidimo angos.
Po jos seka zona, kurioje vyksta degimas. Jis užima kūgio viršų.
Kai trūksta oro srauto, dujos nedega iki galo. Išsiskiria dvivalentis anglies oksidas ir vandenilio likučiai. Jų deginimas vyksta trečioje srityje, kur yra deguonies prieiga.

Dabar mes atskirai apsvarstysime skirtingus degimo procesus.

Žvakių deginimas

Žvakės deginimas panašus į degtuko ar žiebtuvėlio deginimą. O žvakės liepsnos struktūra primena karštą dujų srovę, kuri dėl plūduriuojančių jėgų patraukiama aukštyn. Procesas prasideda nuo dagčio kaitinimo, po to išgarinamas parafinas.

Žemiausia zona, esanti viduje ir greta sriegio, vadinama pirmąja sritimi. Jis turi nedidelį švytėjimą dėl didelio kuro kiekio, bet mažo deguonies mišinio tūrio. Čia atliekamas nevisiško medžiagų degimo procesas, kurių išsiskyrimas toliau oksiduojamas.

Pirmąją zoną supa šviečiantis antrasis apvalkalas, kuris apibūdina žvakės liepsnos struktūrą. Į jį patenka didesnis deguonies kiekis, dėl kurio tęsiasi oksidacinė reakcija dalyvaujant kuro molekulėms. Temperatūros indikatoriai čia bus aukštesni nei tamsiojoje zonoje, tačiau jų nepakaks galutiniam skilimui. Būtent pirmosiose dviejose srityse atsiranda šviesos efektas, kai nesudegusio kuro ir anglies dalelių lašeliai stipriai įkaista.

Antroji zona yra apsupta nepastebimo apvalkalo su aukštomis temperatūros vertėmis. Į jį patenka daug deguonies molekulių, kurios prisideda prie visiško kuro dalelių degimo. Po medžiagų oksidacijos trečioje zonoje šviesos efektas nepastebimas.

Scheminis vaizdavimas

Aiškumo dėlei pateikiame jūsų dėmesiui degančios žvakės vaizdą. Liepsnos schema apima:

Pirmoji arba tamsi sritis.
Antroji šviesos zona.
Trečias skaidrus apvalkalas.

Žvakės siūlas nedega, o tik sulenktas galas suanglėja.

Dega spiritinė lempa

Cheminiams eksperimentams dažnai naudojami nedideli alkoholio bakai. Jie vadinami alkoholio lempomis. Degiklio dagtis mirkoma užpildyta per skylę skystas kuras. Tai palengvina kapiliarinis slėgis. Pasiekus laisvą dagčio viršų, alkoholis pradeda garuoti. Garų būsenoje jis užsidega ir dega ne aukštesnėje kaip 900 °C temperatūroje.

Spiritinės lempos liepsna yra įprastos formos, beveik bespalvė, šiek tiek mėlynos spalvos. Jos zonos nėra taip aiškiai matomos kaip žvakės.

Mokslininko Bartelio vardu pavadinta ugnies pradžia yra virš kaitrinės degiklio tinklelio. Dėl tokio liepsnos gilėjimo sumažėja vidinis tamsus kūgis, o vidurinė dalis iškyla iš skylės, kuri laikoma karščiausia.

Spalvos charakteristika

Skirtingą spinduliuotę sukelia elektroniniai perėjimai. Jie taip pat vadinami terminiais. Taigi, dėl angliavandenilio komponento degimo oro aplinka, mėlyna liepsna atsiranda dėl išleidimo H-C jungtys. O kai išsiskiria C-C dalelės, žibintuvėlis nusidažo oranžiškai raudonai.

Sunku atsižvelgti į liepsnos struktūrą, kurios chemija apima vandens, anglies dioksido ir anglies monoksido junginius, OH ryšį. Jo liežuviai praktiškai bespalviai, nes degdamos minėtos dalelės skleidžia ultravioletinę ir infraraudonąją spinduliuotę.

Liepsnos spalva yra tarpusavyje susijusi su temperatūros indikatoriais, joje yra joninių dalelių, priklausančių tam tikram emisijos ar optiniam spektrui. Taigi, kai kurių elementų degimas lemia degiklio ugnies spalvos pasikeitimą. Plunksnos spalvos skirtumai yra susiję su elementų išsidėstymu skirtingose periodinės sistemos grupėse.

Spektroskopu tiriama ugnis, ar nėra spinduliuotės, susijusios su matomu spektru. Tuo pačiu metu buvo nustatyta, kad paprastos medžiagos iš bendro pogrupio taip pat turi panašią liepsnos spalvą. Siekiant aiškumo, natrio deginimas naudojamas kaip šio metalo bandymas. Pakėlus į liepsną, liežuviai pasidaro ryškiai geltoni. Remiantis spalvos charakteristikomis, natrio linija išskiriama emisijos spektre.

Už būdingą greito atominių dalelių šviesos spinduliavimo sužadinimo savybę. Kai mažai lakūs tokių elementų junginiai įvedami į Bunseno degiklio ugnį, ji nuspalvinama.

Spektroskopinis tyrimas rodo būdingas linijas žmogaus akiai matomoje srityje. Šviesos spinduliuotės sužadinimo greitis ir paprasta spektrinė struktūra yra glaudžiai susiję su aukšta šių metalų elektropozityvia charakteristika.

Charakteristika

Liepsnos klasifikacija grindžiama šiomis savybėmis:

suminė degančių junginių būsena. Jie būna dujinės, aerodispersinės, kietos ir skystos formos;
spinduliuotės tipas, kuris gali būti bespalvis, šviesus ir spalvotas;
paskirstymo greitis. Yra greitas ir lėtas plitimas;
liepsnos aukštis. Struktūra gali būti trumpa ir ilga;
reaguojančių mišinių judėjimo pobūdis. Paskirstyti pulsuojantį, laminarinį, turbulentinį judėjimą;
vizualinis suvokimas. Medžiagos dega išskirdamos dūminę, spalvotą ar skaidrią liepsną;
temperatūros indikatorius. Liepsna gali būti žemos, šaltos ir aukštos temperatūros.
fazės kuro būsena - oksidatorius.

Uždegimas įvyksta dėl aktyvių komponentų difuzijos arba išankstinio sumaišymo.

Oksidacijos ir redukcijos sritis

Oksidacijos procesas vyksta nepastebimoje zonoje. Ji yra karščiausia ir yra viršuje. Jame kuro dalelės visiškai sudega. O deguonies perteklius ir degalų trūkumas sukelia intensyvų oksidacijos procesą. Ši funkcija turėtų būti naudojama kaitinant daiktus virš degiklio. Štai kodėl medžiaga panardinama į viršutinę liepsnos dalį. Toks degimas vyksta daug greičiau.

Redukcijos reakcijos vyksta centrinėje ir apatinėje liepsnos dalyse. Jame yra daug degiųjų medžiagų ir nedidelis kiekis O 2 molekulių, kurios atlieka degimą. Įvedus į šias sritis, O elementas nutrūksta.

Kaip redukuojančios liepsnos pavyzdys naudojamas geležies sulfato skaidymo procesas. Kai FeSO 4 patenka į centrinę degiklio liepsnos dalį, jis pirmiausia įkaista, o vėliau suyra į geležies oksidą, anhidridą ir sieros dioksidą. Šioje reakcijoje stebimas S sumažėjimas su krūviu nuo +6 iki +4.

suvirinimo liepsna

Šio tipo gaisras susidaro dėl dujų arba skystų garų mišinio su deguonimi degimo švariame ore.

