ДИСКЛЕЙМЕР. Минздрав предупреждает: Курение вредит вашему здоровью. Мы не пропагандируем курение. Текст носит исключительно развлекательный характер.
В этой статье мы рассмотрим внутреннее устройство сигары и изучим зоны, в которых протекают химические процессы, а также покажем простую модель распределения температуры дыма и концентрации кислорода в сигаре.
Внутреннее строение сигары и зоны химических процессов
Каждому, кто хоть раз курил сигару, знакомо ощущение четкости и концентрации внимания от первых затяжек и приходящие позже покой и умиротворение от последующих.
На схеме ниже показано внутреннее строение сигары: головка, корпус, ножка и шляпка, наполнитель, связующий лист и покровный лист, а также зоны, где протекают процессы горения, пиролиза и конденсации во время курения сигары (ссылки приведены в разделе «Дополнительная литература»).
Когда сигара зажжена и достигла псевдостационарного состояния, образуется зона горения. Сразу за ней возникает зона пиролиза.
Химические процессы в зажженной сигаре
Кислород, который переносится в зону горения благодаря конвекции и диффузии во время затяжек, а также за счет диффузии в промежутках между ними, поглощается в процессе сгорания. Поэтому в зону пиролиза, расположенную за зоной горения, попадают только газы, бедные кислородом. В этой зоне органические составляющие табачных листьев разлагаются под воздействием температуры без участия кислорода. Часть продуктов пиролиза испаряется, а остальные будут окислены позже, когда зоны горения и пиролиза переместятся ближе к головке сигары. Это означает, что в зоне пиролиза также происходит дистилляция.
Во время затяжки газообразные продукты пиролиза переносятся вместе с дымом к головке сигары. Когда дым движется к головке, холодные табачные листья охлаждают и фильтруют его. Более низкая температура ведет к конденсации некоторых веществ из дыма в виде аэрозоля. Образующиеся мелкие капли содержат никотин и большую часть ароматических веществ из дыма. Дым становится менее концентрированным из-за проникновения воздуха через покровный лист и утечки угарного газа из сигары. Однако оба этих процесса протекают очень медленно, поскольку покровный лист плохо пропускает газ.
Стоит заметить также, что пористость табачного наполнителя, связующего и покровного листов отличается. Пористость определяет форму зон горения и пиролиза.
Что влияет на форму сигары
Форма зоны горения также определяет, какую форму примет сигара, которую вы курите. Во время затяжки процесс горения протекает быстрее вблизи покровного листа из-за сильного переноса кислорода вдоль краев. Между затяжками края лучше охлаждаются окружающим воздухом, распределение температуры становится более равномерным, при этом зона горения выравнивается за счет более интенсивного горения в центре сигары.
Если курить сигару слишком быстро, может образоваться конус, то есть края сигары будут сгорать быстрее, чем сердцевина. С другой стороны, если сигару курить слишком медленно, образуется туннель. Почему? Сердцевина сигары сгорает быстрее в промежутках между затяжками, потому что окружающий воздух лучше охлаждает края. Неровный розжиг и неидеальная структура сигары могут привести к неравномерному горению с одной стороны или горению полосами (подробнее о проблемах горения сигары написано здесь).
Образование туннелей — самая большая проблема, ведущая к снижению температуры, качества и количества дыма.
Моделирование сигары
Ниже приведены результаты расчета относительно простой модели сигары во время затяжки и между затяжками. Помимо пиролиза табака модель описывает горение и образование угля. Мы также включили в модель перенос кислорода, дыма и азота. Конечно, реальный процесс гораздо сложнее с точки зрения химических явлений, но эта модель ясно и просто показывает распределение температуры дыма и концентрации кислорода.
Не вдыхайте сигарный дым
Когда составляющие сигарного дыма растворяются во рту, слюна становится щелочной. Сигаретный дым делает ее, наоборот, кислотной. При низких значениях pH никотин протонирован и не несет электрический заряд. С другой стороны, при высоких значениях pH никотин теряет протон и приобретает отрицательный заряд. Отрицательно заряженный ион никотина гораздо легче проходит через оболочки ротовой полости, чем нейтральная молекула, которую оболочки отталкивают. По этой причине сигарный дым не требуется и не следует вдыхать; никотин всасывается и поступает в кровь, просто попав в ротовую полость.
Как мы уже говорили, первая доза никотина стимулирует и ускоряет мышление, а последующее повышение его уровня имеет успокаивающий эффект. Такая последовательность событий обычно называется парадоксом Несбитта в честь ученого, который указал на нее.
Гораздо больше чем просто сигара
Вы могли заметить, что заголовок статьи обыгрывает цитату (неточную) «иногда сигара — это просто сигара». Первоначальная цитата отсылала к ответу Зигмунда Фрейда на основанное на его собственной теории предположение о том, что Фрейд постоянно курил сигары из-за их фаллической формы (если вы не знакомы с этой теорией, о ней можно узнать здесь или здесь).
Сложные процессы, протекающие при курении сигары, и красивые дымные узоры показывают, что и без фаллического символизма сигара иногда больше, чем просто сигара…
Дополнительная литература
- R.R. Baker, “Mechanisms of Smoke Formation and Delivery”, Tobacco Chemists’ Research Conference Symposium, 1980.
- P. Ermala and L. Holsti, “On the Burning Temperatures of Tobacco”, Cancer Research,16:490-495, 1956.
Отказ от ответственности: COMSOL не поддерживает курение, но поддерживает развитие науки и численное моделирование повседневных действий, связанных с мультифизическими явлениями.
#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol