Одно из самых завораживающих явлений в мире, от которого невозможно оторвать взгляд, — это пламя. Вероятно, и сотни лет назад люди с восхищением наблюдали за танцующими языками огня. Но их знания не позволяли им постичь природу этого феномена. Сегодня наука сделала огромный шаг вперёд, и современному человеку, даже просто окончившему школу, вполне доступно понимание физических и химических процессов, лежащих в основе этого явления. Так что же представляет собой пламя?
Из школьного курса химии мы помним, что огонь — это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением тепла и света. Мы также знаем, что для возникновения огня необходимы три фактора: топливо, окислитель (воздух) и достаточная температура для инициирования и поддержания реакции. На самом деле есть ещё одно важное условие — гравитация. В условиях невесомости огонь может гореть лишь непродолжительное время.
Как же происходит горение? Рассмотрим сначала горение жидкого топлива, которое легко испаряется. Молекулы топлива, нагреваясь, поднимаются вверх за счёт конвекции и смешиваются с воздухом, создавая зону смеси топлива и окислителя. Когда эта смесь поджигается, начинается химическая реакция горения. Продукты окисления поднимаются выше, а на их место поступают новые порции топлива и окислителя. Гравитация необходима именно для обеспечения постоянного притока новых молекул топлива и окислителя взамен прореагировавших.
С горением твёрдых тел дело обстоит немного сложнее. Сначала под воздействием температуры происходит пиролиз — термическое разложение органических веществ без доступа кислорода. В результате этого процесса выделяются летучие газы, такие как метан, водород, монооксид углерода и другие углеводороды. Эти газы поднимаются вверх, смешиваются с воздухом и вступают в реакцию окисления по уже описанному механизму.
После того как большинство легковоспламеняющихся компонентов сгорело, остаётся уголь — твердый остаток, состоящий преимущественно из углерода. Уголь продолжает медленно тлеть, реагируя с кислородом и выделяя тепло.
Таким образом, пламя состоит из нескольких зон, каждая из которых характеризуется определёнными физическими и химическими процессами. Самая горячая область пламени — это не самая нижняя часть, как может показаться на первый взгляд, а скорее середина или даже наружная часть, где происходит основная реакция окисления.
Так что же видит человеческий глаз?
В процессе реакции окисления выделяется большое количество тепловой энергии. Эта энергия передается окружающим атомам, приводя к их возбуждению. При этом электроны в атомах переходят на более высокие энергетические уровни. Возбужденные электроны стремятся вернуться в своё исходное состояние на более низкий энергетический уровень. При переходе электрона с высокого уровня на низкий избыток энергии высвобождается в виде фотона, который и воспринимает сетчатка глаза.
Энергия фотонов, испущенных при возвращении электронов на нижние уровни, соответствует определённой длине волны света. Различные длины волн соответствуют различным цветам видимого спектра. Например, синие и фиолетовые цвета связаны с более высокими энергиями фотонов, чем красные и оранжевые. Фотоны с еще более низкими энергиями составляют инфракрасное излучение, которое мы не видим, но чувствуем тепло.
Таким образом, пламя — это динамичная смесь горячих газов, чьи разные температуры создают живописную игру цветов, придавая каждому участку свой уникальный оттенок.