Pavyzdys yra deguonies-acetileno liepsnos susidarymas. Jame pabrėžiama:

šerdies zona;
vidutinis atsigavimo plotas;
liepsnos pabaigos zona.

Taip dega daug dujų ir deguonies mišinių. Acetileno ir oksidanto santykio skirtumai lemia skirtingo tipo liepsna. Tai gali būti normali, angliavandenių (acetileno) ir oksiduojančios struktūros.

Teoriškai nepilno acetileno degimo gryname deguonyje procesą galima apibūdinti tokia lygtimi: HCCH + O 2 → H 2 + CO + CO (reakcijai reikalingas vienas molis O 2).

Susidaręs molekulinis vandenilis ir anglies monoksidas reaguoja su oro deguonimi. galutiniai produktai yra vanduo ir keturiavalentis anglies monoksidas. Lygtis atrodo taip: CO + CO + H 2 + 1½O 2 → CO 2 + CO 2 + H 2 O. Šiai reakcijai reikia 1,5 molio deguonies. Susumavus O 2, paaiškėja, kad 1 moliui HCCH išleidžiama 2,5 mol. Ir kadangi praktiškai sunku rasti idealiai gryną deguonį (dažnai jis yra šiek tiek užterštas priemaišomis), O 2 ir HCCH santykis bus nuo 1,10 iki 1,20.

Kai deguonies ir acetileno santykis yra mažesnis nei 1,10, atsiranda karbiuruojanti liepsna. Jo struktūra padidinta šerdimi, jos kontūrai tampa neryškūs. Dėl deguonies molekulių trūkumo iš tokio gaisro išsiskiria suodžiai.

Jei dujų santykis yra didesnis nei 1,20, tada gaunama oksiduojanti liepsna su deguonies pertekliumi. Jo perteklinės molekulės sunaikina geležies atomus ir kitus plieno degiklio komponentus. Tokioje liepsnoje branduolinė dalis tampa trumpa ir turi taškų.

Temperatūros indikatoriai

Kiekviena žvakės ar degiklio ugnies zona turi savo reikšmę dėl deguonies molekulių tiekimo. Atviros liepsnos temperatūra įvairiose jos dalyse svyruoja nuo 300 °C iki 1600 °C.

Pavyzdys yra difuzinė ir laminarinė liepsna, kurią sudaro trys apvalkalai. Jo kūgį sudaro tamsus plotas, kurio temperatūra siekia iki 360 ° C, o oksidatoriaus trūkumas. Virš jo yra švytėjimo zona. Jo temperatūros indikatorius svyruoja nuo 550 iki 850 ° C, o tai prisideda prie terminio degiojo mišinio skilimo ir jo degimo.

Išorinė sritis vos matoma. Jame liepsnos temperatūra pasiekia 1560 ° C, o tai yra dėl natūralių savybių kuro molekulės ir oksiduojančios medžiagos patekimo greitis. Čia degimas yra energingiausias.

Medžiagos užsidega skirtingai temperatūros sąlygos. Taigi metalinis magnis dega tik 2210 °C temperatūroje. Daugeliui kietųjų medžiagų liepsnos temperatūra yra apie 350°C. Degtukus ir žibalą galima užsidegti 800 °C temperatūroje, o mediena – nuo 850 °C iki 950 °C.

Cigaretė dega liepsna, kurios temperatūra svyruoja nuo 690 iki 790 °C, o propano-butano mišinyje - nuo 790 °C iki 1960 °C. Benzinas užsidega 1350°C temperatūroje. Degančio alkoholio liepsnos temperatūra ne aukštesnė kaip 900 °C.

Kaip prakeikti tamsą
geriau jį apšviesti
viena maža žvakė.
Konfucijus

Pradžioje

Pirmieji bandymai suprasti degimo mechanizmą siejami su anglo Roberto Boyle'o, prancūzo Antoine'o Laurent'o Lavoisier ir ruso Michailo Vasiljevičiaus Lomonosovo vardais. Paaiškėjo, kad degant medžiaga niekur „neišnyksta“, kaip kadaise naiviai buvo tikima, o virsta kitomis medžiagomis, dažniausiai dujinėmis ir todėl nematomomis. Lavoisier 1774 m. pirmą kartą parodė, kad maždaug penktadalis oro išeina iš oro degimo metu. XIX amžiuje mokslininkai išsamiai ištyrė fizikinius ir cheminius procesus, kurie vyksta kartu su degimu. Tokių darbų poreikį pirmiausia lėmė gaisrai ir sprogimai kasyklose.

Tačiau tik paskutiniame XX amžiaus ketvirtyje buvo nustatytos pagrindinės cheminės reakcijos, lydinčios degimą, ir iki šių dienų liepsnos chemijoje yra išlikę daug tamsių dėmių. Juos tyrinėja šiuolaikiniai metodai daugelyje laboratorijų. Šie tyrimai turi keletą tikslų. Viena vertus, būtina optimizuoti degimo procesus CHP krosnyse ir variklio cilindruose. vidaus degimas, siekiant išvengti sprogstamojo degimo (detonacijos), kai automobilio cilindre suspaudžiamas oro ir benzino mišinys. Kita vertus, skaičių mažinti būtina kenksmingų medžiagų susidarančių degimo proceso metu, o kartu – ieškoti efektyvesnių gaisro gesinimo priemonių.

Yra dviejų rūšių liepsnos. Kuras ir oksidatorius (dažniausiai deguonis) gali būti priverstinai arba spontaniškai tiekiami į degimo zoną atskirai ir sumaišomi jau liepsnoje. Ir juos galima maišyti iš anksto – tokie mišiniai gali degti ar net sprogti, kai nėra oro, pavyzdžiui, parakas, pirotechnikos mišiniai fejerverkams, raketų kuras. Degimas gali vykti tiek dalyvaujant deguoniui, kuris su oru patenka į degimo zoną, tiek naudojant deguonį, esantį oksiduojančioje medžiagoje. Viena iš šių medžiagų yra Bertoleto druska (kalio chloratas KClO 3); ši medžiaga lengvai išskiria deguonį. Stiprus oksidatorius yra azoto rūgštis HNO 3: gryna ji uždega daugelį organinės medžiagos. Nitratai, azoto rūgšties druskos (pavyzdžiui, trąšų pavidalu – kalio ar amonio salietros), yra labai degūs, jei susimaišę su degiomis medžiagomis. Kitas galingas oksidatorius N 2 O 4 azoto tetroksidas yra raketų kuro komponentas. Deguonį taip pat galima pakeisti tokiomis stipriomis oksiduojančiomis medžiagomis kaip, pavyzdžiui, chloras, kuriame dega daug medžiagų, arba fluoras. Grynas fluoras yra vienas stipriausių oksidatorių, jo srove dega vanduo.

grandininės reakcijos

Degimo ir liepsnos plitimo teorijos pagrindai buvo padėti praėjusio amžiaus 20-ųjų pabaigoje. Dėl šių tyrimų buvo aptiktos šakotos grandininės reakcijos. Už šį atradimą buitinis fizikochemikas Nikolajus Nikolajevičius Semenovas ir anglų tyrinėtojas Cyril Hinshelwood buvo apdovanoti 1956 m. Nobelio premija chemijoje. Paprastesnes nešakotąsias grandinines reakcijas dar 1913 metais atrado vokiečių chemikas Maxas Bodensteinas, kaip pavyzdį naudodamas vandenilio reakciją su chloru. Iš viso reakcija išreiškiama paprasta lygtimi H 2 + Cl 2 = 2HCl. Tiesą sakant, jame dalyvauja labai aktyvūs molekulių fragmentai – vadinamieji laisvieji radikalai. Veikiant šviesai ultravioletinėje ir mėlynojoje spektro srityse arba aukštoje temperatūroje chloro molekulės skyla į atomus, kurie pradeda ilgą (kartais iki milijono grandžių) virsmų grandinę; kiekviena iš šių transformacijų vadinama elementaria reakcija:

Cl + H2 → HCl + H,
H + Cl 2 → HCl + Cl ir kt.

