PODZIAŁ PROCESÓW SPALANIA PŁOMIENIOWE ► homogeniczne, ► paliwo w fazie lotnej, ► obecność rodników: O*, H*, OH*, ► gazy, ciecze palne. BEZPŁOMIENIWE ►

Prezentacja na temat: "PODZIAŁ PROCESÓW SPALANIA PŁOMIENIOWE ► homogeniczne, ► paliwo w fazie lotnej, ► obecność rodników: O*, H*, OH*, ► gazy, ciecze palne. BEZPŁOMIENIWE ►"— Zapis prezentacji:

1 PODZIAŁ PROCESÓW SPALANIA PŁOMIENIOWE ► homogeniczne, ► paliwo w fazie lotnej, ► obecność rodników: O*, H*, OH*, ► gazy, ciecze palne. BEZPŁOMIENIWE ► heterogeniczne, ► paliwo nie przechodzi w palną fazę lotną (w minimalnej ilości), ► tlenie, ► węgiel drzewny, torf, pył osiadły. CAŁKOWITE ► produkty nie mają zdolności do dalszego utleniania, ► np.: CO2; H2O; ► przy dostatecznym dopływie powietrza (w tlenie), NIECAŁKOWITE ► powstałe produkty, są w dalszym ciągu paliwem ► np.: CO; ► przebiega przy ograniczonym dopływie powietrza, DYFUZYJNE ► paliwo i utleniacz mieszają się w strefie spalania, ► szybkość spalania zależy od szybkości dyfuzji powietrza do strefy spalania, czyli cienkiej zewnętrznej warstwy płomienia, ► klasyczny pożar. KINETYCZNE ► paliwo i utleniacz wstępnie zmieszane, ► szybkość spalania zależy głównie od szybkości reakcji chemicznej między tlenem i paliwem, ► wybuch chemiczny (deflagracja lub detonacja). MIESZANINY UBOGIE W PALIWO MIESZANINY STECHIOMETRYCZNE MIESZANINY BOGATE W PALIWO LAMINARNETURBULENTNE

2 PŁOMIEŃ Płomień jest to widzialna objętość gazowa, w której przebiegają procesy rozkładu termicznego, utleniania i spalania. Płomień powstaje w części przestrzeni, w której zachodzi chemiczna reakcja spalania. Rozróżnia się dwa typy płomieni: a) płomień dyfuzyjny tzn. płomień powstały w wyniku zapalenia tej części objętości, w której następuje mieszanie się paliwa z powietrzem (utleniaczem); szybkość spalania w płomieniu dyfuzyjnym jest określona szybkością dyfuzji (przenikania) powietrza do strefy spalania płomienia; b) Płomień kinetyczny- powstały w warunkach, gdy substancja palna była już wstępnie, przed zapaleniem zmieszana z powietrzem, oznacza to, że szybkość spalania określana jest przede wszystkim szybkością przebiegu reakcji spalania. Reakcję spalania mieszaniny palnej (substancja palna wstępnie zmieszana z utleniaczem) nazywa się spalaniem kinetycznym. Reakcję spalania, której szybkość zależy od dyfuzji powietrza do paliwa nazywa się spalaniem dyfuzyjnym. W środowisku pożaru zachodzi spalanie dyfuzyjne.

3 Płomień dyfuzyjny Najbardziej znanym płomieniem dyfuzyjnym jest płomień świecy. Szczegółową ilustrację poszczególnych zjawisk i procesów zachodzących w takim płomieniu przedstawia rysunek.

4 Z chwilą zapalenia, pod wpływem ciepła promieniowania, wosk mięknie, topi się. Działaniem sił kapilarnych po knocie wędruje do góry. W temp. 600—800°C, na powierzchni knota ulega rozkładowi termicznemu. Powstałe produkty rozkładu termicznego migrują do różnych części knota i dostają się do wewnętrznych części płomienia lub też unoszone prądami konwekcyjnymi osiągają zewnętrzną warstwę płomienia. Wskutek tego, że powietrze jest zużywane w zewnętrznej części płomienia, w części wewnętrznej płomienia powstałe z rozkładu (pirolizy) fragmenty paliwa, ulegają dalszemu rozpadowi tworząc produkty o niskiej masie cząsteczkowej. Produkty te wędrują do regionów, gdzie temperatura osiąga 1000°C. Tam ulegają one spaleniu tworząc najczęściej CO 2 oraz częściowo w wyniku różnych przemian prowadzą do po­wstania sadzy. Rozpatrzmy ten typ spalania bardziej dokładnie. Załóżmy, że substancją palną jest np. wodór. Z chwilą zetknięcia się wodoru z powietrzem, a w następstwie różnicy ciśnień cząsteczkowych, zachodzi dyfuzja molekularna. W wyniku wzajemnego przenikania się cząsteczek wodoru, azotu i tlenu, tworzy się mieszanina. Stężenie wodoru w różnych punktach mieszaniny jest niejednakowe i zmniejsza się w miarę wzrostu odległości od miejsca dyfuzji wodoru, do powietrza. W zależności od stężenia wodoru całą objętość tworzącej się mieszaniny można podzielić na trzy części: (rysunek ) w l obszarze znajduje się mieszanina zawierająca duży procent wodoru, a mało tlenu. Taka mieszanina nie jest zdolna do spalania się, ponieważ stężenie wodoru jest wyższe od stężenia odpowiadającego górnej granicy zapalności, czyli jest wyższe od maksymalnego stężenia, przy którym zachodzi spalanie. W obszarze 2-gim znajduje się mieszanina, w której stężenie wodoru leży w obszarze zapalności wodoru, a więc zdolna do zapalenia się. W 3-cim obszarze stężenie wodoru jest niższe od wartości dolnej granicy, tzn. jest niższe od minimalnego stężenia, przy którym już zachodzi spalanie, a więc mieszanina nie spala się. Z chwilą zbliżenia do powstałej mieszaniny źródła zapalenia, spalanie zachodzi tlko w obszarze 2- gim.

