本专题内容主要来自加拿大渥太华消防局开发的一个课程FKTP(From Knowledge To Practice),旨在研究火灾动力学与当前灭火策略与战术的关系,使消防员更好地识别火场的风险,从而降低火场伤亡。 上一期我们讲到了学习火灾动力学的必要性,本期我们就来扒一扒消防燃烧学的基础。 01. 燃烧的定义 燃烧:可燃物与助燃物发生的一种发光、发热的剧烈化学反应。 化学反应通常分为放热反应和吸热反应。 燃烧是释放热能的化学反应。 首先,我们来大概了解一下能量的形式: 能量有多种形式,通常通常分为:化学能、热能、电能、核能等等。根据燃烧的特性,通常我们讨论燃烧时主要关注化学能及热能。 燃烧可以将化学能转换成热能: 02. 热量、温度、比热 我们在讨论火灾现象时,热量、温度和热释放速率的概念都是非常重要的概念,因为这些都有助于我们在评估火灾时,了解产生的热量是如何转移到周边环境的。 温度是物体的冷热程度,它是一个状态量,它的变化用升高和降低来表述。从分子动理论的观点来看,温度越高,分子无规则运动的速度就越大,分子运动就越剧烈。 关于温度和热量的关系,可以从两个方面来理解:一方面,物体吸收或放出热量,但温度不一定改变。例如:晶体熔化和液体沸腾,物体吸热,但不升温;液体凝固成晶体和气体液化,物体放热,但不降温。 另一方面,物体温度发生变化,不一定是由于吸热或放热。因为做功和热传递在改变物体的内能上是等效的。 另一个很重要的概念就是比热容(Cp),它的定义就是1g均相物质温度升高1℃所需的热量。它的常见单位是:J/(g·℃)。 各种材料的比热容各不相同 简单的说,就是不同物质温度提升所需的能量大不同。将1kg水提高1℃所需能量可以将1kg黄铜提高11℃。 水能成为理想灭火剂的特性在于它的“高比热”特性。 接着,就是热量的计算公式: 其中:m是质量,单位 [g]Cp 是比热容,单位 [J/(g·℃)]∆T 是温度变化,单位 [°C] 根据公式我们可以得出:1kg水升高1℃,吸收的热量是4.2kJ。 03. 水的形态与相变 水有三种形态,分别是固态、液态和气态。 物质在等温等压情况下,从一个形态变化到另一个形态(相变过程)会吸收或放出的热量,我们称之为相变潜热,简称潜热。 固、液之间的潜热称为熔解热(或凝固热),液、气之间的称为汽化热(或凝结热)。 水相变过程热量会发生变化 例如,水从固态转换成液态,从液态转换成气态的过程中,温度不会升高,但是会吸收大量的热。 注意两条垂直线: 从固态转换成液态:吸热80cals 从液态转换成气态:吸热540cals 水的温度没变,但是形态和能量都发生了改变。 从实验数据可以看出,水转换成水蒸气所吸收的热量比水从0°C加热到100°C吸收的热量多很多,前者吸收的热量是后者的5.4倍。 这也就是在冷却热烟气的时候,我们要用雾状水的原因,因为雾状水可以让射流最大限度地转换成水蒸气,提升灭火效能。 04. 燃烧的两种“模型” 1、燃烧三角形 燃烧三角形是描述燃烧的三要素,在这三要素中,无论缺少哪个,燃烧都不能发生。 2、燃烧四面体 大多数的有火焰燃烧都存在着链式反应。根据链式反应理论,很多燃烧的发生和持续需要“中间体”游离基(自由基),因此就有了“燃烧四面体”。 为了让燃烧继续,四个要素必须以正确的方式组合,也就是说,去掉四面体的任何一面就可以熄灭火焰。 所以,我们可以通过控制燃烧四面体的四个要素来控制火灾。 3、燃烧种类 根据燃烧有没有产生火焰,我们将燃烧分为有焰燃烧及无焰燃烧 无焰燃烧:无焰燃烧(或称“阴燃”)是指固体可燃物,特别是多孔或可碳化的可燃物在其表面发生的放热氧化反应。 通常情况下,阴燃温度较低,氧化剂(氧气)供给有限,燃烧产物与有焰燃烧有很大不同。 如果条件适当改变,无焰燃烧可以过渡到有焰燃烧。所以,无焰燃烧潜在危险较大(难以预测)。 有焰燃烧:有可见的火焰,火焰是在气相状态下发生燃烧的外部表现(注意:这里参与燃烧的可燃物及助燃物都是气体)。 关于燃烧的要素,我们下期再进行详细讲解。 |
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