Kiekvienoje stadijoje (reakcijos grandyje) vienas aktyvus centras (vandenilio arba chloro atomas) išnyksta ir tuo pačiu atsiranda naujas aktyvus centras, tęsiantis grandinę. Grandinės nutrūksta, kai susitinka dvi aktyvios rūšys, pavyzdžiui, Cl + Cl → Cl 2 . Kiekviena grandinė plinta labai greitai, todėl jei „originalios“ aktyviosios dalelės bus generuojamos dideliu greičiu, reakcija vyks taip greitai, kad gali sukelti sprogimą.

N. N. Semenovas ir Hinshelwoodas išsiaiškino, kad fosforo ir vandenilio garų degimo reakcijos vyksta skirtingai: menkiausia kibirkštis ar atvira liepsna gali sukelti sprogimą net tada, kai kambario temperatūra. Šios reakcijos yra šakotos grandinės: reakcijos metu „dauginasi“ aktyvios dalelės, tai yra, kai viena aktyvi dalelė išnyksta, atsiranda dvi ar trys. Pavyzdžiui, vandenilio ir deguonies mišinyje, kuris gali būti saugiai laikomas šimtus metų, jei nėra išorinio poveikio, aktyvių vandenilio atomų atsiradimas dėl vienokių ar kitokių priežasčių sukelia tokį procesą:

H + O 2 → OH + O,
O + H2 → OH + H.

Taigi per nereikšmingą laiką viena aktyvi dalelė (H atomas) virsta trimis (vandenilio atomas ir du OH hidroksilo radikalai), kurie vietoj vienos grandinės jau paleidžia tris. Dėl to grandinių skaičius auga kaip lavina, o tai akimirksniu sukelia vandenilio ir deguonies mišinio sprogimą, nes šioje reakcijoje išsiskiria daug šiluminės energijos. Deguonies atomų yra liepsnoje ir degant kitoms medžiagoms. Juos galima aptikti nukreipus suspausto oro srovę per degiklio liepsnos viršų. Tuo pačiu metu ore bus rastas būdingas ozono kvapas - tai deguonies atomai, „prilipę“ prie deguonies molekulių, susidarant ozono molekulėms: O + O 2 \u003d O 3, kurios buvo paimtos iš liepsnos. šaltu oru.

Deguonies (arba oro) mišinio su daugeliu degiųjų dujų – vandenilio, anglies monoksido, metano, acetileno – sprogimo galimybė priklauso nuo sąlygų, daugiausia nuo mišinio temperatūros, sudėties ir slėgio. Taigi, jei dėl buitinių dujų nuotėkio virtuvėje (jų daugiausia sudaro metanas) jų kiekis ore viršija 5%, tada mišinys sprogs nuo degtuko ar žiebtuvėlio liepsnos ir net nuo maža kibirkštis, kuri išslydo pro jungiklį, kai buvo įjungta šviesa. Jei grandinės nutrūks greičiau nei gali išsišakoti, sprogimo nebus. Štai kodėl buvo sukurta saugi kalnakasių lempa, kurią anglų chemikas Humphry Davy sukūrė 1816 m., nieko nežinodamas apie liepsnos chemiją. Šioje lempoje atvira ugnis buvo atskirta nuo išorinės atmosferos (kuri gali būti sprogi) smulkiu metaliniu tinkleliu. Ant metalo paviršiaus aktyvios dalelės efektyviai išnyksta, virsdamos stabiliomis molekulėmis, todėl negali prasiskverbti į išorinę aplinką.

Visas šakotųjų grandininių reakcijų mechanizmas yra labai sudėtingas ir gali apimti daugiau nei šimtą elementarių reakcijų. Šakotosios grandinės reakcijos apima daugybę neorganinių ir organinių junginių oksidacijos ir degimo reakcijų. Tokia pati bus sunkiųjų elementų, tokių kaip plutonis ar uranas, branduolio dalijimosi reakcija, veikiant neutronams, kurie cheminėse reakcijose veikia kaip aktyvių dalelių analogai. Įsiskverbę į sunkaus elemento branduolį, neutronai sukelia jo skilimą, kurį lydi labai didelės energijos išsiskyrimas; Tuo pačiu metu iš branduolio išsiskiria nauji neutronai, kurie sukelia gretimų branduolių dalijimąsi. Panašiais matematiniais modeliais aprašomi cheminiai ir branduolių išsišakojimų grandinės procesai.

Ko reikia norint pradėti

Kad degimas prasidėtų, turi būti įvykdytos kelios sąlygos. Visų pirma, degiosios medžiagos temperatūra turi viršyti tam tikrą ribinę vertę, kuri vadinama užsidegimo temperatūra. Garsusis Ray Bradbury romanas „Farenheitas 451“ taip pavadintas, nes popierius dega maždaug tokioje temperatūroje (233 °C). Tai yra „pliūpsnio temperatūra“, kurią viršijus kietasis kuras išskiria degius garus arba dujinius skilimo produktus, kurių reikia tvariai sudeginti. Apytiksliai tokia pati užsidegimo temperatūra sausai pušies medienai.

Liepsnos temperatūra priklauso nuo degios medžiagos pobūdžio ir degimo sąlygų. Taigi metano liepsnoje ore temperatūra siekia 1900°C, o degant deguonyje – 2700°C. Dar karštesnė liepsna susidaro gryname deguonyje deginant vandenilį (2800°C) ir acetileną (3000°C). Nenuostabu, kad acetileno degiklio liepsna lengvai pjauna beveik bet kokį metalą. Aukščiausią temperatūrą, apie 5000 ° C (ji įrašyta į Gineso rekordų knygą), deginant deguonimi, suteikia žemai verdantis skystis - anglies subnitridas С 4 N 2 (ši medžiaga turi dicianoacetileno struktūrą NC– C=C–CN). Ir pagal kai kuriuos pranešimus, kai jis dega ozono atmosferoje, temperatūra gali siekti iki 5700 ° C. Jei šis skystis užsidegs ore, jis sudegs raudona dūmine liepsna su žaliai violetiniu kraštu. Kita vertus, žinomos ir šaltos liepsnos. Taigi, pavyzdžiui, fosforo garai dega esant žemam slėgiui. Santykinai šalta liepsna taip pat gaunama oksiduojant anglies disulfidą ir lengvuosius angliavandenilius tam tikromis sąlygomis; Pavyzdžiui, propanas gamina šaltą liepsną esant sumažintam slėgiui ir 260–320°C temperatūrai.

Tik paskutiniame XX amžiaus ketvirtyje pradėtas aiškintis daugelio degiųjų medžiagų liepsnoje vykstančių procesų mechanizmas. Šis mechanizmas yra labai sudėtingas. Pradinės molekulės paprastai yra per didelės, kad jas būtų galima tiesiogiai paversti reakcijos produktais reaguojant su deguonimi. Taigi, pavyzdžiui, oktano, vieno iš benzino komponentų, degimas išreiškiamas lygtimi 2C 8 H 18 + 25O 2 \u003d 16CO 2 + 18H 2 O. Tačiau visi 8 anglies atomai ir 18 vandenilio atomų oktaninė molekulė jokiu būdu negali jungtis su 50 deguonies atomų vienu metu: tam reikia nutraukti daug cheminių ryšių ir susidaryti daug naujų. Degimo reakcija vyksta daugybe etapų – taip, kad kiekvienoje stadijoje nutrūksta ir susidaro tik nedidelis skaičius cheminių ryšių, o procesas susideda iš daugybės iš eilės einančių elementariųjų reakcijų, kurių visuma stebėtojui atrodo kaip liepsna. Sunku tirti elementarias reakcijas, visų pirma todėl, kad reaktyvių tarpinių dalelių koncentracijos liepsnoje yra itin mažos.

