По всей вероятности, большинство опытных любителей активного отдыха овладели искусством разведения костров, даже без изучения учебников по химии или термодинамике. Тем не менее, понимание естественных законов, порождающих явление, которое мы знаем как «огонь», может быть неоценимым для любого, кто стремится совершенствовать свою технику.
Многие «секреты», которые в древности постепенно осваивали на опыте, становятся очевидными, когда начинаешь понимать стоящую за ними науку. Поэтому, давайте узнаем основы научных принципов этого физического явления.
В химии «сгорание» определяется как химическая реакция, в которой углеводороды распадаются и соединяются с кислородом с образованием водяного пара и углекислого газа. Термин «углеводород» относится к любой молекуле, состоящей из атомов углерода, связанных с водородом или водородом и кислородом. Требуется энергия, чтобы разбить молекулы, и дать начало реакции.
В химии это называется «энергией активации» реакции. Однако, когда атомы углерода, водорода и кислорода рекомбинируют с образованием H2O и CO2, энергия высвобождается. В типичной реакции сгорания выделяемая энергия больше энергии активации, поэтому реакция является «экзотермической», то есть образует тепло. Тепло, которое выделяется, может обеспечить необходимую энергию активации для других соседних углеводородов, что позволяет реакции стать самоподдерживающейся.
Дерево представляет собой композиционный материал, состоящий в основном из трех химических соединений: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Все три из этих соединений являются горючими углеводородами. Таким образом, когда древесина нагревается в достаточной степени в присутствии кислорода для подачи энергии активации, она подвергается реакции горения. Однако, если недостаточно тепла или кислорода, сгорание может быть неполным. Продукты реакции горения, вода и углекислый газ, оба невидимы в газообразном состоянии, но конденсирующийся водяной пар имеет привычный вид белого тумана, и частицы углеводородов, которые не полностью распались, могут принять любой оттенок серого или коричневого. Таким образом, костёр, от которого идет дым, это огонь, который подвергается неполному сгоранию. Чтобы исправить это условие, необходимо повысить его температуру.
На самом деле, в случае типичного костра, существует тесная связь между температурой и наличием кислорода. Воздух состоит приблизительно на 20% из кислорода и на 80% из азота.
Азот инертен, что означает, что он не участвует в реакции горения; только кислород участвует в реакции. Однако, поскольку оба газа смешаны равномерно, доступность кислорода прямо пропорциональна потоку воздуха через огонь. Когда газ нагревается без физического ограничения, он расширяется прямо пропорционально увеличению его абсолютной температуры, вызывая уменьшение его плотности. Это создает выталкивающую силу, которая заставляет горячий газ подниматься над окружающими более холодными газами. Когда воздух и продукты сгорания нагреваются огнем, они образуют поток горячего газа, который поднимается из огня и тем самым втягивает воздух из окружающей среды в огонь.
Чем горячее огонь, тем больше расширяются газы. Чем больше расширяются газы, тем сильнее выталкивающая сила. Чем сильнее выталкивающая сила, тем сильнее создаваемый ею поток воздуха. Таким образом, чем горячее огонь, тем больше воздуха будет проходить через него, и тем больше кислорода будет доступно для горения.
Температура костра зависит, прежде всего, от отношения тепла, выделяемого в результате реакции горения, к теплу, передаваемому от огня в его окружающую среду. Если в окружающую среду выделяется больше тепла, чем в результате реакции горения, костёр быстро затухает. Если в результате реакции горения выделяется больше тепла, чем теряется в окружающей среде, у костра увеличивается температура. Таким образом, чтобы лучше понять, как контролировать температуру костра, нам следует рассмотреть физические механизмы, с помощью которых огонь отдает тепло своему окружению.
Существует три механизма теплопередачи: проводимость, конвекция и излучение.
Проводимость - это передача тепла через объем твердого материала. Скорость теплопередачи из одной точки в другую за счет теплопроводности прямо пропорциональна разности температур между двумя точками и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Она также прямо пропорциональна теплопроводности материала. В случае костра некоторое тепло отводится от огня через землю под ним и вокруг него, но теплопроводность камней и грязи довольно низкая. Таким образом, проводимость в значительной степени незначительна.
Конвекция называется передача тепла за счет движения жидкости или газа. Как описано выше, тепло костра создает поток горячего газа, который поднимается из огня и втягивает более холодный воздух из окружающей среды в огонь. Этот поток воздуха уносит тепло, но он также поставляет кислород в огонь. Как и в случае с конвекцией, скорость передачи тепла конвекцией прямо пропорциональна разности температур между огнем и окружающим воздухом. Чем горячее огонь, тем больше тепла будет уноситься конвекцией, но больше кислорода будет подаваться в огонь, способствуя дальнейшему сгоранию, которое заменит потерянное тепло. Таким образом, эти два эффекта имеют тенденцию уравновешивать друг друга.
Излучение - передача тепла через пустое пространство или прозрачную среду (например, воздух) с помощью электромагнитного излучения. Тепло, излучаемое у костра, находится в основном в инфракрасной области электромагнитного спектра, хотя, очевидно, также выделяется некоторое видимое излучение. Скорость, с которой тепло излучается объектом, пропорциональна его абсолютной температуре, повышенной до четвертой степени (то есть температура умножается на себя в четыре раза). Это означает, что с повышением температуры скорость теплообмена возрастает намного быстрее, чем скорости проводимости и конвекции, что, в свою очередь, делает его наиболее значимым из трех механизмов с точки зрения его влияния на температуру огня. Кроме того, из трех механизмов передачу тепла легче всего контролировать в случае разведения костра. Если на плоском открытом грунте возник огонь, он будет свободно излучать тепло в окружающую среду. Если вокруг огня поместить кольцо из теплоотражающего материала, то большая часть тепла, которое в противном случае было бы потеряно для окружающей среды, будет отражаться обратно в огонь, и огонь будет гореть сильнее и с меньшим количеством дыма.
Подводя итог, можно сказать, что реакция горения, которую мы обычно называем «пожаром», требует углеводородов для топлива, тепла для обеспечения энергии активации, необходимой для начала реакции, и кислорода для ее поддержания. В случае костра углеводородное топливо состоит из древесины. После того, как огонь зажжен, тепло, выделяемое при сгорании, обеспечивает подводимое тепло, необходимое для поддержания реакции, при условии, что это тепло не теряется в окружающей среде. Также и кислород, необходимый для поддержания реакции, подаётся с потоком воздуха, который проходит через огонь естественной конвекцией, которая приводится в действие теплом огня.
При таком понимании научных принципов, лежащих в основе явления, известного как пожар, вы без труда освоите практическое искусство разведения костров.
Искусство создания костров имеет так много применений как во время тяжелых бедствий, так и во время отдыха, что оно становится бесценным навыком для активного отдыха или выживания. Его принципы коренятся в науках химии и термодинамики, которые были обобщены в этой статье. Однако, как и в любом искусстве, создания огня - это навык, который можно усовершенствовать только с помощью практики. Надеюсь, что принципы, представленные в этой статье, послужат ориентиром для тех, кто изучает это искусство, когда вы будете оттачивать свои навыки.
