Можно более конкретно указать причины этого:
Во-первых, главный участник горения - горючее. Оно является комплесом как природных органических, так и неорганических веществ сложного химического строения.
При нагреве и взаимодействии с окислителем происходит распад этих комплексов на более простые соединения и элементы. Но при анализе процесса горения невозможно обойтись без учета поведения горючего в его исходной форме и в промежуточных стадиях.
А это крайне затрудняет изучение процесса.
Во-вторых, в процессе горения, так же, как и в других химических процессах обязательны два этапа:
· физический этап - это создание молекулярного контакта между горючим и окислителем;
· химический этап - это взаимодействия молекул с образованием продуктов реакции.
Причем второй этап протекает только у молекул, находящихся в особом энергетически или кинетически возбужденном состоянии. Возбуждаются же молекулы в результате начавшегося процесса горения из-за повышения общего энергетического уровня (температуры) и взаимодействия молекул. Даже при рассмотрении простейших реакций горения необходимо учитывать различия между отдельными молекулами, составляющими сложную полисистему.
В-третьих, горение принципиально не является равновесным процессом. При горении обязательно возникают неоднородности состояния молекул, их концентраций, неравномерности полей температур и скоростей потоков. Существенно изменяются условия взаимной диффузии молекул, находящихся на разных ступенях возбуждения. Из этого вытекает необходимость одновременного решения нестационарной задачи массо- и теплопроводности и химической кинетики, причем наиболее часто при турбулентности вызванной самим процессом горения. Следовательно, задачи теории горения характеризуются как нестационарные задачи турбулентной массо- и теплопроводности при наличии динамических источников вещества и тепла.
Но хотя такое представление и определяет анализы процесса горения, конкретное решение задач теории горения при этом затруднено. Исследование процесса горения по пути составления систем интегрально-дифференциальных уравнений, соответствие которых истинному ходу процессов следует проверять сопоставлением результатов решения этих систем, выполняемого во многих случаях с применением ЭВМ, с данными эксперимента.
Так развивается современная теория горения.
Существуют понятия «контролируемое горение» специально организованное человеком для удовлетворения своих потребностей в тепловой (печи, топки и т.п.), световой (свечи, керосиновые лампы, газовое освещение др.) и механической энергии (двигатели внутреннего сгорания, дизеля и т.п.), и «неконтролируемое горение» - это пожары.
Используя горение как источник энергии в своих целях, человек иногда становился и жертвой этого «джина, самим им выпущенного из бутылки» - пожаров.
Поэтому изучение процессов горения, приобретение умений их регулирования и прекращения стало жизненно важной потребностью. Ежегодно в России случается около 300000 пожаров. В огне гибнут около 20 тысяч человек и примерно столько же получают травмы. В мире на каждые 100 пожаров гибнет 1 человек, в России эта печальная статистика еще выше. Пожар - это горение, способное самостоятельно распространяться вне специально предназначенного для этого места, приводящее к травмированию или гибели людей, уничтожению или повреждению имущества, ухудшению экологической обстановки.
Как следует из этого определения в основе всех явлений, протекающих на пожарах, лежит процесс горения, иногда сопровождающийся возникновением взрыва.
Уяснить сущность процессов, происходящих на пожаре можно только на основе изучения теории горения и взрыва.
Все сопутствующие явления - деформация и обрушение строительных конструкций, вскипание и выбросы и т.п. - они являются следствием процесса горения.
Физико-химические основы горения состоят в следующем.
Процесс горения - это сложный процесс, поэтому однозначного определения горения нет, и разные авторы предлагают собственные определения. Горение - это сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя. Он характеризуется ускоряющимся превращением материи и сопровождается выделением большого количества тепла и света.
В определенных условиях может возникать холодное пламя, где химическая реакция протекает с умеренной скоростью и сопровождается свечением без заметного разогрева.
Для горения характерны три признака: химическое преобразование, выделение тепла, излучение света.