Liepsnos viduje

Įvairių liepsnos dalių optinis zondavimas lazerių pagalba leido nustatyti ten esančių aktyviųjų dalelių – kuro molekulių fragmentų – kokybinę ir kiekybinę sudėtį. Paaiškėjo, kad net ir iš pažiūros paprastoje vandenilio degimo reakcijoje deguonyje 2H 2 + O 2 = 2H 2 O, dalyvaujant molekulėms O 2, H 2, O 3, H 2 O 2, įvyksta daugiau nei 20 elementarių reakcijų, H 2 O, aktyvios dalelės H, O, OH, BET 2. Štai, pavyzdžiui, apie šią reakciją 1937 m. rašė anglų chemikas Kennethas Bailey: „Vandenilio ir deguonies susijungimo reakcijos lygtis yra pirmoji lygtis, su kuria susipažįsta dauguma pradedančiųjų chemiją studijuoti. Ši reakcija jiems atrodo labai paprasta. Tačiau net profesionalūs chemikai kiek nustebę pamato šimto puslapių knygą „Deguonies reakcija su vandeniliu“, kurią 1934 m. išleido Hinshelwood ir Williamson. Prie to galima pridurti, kad 1948 metais buvo išleista daug didesnė A. B. Nalbandyano ir V. V. Voevodskio monografija pavadinimu „Vandenilio oksidacijos ir degimo mechanizmas“.

Šiuolaikiniai tyrimo metodai leido ištirti atskirus tokių procesų etapus, išmatuoti įvairių aktyvių dalelių tarpusavio sąveikos ir su stabiliomis molekulėmis greitį. skirtingos temperatūros. Žinant atskirų proceso etapų mechanizmą, galima „surinkti“ visą procesą, tai yra imituoti liepsną. Tokio modeliavimo sudėtingumas slypi ne tik viso elementariųjų cheminių reakcijų komplekso ištyrime, bet ir būtinybėje atsižvelgti į dalelių difuzijos, šilumos perdavimo ir konvekcinių srautų liepsnoje procesus (būtent pastarieji organizuoja kerintis degančios ugnies liežuvių žaismas).

Iš kur viskas atsiranda

Pagrindinis kuras moderni pramonė- angliavandeniliai, pradedant nuo paprasčiausių metano ir baigiant sunkiaisiais angliavandeniliais, kurių yra mazute. Net ir paprasčiausio angliavandenilio – metano – liepsna gali apimti iki šimto elementarių reakcijų. Tačiau ne visi jie buvo pakankamai išsamiai ištirti. Kai sunkieji angliavandeniliai, tokie kaip esantys parafine, dega, jų molekulės negali pasiekti degimo zonos ir lieka nepažeistos. Jie vis dar pakeliui į liepsną aukštos temperatūros suskilti į fragmentus. Šiuo atveju grupės, turinčios du anglies atomus, paprastai yra atskiriamos nuo molekulių, pavyzdžiui, C 8 H 18 → C 2 H 5 + C 6 H 13. Aktyvios rūšys, turinčios nelyginį anglies atomų skaičių, gali atskirti vandenilio atomus, sudarydamos junginius su dvigubomis C=C ir trigubomis C≡C jungtimis. Nustatyta, kad liepsnoje tokie junginiai gali sukelti reakcijas, kurios anksčiau nebuvo žinomos chemikams, nes jie neišeina už liepsnos ribų, pavyzdžiui, C 2 H 2 + O → CH 2 + CO, CH 2 + O 2 → CO 2 + H + N.

Palaipsniui pradinėms molekulėms praradus vandenilį, jose didėja anglies dalis, kol susidaro C 2 H 2, C 2 H, C 2 dalelės. Mėlyna-mėlyna liepsnos zona atsiranda dėl švytėjimo šioje zonoje sužadintų C 2 ir CH dalelių. Jei deguonies patekimas į degimo zoną yra ribotas, tai šios dalelės nesioksiduoja, o surenkamos į agregatus – polimerizuojasi pagal schemą C 2 H + C 2 H 2 → C 4 H 2 + H, C 2 H + C 4 H 2 → C 6 H 2 + H ir kt.

Dėl to susidaro suodžių dalelės, kurias sudaro beveik vien anglies atomai. Jie yra mažų iki 0,1 mikrometro skersmens rutuliukų pavidalo, kuriuose yra maždaug vienas milijonas anglies atomų. Tokios dalelės aukštoje temperatūroje suteikia gerai šviečiančią geltoną liepsną. Žvakės liepsnos viršuje šios dalelės išdega, todėl žvakė nerūko. Jei šios aerozolio dalelės toliau prilimpa, susidaro didesnės suodžių dalelės. Dėl to liepsna (pavyzdžiui, deganti guma) išskiria juodus dūmus. Tokie dūmai atsiranda, jei pradiniame kure padidėja anglies ir vandenilio santykis. Pavyzdys yra terpentinas - angliavandenilių mišinys, kurio sudėtis yra C 10 H 16 (C n H 2n–4), benzenas C 6 H 6 (C n H 2n–6), kiti degūs skysčiai, kuriuose trūksta vandenilio - jie visi dūmai degimo metu. Dūminė ir ryškiai šviečianti liepsna duoda ore degantį acetileną C 2 H 2 (C n H 2n–2); kadaise tokia liepsna buvo naudojama acetileno žibintuose, montuojamuose ant dviračių ir automobilių, kalnakasių lempose. Ir atvirkščiai: angliavandeniliai su dideliu vandenilio kiekiu - metanas CH 4, etanas C 2 H 6, propanas C 3 H 8, butanas C 4 H 10 ( bendroji formulė C n H 2n+2) - dega, kai pakankamai oro patenka beveik bespalve liepsna. Propano ir butano mišinys skysčio pavidalu, esant nedideliam slėgiui, randamas žiebtuvėliuose, taip pat vasaros gyventojų ir turistų naudojamuose balionuose; tie patys balionai montuojami dujomis varomuose automobiliuose. Visai neseniai buvo nustatyta, kad suodžiuose dažnai yra sferinių molekulių, susidedančių iš 60 anglies atomų; jie buvo vadinami fullerenais, o šios naujos anglies formos atradimą paskelbė 1996 m. Nobelio chemijos premija.

Ilgalaikė grandininė reakcija, apimanti degimą, kuri yra egzoterminė reakcija, kurios metu oksidatorius, dažniausiai deguonis, oksiduoja kurą, dažniausiai anglį, todėl susidaro degimo produktai, tokie kaip anglies dioksidas, vanduo, šiluma ir šviesa. Tipiškas pavyzdys yra metano deginimas:

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O

Degimo metu susidaranti šiluma gali būti panaudota pačiam degimui kurstyti, o tuo atveju, kai to pakanka ir degimui palaikyti nereikia papildomos energijos, kyla gaisras. Norėdami sustabdyti ugnį, galite pašalinti kurą (išjungti krosnelės degiklį), oksidatorių (uždengti ugnį specialia medžiaga), šildyti (ugnį apšlakstyti vandeniu), arba pačią reakciją.

Degimas tam tikra prasme yra fotosintezės priešingybė – endoterminė reakcija, kurios metu dalyvauja šviesa, vanduo ir anglies dioksidas, gaminant anglį.

