История свечи

Фарадей Майкл

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 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. 4

Где 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

Факел такой горелки состоит из нескольких зон. В центре факела находится чистый газ, снаружи - окислитель (воздух). В промежуточных зонах в процессе диффузии различных газов друг в друга происходит их смешивание. Именно здесь и находится фронт горения, т.е. область максимальной температуры и максимальной скорости химической реакции. Теплопроводность из фронта пламени обеспечивает подогрев горючего и окислителя (рис. 6). Не правда ли, факел газовой горелки напоминает пламя свечи? Однако горение свечи намного сложнее.