Доминирующим процессом при горении является химическая реакция окисления. Именно она влечет появление различных физических процессов: переноса тепла, переноса реагирующих веществ, излучения и др. Эти физические процессы развиваются по своим законам. Химические процессы окисления разнятся по скорости их протекания, но реальная скорость окисления при горении ниже, т.к. лимитируется скоростями физических процессов. Реакции окисления в общем виде можно представить уравнением:
(1.1)
где: гор - горючее вещество, ок - окислитель, ПГ - продукты горения.a, b, ni- соответствующие стехиометрические коэффициенты.
При решении пожарно-технических задач при описании процессовгорения обычно принимают a = 1, тогда b может быть дробной величиной. В таком случае химические процессы при горении можно представить как
(1.2)
Это уравнение является лишь суммарным отражением, происходящих превращений. На самом деле химические реакции при горении являются многостадийными.
Для возникновения горения необходимо наличие:
· горючего вещества;
· окислителя;
· источника зажигания (энергетический импульс).
Эту триаду называют «пожарным» треугольником.
Если исключить из неё одну составляющую, то горения не получится. Это свойство триады используется на практике для предотвращения и тушения пожаров.
Классификация горючих веществ и материалов
Основные классификационные признаки: химическая природа, происхождение, агрегатное состояние, дисперсность.
По химической природе горючие вещества и материалы подразделяются на два основных класса: органические и неорганические.
Такое подразделение условно: многие органические вещества содержат как в химически связанном, так и в виде примесей неорганические компоненты, нелетучая часть которых остается в виде золы, шлаков и.т.п.
Органические горючие вещества - это все вещества на основе углерода, представляющие собой материалы растительного и животного происхождения, или же ископаемые вещества, т.е. добываемые из недр земли. Все они применяются как в натуральном виде, так и после соответствующей обработки.
Неорганические горючие вещества представляют собой все простые и сложные вещества неорганической природы, способные к реакциям горения.
По современной химической классификации это металлы и неметаллы, а также их различные производные.
К горючим металлам и их производным относятся все щелочные и щелочноземельные металлы, а также металлы других групп периодической системы Д.И. Менделеева и их производные - карбиды, сульфиды и т.п.
К горючим неметаллам и их производным относятся бор, кремний, фосфор, мышьяк, сера, селен, теллур, их карбиды, гидриды, сульфиды и т.д.
По агрегатному состоянию горючие вещества и материалы подразделяются на газообразные, жидкие и твердые.
Горючие вещества характеризует коэффициент горючести К.
Этот безразмерный показатель может быть использован для приближенного вычисления температуры вспышки вещества и величины нижнего концентрационного коэффициента распространения пламени.Коэффициент горючести рассчитывается по следующей формуле:
К = 4n(C) + 4n(S) + n(H) + n(N) - 2n(O) - 2n(Cl) - 3n(F) - 5n(Br)… (1.3)
где: n(C), n(S), n(H), n(N), n(O), 2 n(Cl), n(F), n(Br) - число атомов углерода, серы, водорода, азота, кислорода, хлора, фтора и брома в молекуле вещества. Если коэффициент горючести Кбольше единицы (К >?1), то вещество является горючим; при значении Кменьше единицы (К < 1) - вещество негорючее.
Окислители
Основными химическими процессами при горении являются межмолеулярные окислительно-восстановительные реакции между горючими веществами и окислителями, например:
С + О2 = СО2; Н2 + Cl2 = 2НСl.
Во втором уравнении окислителем является хлор. Но чаще всего в процессах горения и на реальных пожарах окислителем бывает кислород воздуха.
Окислители - это вещества, атомы которых в химических превращениях принимают электроны.
Среди простых веществ к ним относятся все галогены и кислород.Наиболее распространенным в природе окислителем является кислород воздуха. Именно ему человечество обязано широким распространением пожаров на Земле. Воздух содержит 21 % по объему кислорода и 79 % азота. На один объем (моль) кислорода в воздухе приходится 79/21 = 3,76 объема (моля) азота, который не вступает в реакции горения. Однако его приходится учитывать при составлении уравнения материального и теплового баланса процессов горения, поскольку часть теплоты расходуется на его нагревание. Горение в воздухе- это основной процесс на пожаре, однако во многих технологических процессах используется воздух, обогащенный кислородом, и даже чистый кислород (например, металлургические производства, газовая сварка, резка и т.д.).