Kyla pagunda manyti, kad celiuliozėje esanti anglis naudojama deginant medieną. Tačiau atrodo, kad vyksta kažkas sudėtingesnio. Veikiant šilumai medienai vyksta pirolizė (skirtingai nuo degimo, kuriai nereikia deguonies), paverčiant ją labiau degiomis medžiagomis, pavyzdžiui, dujomis, ir būtent šios medžiagos užsidega gaisruose.

Jei mediena dega pakankamai ilgai, liepsna užges, tačiau rūks ir toliau, o ypač mediena toliau švytės. Rūkymas yra nepilnas degimas, dėl kurio, skirtingai nei visiškas deginimas, susidaro anglies monoksidas.

Kasdieniai daiktai nuolat skleidžia šilumą, kurios didžioji dalis yra infraraudonųjų spindulių. Jo bangos ilgis yra ilgesnis nei matomos šviesos, todėl be specialių kamerų jo pamatyti nepavyks. Ugnis yra pakankamai ryški, kad skleistų matomą šviesą, nors ji taip pat turi pakankamai infraraudonųjų spindulių.

Kitas spalvos atsiradimo gaisre mechanizmas yra sudegusio objekto emisijos spektras. Skirtingai nuo juodųjų kūno spindulių, spinduliuotės spektras turi atskirus dažnius. Taip yra dėl to, kad elektronai tam tikrais dažniais generuoja fotonus, pereinančius iš didelės energijos būsenos į mažos energijos būseną. Šiuos dažnius galima naudoti norint nustatyti, kurie elementai yra imtyje. Panaši idėja (naudojant sugerties spektrą) naudojama žvaigždžių sudėčiai nustatyti. Emisijos spektras taip pat yra atsakingas už fejerverkų ir spalvotos ugnies spalvą.

Liepsnos forma Žemėje priklauso nuo gravitacijos. Kai ugnis įkaitina aplinkinį orą, vyksta konvekcija: karštas oras, kuriame, be kita ko, yra karštų pelenų, kyla aukštyn, o šaltas (su deguonies) skęsta, palaikydamas ugnį ir suteikdamas liepsnai formą. Pavyzdžiui, esant žemai gravitacijai kosminė stotis, taip nebūna. Ugnis varoma deguonies difuzija, todėl dega lėčiau ir rutulio pavidalu (kadangi dega tik ten, kur ugnis liečiasi su deguonies turinčiu oru. Sferos viduje deguonies nelieka).

Juodos kūno spinduliuotės

Juodojo kūno spinduliuotė apibūdinama Plancko formule, kuri nurodo kvantinę mechaniką. Istoriškai tai buvo vienas pirmųjų kvantinės mechanikos pritaikymų. Jį galima išvesti iš kvantinės statistinės mechanikos tokiu būdu.

Apskaičiuojame dažnio pasiskirstymą fotono dujose esant temperatūrai T. Tai, kad jis sutampa su tokios pat temperatūros absoliučiai juodo kūno skleidžiamų fotonų dažnių pasiskirstymu, išplaukia iš Kirchhoffo spinduliavimo dėsnio. Idėja yra ta, kad juodąjį kūną galima pasiekti šiluminėje pusiausvyroje su fotonų dujomis (nes jų temperatūra yra tokia pati). Fotonų dujas sugeria juodasis kūnas, kuris taip pat skleidžia fotonus, todėl pusiausvyrai būtina, kad kiekvienam dažniui, kuriuo juodasis kūnas skleidžia spinduliuotę, jis sugertų ją tokiu pačiu greičiu, kurį lemia dažnio pasiskirstymas dujų.

Statistinėje mechanikoje tikimybė, kad sistema bus mikrobūsenoje s, jei ji yra šiluminėje pusiausvyroje esant temperatūrai T, yra proporcinga

Kur E s yra būsenos s energija, o β = 1 / k B T arba termodinaminė beta (T yra temperatūra, k B yra Boltzmanno konstanta). Tai yra Boltzmann paskirstymas. Vienas iš to paaiškinimų pateikiamas Terence'o Tao tinklaraščio įraše. Tai reiškia, kad tikimybė yra

P s = (1/Z(β)) * e - β E s

Kur Z(β) yra normalizavimo konstanta

Z(β) = ∑ s e - β E s

Norint apibūdinti fotonų dujų būseną, reikia ką nors žinoti apie fotonų kvantinį elgesį. Su standartiniu kvantavimu elektromagnetinis laukasį lauką galima žiūrėti kaip į kvantinių harmoninių virpesių rinkinį, kurių kiekvienas svyruoja skirtingais kampiniais dažniais ω. Harmoninio osciliatoriaus savosios būsenos energijos žymimos neneigiamu sveikuoju skaičiumi n ∈ ℤ ≥ 0 , kuris gali būti interpretuojamas kaip ω dažnio fotonų skaičius. Būdingos energijos (iki konstantos):

Savo ruožtu kvantinė normalizavimo konstanta numato, kad esant žemiems dažniams (palyginti su temperatūra) klasikinis atsakymas yra maždaug teisingas, tačiau esant aukštiems dažniams vidutinė energija krinta eksponentiškai, o kritimas didėja esant žemesnei temperatūrai. Taip yra todėl, kad esant aukštiems dažniams ir žemai temperatūrai, kvantinis harmoninis generatorius didžiąją laiko dalį praleidžia pagrindinėje būsenoje ir ne taip lengvai pereina į kitą lygį, o tai yra eksponentiškai mažiau tikėtina. Fizikai teigia, kad didžioji dalis šio laisvės laipsnio (osciliatoriaus laisvė svyruoti tam tikru dažniu) yra „užšaldyta“.

Būsenų tankis ir Plancko formulė

Dabar, žinant, kas vyksta tam tikru dažniu ω, reikia susumuoti visus galimus dažnius. Ši skaičiavimų dalis yra klasikinė ir nereikia daryti jokių kvantinių pataisymų.

Naudojame standartinį supaprastinimą, kad fotonų dujos yra uždarytos tūryje, kurio kraštinė ilgis L su periodinėmis ribinėmis sąlygomis (tai yra, iš tikrųjų tai bus plokščias toras T = ℝ 3 / L ℤ 3). Galimi dažniai klasifikuojami pagal elektromagnetinių bangų lygties sprendimus stovinčioms bangoms tūryje su nurodytomis ribinėmis sąlygomis, kurios, savo ruožtu, iki koeficiento atitinka Laplaso Δ savąsias vertes. Tiksliau, jei Δ υ = λ υ, kur υ(x) yra lygi funkcija T → ℝ, tai atitinkamas stovinčios bangos elektromagnetinės bangos lygties sprendimas yra

υ(t, x) = e c √λ t υ(x)

Taigi, atsižvelgiant į tai, kad λ paprastai yra neigiamas, taigi √λ paprastai yra įsivaizduojamas, atitinkamas dažnis būtų

ω = c√(-λ)

Toks dažnis atsiranda silpnai V λ kartų, kur V λ yra Laplaso λ savoji reikšmė.

Sąlygas supaprastiname naudodami tūrį su periodinėmis ribinėmis sąlygomis, nes tokiu atveju labai lengva užrašyti visas Laplaso savąsias funkcijas. Jei naudojamas dėl paprastumo kompleksiniai skaičiai, tada jie apibrėžiami kaip

υ k (x) = e i k x

Kur k = (k 1 , k 2 , k 3) ∈ 2 π / L * ℤ 3 , bangos vektorius . Atitinkama Laplaso savoji reikšmė bus

λ k = - | k | 2 = - k 2 1 - k 2 2 - k 2 3

Atitinkamas dažnis būtų

Ir atitinkama energija (vienas šio dažnio fotonas)

E k = ℏ ω k = ℏ c |k|

Čia apytikslis tikimybės pasiskirstymas per galimus dažnius ω k , kurie griežtai tariant yra diskretūs, ištisiniu tikimybių skirstiniu ir apskaičiuojame atitinkamą būsenų tankį g(ω). Idėja yra ta, kad g (ω) dω turėtų atitikti galimų būsenų, kurių dažniai svyruoja nuo ω iki ω + dω, skaičių. Tada integruojame būsenų tankį ir gauname galutinę normalizavimo konstantą.

Kodėl šis apytikslis skaičiavimas yra pagrįstas? Visą normalizavimo konstantą galima apibūdinti taip. Kiekvienam bangos skaičiui k ∈ 2 π / L * ℤ 3 yra skaičius n k ∈ ℤ ≥0 , kuris apibūdina fotonų skaičių su šiuo bangos skaičiumi. Iš viso fotonai n = ∑ n k yra baigtinis. Kiekvienas fotonas prie energijos prideda ℏ ω k = ℏ c |k|, o tai reiškia, kad

Z(β) = ∏ k Z ω k (β) = ∏ k 1 / (1 - e -βℏc|k|)

Virš visų bangų skaičių k, jos logaritmas užrašomas kaip suma

Log Z(β) = ∑ k log 1 / (1 - e -βℏc|k|)

Ir šią sumą norime aproksimuoti integralu. Pasirodo, esant pagrįstoms temperatūroms ir dideliems tūriams, integrandas su k kinta labai lėtai, todėl šis aproksimavimas bus labai artimas. Jis nustoja veikti tik esant itin žemai temperatūrai, kur susidaro Bose-Einstein kondensatas.

Būsenų tankis apskaičiuojamas taip. Bangų vektoriai gali būti pavaizduoti kaip vienodi gardelės taškai, gyvenantys „fazinėje erdvėje“, tai yra, bangos vektorių skaičius tam tikrame fazės erdvės regione yra proporcingas jo tūriui, bent jau regionuose, kurie yra dideli, palyginti su gardelės žingsniu 2π/L. . Iš esmės bangų vektorių skaičius fazinės erdvės srityje yra V/8π 3 , kur V = L 3 , mūsų ribotas tūris.

Belieka apskaičiuoti fazinės erdvės srities tūrį visiems bangų vektoriams k, kurių dažniai ω k = c |k| diapazone nuo ω iki ω + dω. Tai sferinis apvalkalas, kurio storis dω/c ir spindulys ω/c, taigi jo tūris

2πω 2 /c 3 dω

Todėl fotono būsenų tankis

G(ω) dω = V ω 2 / 2 π 2 c 3 dω

Tiesą sakant, ši formulė yra dvigubai mažesnė: pamiršome atsižvelgti į fotonų poliarizaciją (arba, lygiavertiškai, fotono sukimąsi), kuri padvigubina būsenų skaičių tam tikram bangos skaičiui. Teisingas tankis:

G(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω

Tai, kad būsenų tankis yra tiesinis tūryje V, veikia ne tik plokščiame tore. Tai yra Laplaso savųjų verčių savybė pagal Weylio dėsnį. Tai reiškia, kad normalizuojančios konstantos logaritmas

Log Z = V / π 2 c 3 ∫ ω 2 log 1 / (1 - e - βℏω) dω

Išvestinė β atžvilgiu suteikia vidutinę fotono dujų energiją

< E >= - ∂/∂β log Z = V / π 2 c 3 ∫ ℏω 3 / (e βℏω - 1) dω

Bet mums svarbus integrandas, kuris suteikia „energijos tankį“

E(ω) dω = Vℏ / π 2 c 3 * ω 3 / (e βℏω - 1) dω

Apibūdinant fotonų dujų energijos kiekį, gaunamą iš fotonų, kurių dažniai svyruoja nuo ω iki ω + dω. Rezultatas yra Plancko formulės forma, nors norint ją paversti juodojo kūno formule, o ne fotonų dujomis, reikia šiek tiek pažaisti (reikia padalyti iš V, kad gautumėte tankį tūrio vienetui, ir padaryti dar šiek tiek, kad išmatuotų spinduliuotė).

Plancko formulė turi du apribojimus. Tuo atveju, kai βℏω → 0, vardiklis linkęs į βℏω, ir gauname

E(ω) dω ≈ V / π 2 c 3 * ω 2 /β dω = V k B T ω 2 / π 2 c 3 dω

Žymos: pridėti žymų

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O

Jei mediena dega pakankamai ilgai, liepsna užges, tačiau rūks ir toliau, o ypač mediena toliau švytės. Rūkimas – tai nepilnas degimas, kuris, skirtingai nei visiškas degimas, gamina anglies monoksidą.

Liepsnos forma Žemėje priklauso nuo gravitacijos. Kai ugnis įkaitina aplinkinį orą, vyksta konvekcija: karštas oras, kuriame, be kita ko, yra karštų pelenų, kyla aukštyn, o šaltas (su deguonies) skęsta, palaikydamas ugnį ir suteikdamas liepsnai formą. Esant mažai gravitacijai, pavyzdžiui, kosminėje stotyje, tai neįvyksta. Ugnis varoma deguonies difuzija, todėl dega lėčiau ir rutulio pavidalu (kadangi dega tik ten, kur ugnis liečiasi su deguonies turinčiu oru. Sferos viduje deguonies nelieka).

Juodos kūno spinduliuotės

Statistinėje mechanikoje tikimybė, kad sistema bus mikrobūsenoje s, jei ji yra šiluminėje pusiausvyroje esant temperatūrai T, yra proporcinga

P s = (1/Z(β)) * e - β E s

Kur Z(β) yra normalizavimo konstanta

Z(β) = ∑ s e - β E s

Norint apibūdinti fotonų dujų būseną, reikia ką nors žinoti apie fotonų kvantinį elgesį. Standartiniame elektromagnetinio lauko kvantavime į lauką galima žiūrėti kaip į kvantinių harmoninių virpesių rinkinį, kurių kiekvienas svyruoja skirtingais kampiniais dažniais ω. Harmoninio osciliatoriaus savosios būsenos energijos žymimos neneigiamu sveikuoju skaičiumi n ∈ ℤ ≥ 0 , kuris gali būti interpretuojamas kaip ω dažnio fotonų skaičius. Būdingos energijos (iki konstantos):

Būsenų tankis ir Plancko formulė

Dabar, žinant, kas vyksta tam tikru dažniu ω, reikia susumuoti visus galimus dažnius. Ši skaičiavimų dalis yra klasikinė ir nereikia daryti jokių kvantinių pataisymų.

υ(t, x) = e c √λ t υ(x)

Taigi, atsižvelgiant į tai, kad λ paprastai yra neigiamas, taigi √λ paprastai yra įsivaizduojamas, atitinkamas dažnis būtų

ω = c√(-λ)

Toks dažnis atsiranda silpnai V λ kartų, kur V λ yra Laplaso λ savoji reikšmė.