С атмосферой, обогащенной кислородом, можно встретиться в подводных и космических аппаратах, доменных процессах и т.д. Такие горючие системы имеют повышенную пожарную опасность. Это необходимо учитывать при разработке систем пожаротушения, пожарно-профилактических мероприятий и при пожарно-технической экспертизе пожаров.
Помимо кислорода воздуха и галогенов окислителями в реакциях горения могут выступать и сложные вещества, например, соли кислородсодержащих кислот - нитраты, хлораты и т.п., применяемые в производстве порохов, боевых и промышленных взрывчатых веществ и различных пиротехнических составов.
Процессы, происходящие при горении. Виды горения
Для возникновения процессов горения необходимо наличие горючего вещества и окислителя. Для инициирования возникновения горения необходимо наличие источника тепловыделения (зажигания). Иногда горение может возникать самопроизвольно без источника зажигания (самовоспламенение и самовозгорание). Для возникновения горения должны быть соблюдены следующие условия:
· непосредственный контакт горючего и окислителя;
· горючее и окислитель должны находиться в определенных количественных соотношениях;
· источник зажигания должен обладать достаточной энергией.
При температурах, характерных для горячего пламени (они возникают в подавляющем большинстве случаев на реальных пожарах), скорость химической реакции окисления при горении потенциально может быть очень высокой. Это вызвано тем, что при повышении температуры на каждые 1000 скорость реакции увеличивается в 2…4 раза.
Скорость процесса горения в целом ограниченна скоростью конкретного физического процесса, сопровождающего горение.
Основные физические процессы при горении - это тепло- и массообмен с окружающей средой за счет конвекции, диффузии и излучения. При горении органических веществ образуются нагретые до высокой температуры летучие продукты горения: СО2, Н2О, СО и др. При горении некоторых неорганических веществ, например, некоторых металлов могут образовываться наряду с летучими и нелетучие продукты горения.
Плотность летучих продуктов горения в 3…5 раз меньше плотности окружающего воздуха, поэтому над очагом горения существует конвективный (непрерывно поднимающийся вверх) поток горячей парогазовой смеси продуктов горения. Он всасывает свежий воздух снизу к очагу горения. Этими процессами обусловлен массо-, газо- и теплообмен очага горения с окружающей средой.
Теплообмен с окружающей средой происходит и счет теплового (невидимого инфракрасного) светового изучения.
Лучистый поток распространятся во все стороны от зоны горения, в том числе и падает вниз на поверхность горящего вещества. Нагреваясь под воздействием лучистого теплового потока, горючее вещество испаряется или разлагается и испаряется с выделением горючих газообразных продуктов. Они, смешиваясь с воздухом, поступают в зону горения. Такое горение сопровождается образованием пламени.
Пламя -это часть реакционного объ?ма, в котором протекают все физико-химические процессы, связанные с горением.
Пламя, как правило, излучает свет, лишь в редких случаях оно невидимо, например, при горении водорода.
Наиболее высокотемпературная часть пламени, где протекают окислительно-восстановительные реакции, называется реакционной зоной или фронтом пламени.
В газообразных горючих системах все процессы горения, в том числе и подготовительные, протекают в пламени. Поэтому для них понятия горение и пламя часто отождествляют и используют как синонимы. При горении конденсированных систем (жидких и твердых) подготовительные процессы (нагревание, плавление, испарение, термическое разложение) протекают вне пламени непосредственно на поверхности горящего вещества.Горение может происходить и за счет кислорода, содержащегося в молекуле горючего вещества. В зависимости от агрегатного состояния компонентов горючей смеси горение подразделяется на два вида: гомогенное и гетерогенное. Гомогенное горение -это процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, находящихся в одинаковом агрегатном состоянии. Оно бывает кинетическим и диффузионным в зависимости от однородности горючей смеси.