Sąlygas supaprastiname naudodami tūrį su periodinėmis ribinėmis sąlygomis, nes tokiu atveju labai lengva užrašyti visas Laplaso savąsias funkcijas. Jei dėl paprastumo naudojame kompleksinius skaičius, jie apibrėžiami kaip

υ k (x) = e i k x

Kur k = (k 1 , k 2 , k 3) ∈ 2 π / L * ℤ 3 , bangos vektorius . Atitinkama Laplaso savoji reikšmė bus

λ k = - | k | 2 = - k 2 1 - k 2 2 - k 2 3

Atitinkamas dažnis būtų

Ir atitinkama energija (vienas šio dažnio fotonas)

E k = ℏ ω k = ℏ c |k|

Kodėl šis apytikslis skaičiavimas yra pagrįstas? Visą normalizavimo konstantą galima apibūdinti taip. Kiekvienam bangos skaičiui k ∈ 2 π / L * ℤ 3 yra skaičius n k ∈ ℤ ≥0 , kuris apibūdina fotonų skaičių su šiuo bangos skaičiumi. Bendras fotonų skaičius n = ∑ n k yra baigtinis. Kiekvienas fotonas prie energijos prideda ℏ ω k = ℏ c |k|, o tai reiškia, kad

Z(β) = ∏ k Z ω k (β) = ∏ k 1 / (1 - e -βℏc|k|)

Virš visų bangų skaičių k, jos logaritmas užrašomas kaip suma

Log Z(β) = ∑ k log 1 / (1 - e -βℏc|k|)

2πω 2 /c 3 dω

Todėl fotono būsenų tankis

G(ω) dω = V ω 2 / 2 π 2 c 3 dω

G(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω

Log Z = V / π 2 c 3 ∫ ω 2 log 1 / (1 - e - βℏω) dω

Išvestinė β atžvilgiu suteikia vidutinę fotono dujų energiją

< E >= - ∂/∂β log Z = V / π 2 c 3 ∫ ℏω 3 / (e βℏω - 1) dω

Bet mums svarbus integrandas, kuris suteikia „energijos tankį“

E(ω) dω = Vℏ / π 2 c 3 * ω 3 / (e βℏω - 1) dω

Plancko formulė turi du apribojimus. Tuo atveju, kai βℏω → 0, vardiklis linkęs į βℏω, ir gauname

E(ω) dω ≈ V / π 2 c 3 * ω 2 /β dω = V k B T ω 2 / π 2 c 3 dω

Žymos:

ugnis
kvantinė fizika

Pridėti žymes

Įvadas

Temos aktualumas. Be ugnies gyvybė Žemėje neįmanoma. Kiekvieną dieną matome ugnį – krosnį, laužą, krosnį ir t.t. Jis yra visur – namuose ir mokyklose, gamyklose ir gamyklose, erdvėlaivių varikliuose. Amžinoji ugnis dega šlovės aikštėje, šventyklose visada dega žvakės ...

Visą vasarą per televiziją buvo rodomi gaisrai. Nemažai medžių, kurie mums suteikė oro, sudegė negrįžtamai. Gali tapti įdomiomis knygomis ir mūsų mokykliniais sąsiuviniais. Gyvūnai mirė. Išdegė ištisi kaimai, žmonės liko be pastogės.

Įdomi ir paslaptinga ši ugnis!

Vaikams parašyta nemažai knygų apie gaisrus ir saugos priemones, tarp jų ir literatūros kūrinių (S. Michaalkovo „Dėdė Stepa“, K. Čukovskio „Sumišimas“, S. Maršako „Katės namas“ ir kt.). Tačiau tokių šaltinių, kuriuose išsamiai aprašomos ir ugnies savybės, ir jos nauda, pasitaiko retai. Mūsų darbas yra bandymas užpildyti šią spragą.

Darbo tikslas: Ugnies reikšmės žmogui tyrimas.

Užduotys. Šiame darbe tiriame ugnies savybes ir atsakome į klausimą: kas yra ugnis? Taip pat suprantame, kaip žmonės naudojasi šiomis savybėmis. Kaip ir kodėl ugnis gali padėti ir pakenkti žmonėms? (1 priedas).

Naudojome informacinę literatūrą: žodyną, enciklopediją, keletą knygų suaugusiems, informaciją iš interneto.

1. Kas yra ugnis? Pagrindinės ugnies savybės

Vaikų enciklopedijoje yra toks ugnies ir degimo apibrėžimas: „tai yra cheminė reakcija, kuriame viena iš medžiagų yra taip įkaitinta, kad susijungia su ore esančiu deguonimi. Aiškinamajame rusų kalbos žodyne skaitome: „Ugnis - degančios aukštos temperatūros šviečiančios dujos“. Perskaitęs šią informaciją šio darbo autorius nesuprato, kas yra ugnis ir nusprendė pateikti mokiniams suprantamą apibrėžimą pradinė mokykla. Norėdami tai padaryti, turite nustatyti pagrindines jo savybes.

Eksperimento (eksperimentų) ir stebėjimo metodais tiriame pagrindines ugnies savybes. Padarykime keletą eksperimentų.

Pastaba. Visi eksperimentai buvo atliekami dalyvaujant ir padedant suaugusiems, laikantis saugos taisyklių: buvo naudojamas nedegus paviršius (stiklo lenta) ir paruoštas ąsotis su vandeniu.

Patirčių aprašymas:

Patirtis Nr.1. Naktį kambaryje buvo išjungtos šviesos. Sutemo, nieko nesimatė. Uždegė žvakę, išryškėjo daiktų ir žmonių kontūrai.

Išvada: 1 savybė: Ugnis skleidžia šviesą! (Žr.: Priedas, 4 skaidrė)

Net maža žvakės liepsna gali apšviesti kambarį. Todėl mama visada turi žvakių atsargoje – nutrūkus elektrai.

Patirtis Nr.2. Labai atsargiai, pabandykime pritraukti ranką prie žvakės liepsnos. 20 cm atstumu pasidaro labai šilta, žemesnė - dėl deginimo pojūčio negalima nuleisti rankos.

Išvada: 2 savybė: ugnis išskiria daug šilumos! (Žr.: Priedas, 5 skaidrė).

Patirtis numeris 3. Degančią žvakę uždenkime stikliniu indeliu. Po kelių sekundžių liepsna užgęsta. Tas pats atsitinka ir su dujinis degiklis. Dėl patikimumo eksperimentą pakartojome 3 kartus. Rezultatas visada tas pats – liepsna nustoja degti.

Išvada: 3 savybė: kad ugnis užsidegtų, reikia oro, tiksliau jame esančio deguonies. (Žr.: Priedas, 6 skaidrė).

Taigi, išsiaiškinome pagrindines ugnies savybes ir jau galime atsakyti į klausimą: kas yra ugnis?

Ugnis yra procesas, kurio metu sugeriamas deguonis ir išsiskiria šviesa bei šiluma.

Tęskime ugnies savybių tyrimą.

1) Stebėkite žvakės liepsną. Ramios liepsnos forma, nukreipta į viršų, atrodo kaip kūgis. Jei lėtai pučiate žvakės liepsną, tada keičiasi forma, ji nukrypsta nuo oro srauto. Tas pats atsitinka, jei žvakę atnešate prie atviro lango.

Išvada: liepsnos formą galima keisti oro srauto pagalba. Ši savybė naudojama kurstant ugnį. (Žr.: Priedas, 9,10,11 skaidrės).

2) Atsižvelkite į liepsnos spalvą. Spalva ne visur vienoda, liepsna turi sluoksnius: žemiausias sluoksnis melsvo atspalvio, tada šviesiai geltonas sluoksnis, po to - aukščiausias rausvai oranžinis. (Žr.: Priedas, 13 skaidrė).

Bet tai ne viskas dėl spalvos.

Pastebėjome, kad virtuvėje dujos visada mėlynos, o mediena geltonai oranžinė. Stebėdami plonos varinės vielos degimą, nuo elektros laido, nustatėme, kad liepsna pasidaro žalia. (Žr.: Priedas, 14, 17, 18, 19 skaidrės).

Išvados: 1. Įvairios medžiagos ir medžiagos dega skirtingomis liepsnos spalvomis. Taigi jūs gaunate tokį gražų fejerverką! 2. Taigi nežinomą medžiagą galite nustatyti pagal liepsnos spalvą, tereikia ją padegti (kaip vieną iš būdų).

Eksperimentas Nr. 5. Liepsnos temperatūra. Paimkite tą pačią ploną varinę vielą. Tokios vielos galiukas, laikantis jį skersai liepsnos, dedamas skirtingose vietose ir skirtinguose liepsnos aukščiuose ir stebi liepsnos poveikį vielai. Stebėjimai atskleidžia šiuos dalykus:

Apatinėje liepsnos dalyje viela nešviečia, nedega, tik padengta juoda danga.
Vidurinėje dalyje viela šviečia ir pradeda švytėti raudonai.
Pačiame liepsnos viršuje viela užsiliepsnoja, liepsną paverčia žalsva.

Tai reiškia, kad temperatūra skirtinguose liepsnos sluoksniuose yra skirtinga. Tai patvirtina ir eksperimentas su rankos kėlimu prie liepsnos. Atsimename, kad ranką galima pakelti tik iki 20 cm iš viršaus.Pridėjus pirštą prie liepsnos dugno, karštis jaučiamas tik 1 cm atstumu.

Išvada: liepsna turi kelis sluoksnius, besiskiriančius ne tik spalva, bet ir temperatūra. Liepsnos apačioje šalčiausia, o viršuje – karščiausia. (Žr.: Priedas, 20 skaidrė).

2. Ugnies reikšmė: nauda ir žala

Eksperimentų, mūsų pačių stebėjimų, taip pat perskaitytos medžiagos dėka įsitikinome, kad žmonės savo gyvenime nuolat naudoja ugnį ir tai jiems atneša didelę naudą.

Kasdieniame gyvenime: patalpų šildymui, maisto ruošimui, vandens šildymui, apšvietimui – jei neveikia elektra. Ugnis taip pat skirta komfortui. Pavyzdžiui, židinys ar kvapiosios žvakės.
Kaip paaiškėjo, naudingų savybių ugnis naudojama daugelyje gamyklų ir gamyklų. Ugnis išlydo metalą, po to jam suteikiama tam tikra forma. Taip pat metalas pjaunamas ugnimi arba atvirkščiai – suvirinamas. Taigi jis naudojamas, pavyzdžiui, įvairioms mašinoms ir mechanizmams gaminti.

Ugnis taip pat naudojama:

Stiklo ir fajanso dirbinių gamyba.
Plastikų, dažų gamyba.
Vaistų gamyba.
Perdirbimas.

Ir tai ne visas „gerų“ ugnies darbų sąrašas.

Išvada: Žmonėms labai reikia ugnies. Jis šildo, maitina ir apšviečia. Šiuolaikinis žmogus visą laiką naudoja ugnį. Neįmanoma įsivaizduoti gyvenimo be ugnies.

Bet ugnis yra labai pavojinga! Jis visada turi būti kontroliuojamas. Jis gali padaryti daug žalos. Tai apie gaisrus. Ugnis yra tada, kai ugnis dega be žmogaus noro ir viską sunaikina.

Gaisrai daro didelę žalą mūsų valstybei ir gyventojams. Ugnis yra labai baisus, žiaurus, priešiškas reiškinys visai gyvai būtybei. (Žr.: Priedas, 26 skaidrė).

Gaisras žalingas, nes: nuo gaisrų žūsta ir smarkiai nudega, žmonės netenka namų, nuo gaisrų išnyksta miškai ir žūsta visi jų gyventojai: gyvūnai, paukščiai, ugnis gali sunaikinti viską, ką žmogus sukūrė savo darbu.

Šiek tiek statistikos. Įsivaizduokite, kad kiekvienais metais pasaulyje įvyksta apie 5 milijonai gaisrų! Kas valandą gaisre žūsta vienas žmogus, du sužeidžiami ir apdeginami. Kas trečias miręs žmogus yra vaikas.

Kaip jie atsiranda? Dėl neatsargaus elgesio su ugnimi, nesąžiningo požiūrio į saugumo priemones.

Apie gaisrus, apie gaisro sukeliamas bėdas parašyta daug knygų. Įskaitant vaikus. Kodėl tiek daug knygų apie gaisrus parašyta vaikams? Taip manome, nes gaisrai labai dažnai kyla dėl vaikų kaltės.

Visiems vaikams norime priminti:

Niekada nežaisk su ugnimi!

Kurstyti ugnį galima tik dalyvaujant suaugusiems ir jiems prižiūrint.

Gaisro vietose ir kitais gaisro būdais turi būti po ranka gesinimo priemonių.

Ugnies negalima palikti be priežiūros.

Kai ugnies nebereikia, ją reikia gerai užgesinti.

Išvada

Taigi, atlikdami darbus, pateikėme vaikams suprantamą ugnies apibrėžimą: „Ugnis yra procesas, kurio metu absorbuojamas deguonis ir išsiskiria šviesa bei šiluma“.

Taip pat išsiaiškino: Liepsna turi tam tikrą formą, kelis sluoksnius, kurie skiriasi ne tik spalva, bet ir temperatūra. Tokiu atveju liepsnos formą galima pakeisti oro srauto pagalba. Šių savybių žinojimas padeda žmonėms efektyviau naudoti ugnį.

Įvairios medžiagos ir medžiagos dega skirtingomis liepsnos spalvomis. Taigi kai kurią medžiagą galite nustatyti pagal liepsnos spalvą, tereikia ją padegti (kaip vieną iš būdų).

Apskritai, ugnies žmonėms labai reikia, ji šildo, maitina, apšviečia. Šiuolaikinis žmogus visą laiką naudoja ugnį. Neįmanoma įsivaizduoti gyvenimo be ugnies.

Bet ugnis yra labai pavojinga! Jis visada turi būti kontroliuojamas, negalima palikti be priežiūros. Jis gali padaryti daug žalos. Ugnis yra labai baisus, žiaurus, priešiškas reiškinys visai gyvai būtybei.

Žinoma, mes ne viską ištyrėme apie tokį nuostabų reiškinį kaip gaisras. Todėl ateityje galima gvildenti tokius klausimus: kaip žmonės išmoko kurstyti ugnį, kokie buvo pirmieji būdai? Kokios medžiagos nedega ir kodėl? Kaip atliekami ugnies triukai? Taip pat įdomi tema „Ugnis ir ginklai“.

Šio darbo rezultatai gali būti naudojami kaip pagalbinė medžiaga klasėje apie mus supantį pasaulį (aplinkinį pasaulį) darželis ir pradinė mokykla. Ugnimi besidomintiems vaikams tokia medžiaga pravers, nes vaizdinga ir gana paprasta.

Šaltinių ir literatūros sąrašas

Johnas Farndonas, Ianas Jamesas, Jeannie Johnson, Angela Royston ir kt. Klausimų ir atsakymų enciklopedija. Vertimas iš anglų kalbos: E. Kulikova, D. Belenkaya ir kt., Atticus Publishing Group LLC, 2008. 255 p.
Kaidanova O.V (sudarytoja) Ugnis ir žmogus. Maskva, 1912. 98 p.
Ožegovas S.I. Rusų kalbos žodynas: M.: Rus. yaz., 1984. 797 p.
Safronovas M.A., Vakurovas A.D. Gaisras miške. Novosibirskas: mokslas, 1991. 130 p.
Interneto šaltiniai:

Ugnies stichija. http://salamand.ru/sootvetstviya-stixii-ognya

Rusijos statistika. http://www.statp.ru