5 Tworzenie się mieszaniny palnej w płomieniu w wyniku dyfuzji molekularnej. a) do chwili rozpoczęcia procesu spalania: 1 - obszar, w którym stężenie składnika palnego przewyższa górną granicę zapalności, 2 - obszar stężeń w zakresie wybuchowym, 3 - obszar, w którym stężenie składnika palnego jest niższe od dolnej granicy wybuchowości. b) budowa płomienia dyfuzyjnego podczas spalania: 1 - strefa palnych gazów, 2 - strefa spalania, 3 - mieszanina produktów spalania z powietrzem.

6 Strefą zadymienia nazywamy tę część przestrzeni. Bezpośrednio sąsiadującą ze strefą spalania, która jest zapełniona dymowym aerozolem w takim stężeniu, które stwarza zagrożenie zdrowia lub życia ludzi, którzy w niej przebywają. Dym to aerozol, w którym fazę rozproszoną stanowią cząsteczki stałe i ciekłe będące produktami spalania. Rozmiary cząsteczek dymu są rzędu ułamków mikrona, dlatego są swobodnie unoszone nawet przez słabe prądy konwekcyjne. Strefa ta ma szczególnie istotne znaczenie przy pożarach wewnętrznych.

7 PRODUKTY SPALANIA Produkty spalania są to substancje otrzymywane w wyniku procesu spalania materiałów palnych. Ze względu na stan skupienia dzielą się na gazowe, ciekłe i stałe. W warunkach pożarowych produkty spalania o różnych stanach skupienia współistnieją ze sobą w obszarze spalania i przemieszczania się ciepła, czyli w tzw. kolumnie konwekcyjnej ognia. Wydzielanie się produktów spalania podczas pożaru stanowi niebezpieczeństwo ze względu na: — ograniczenie widoczności, — utrudnianie oddychania spowodowane ich działaniem toksycznym oraz występującym niedoborem tlenu, — działanie termiczne (wysoka temperatura mogąca uszkodzić układ oddechowy), Produktami całkowitego spalania nazywa się produkty powstałe pod­czas spalania, nie mające zdolności do dalszego utleniania w warunkach, w których były otrzymane, np.: dwutlenek węgla, woda, dwutlenek siarki, pięciotlenek fosforu itd. Produktami niecałkowitego spalania nazywa się produkty powstałe. podczas spalania przebiegającego przy ograniczonym dopływie powietrza np.: tlenek węgla, trójtlenek fosforu itd. Lotne produkty spalania dwutlenek węgla, tlenek węgla wodór, siarkowodór, akroleina cyjanowodór, metan, dwutlenek siarki

8

9 TLENEK WĘGLA CO Jest jednym z produktów niepełnego spalania substancji organicznych i nieorganicznych. Jest to bezbarwny gaz bez zapachu. Jest nieco lżejszy od powietrza. Z innymi związkami chemicznymi łączy się nieznacznie. Przed tlenkiem węgla nie chroni zwykła maska przeciwgazowa. Tlenek węgla zmieszany z powietrzem nabiera właściwości palnych i wybuchowych. W pomieszczeniu, w którym powietrze jest nasycone CO, nawet najmniejsza iskra, powstała np. przy dzwonieniu telefonu lub dzwonka przy drzwiach, może spowodować wybuch. Jest bardzo niebezpieczny ze względu na silne i skryte działanie toksyczne. CO przedostaje się do krwi drogą inhalacyjną (oddechową), łączy się z hemoglobiną, tzn. barwnikiem czerwonych ciałek krwi i tworzy związek zwany karboksyhemoglobiną. Zdolność wiązania się CO z hemoglobiną jest 250-300 razy większa niż z tlenem. Karboksyhemoglobina nie może przyswajać tlenu i służyć jako przenośnik tlenu w organizmie. Maksymalna dopuszczalna ilość CO w powietrzu wynosi 0,002 % (0,03 mg/l powietrza). Choroby przewlekłe, głód, awitaminoza itp., zwiększają wrażliwość ustroju na tlenek węgla. W okresie zatrucia występują objawy przede wszystkim ze strony ośrodkowego układu nerwowego. Objawy te to : bóle głowy, zaczerwienienie i pieczenie skóry twarzy, dreszcze, uczucie słabości i lęku, przyspieszenie tętna, pragnienie, nudności i bóle brzucha, wymioty, a w drugiej fazie zatrucia poszkodowany popada w stan oszołomienia, w którym traci wszelką zdolność do decydowania i obojętnieje na niebezpieczeństwo (świadomość niebezpiecznej sytuacji z jednoczesnym osłabieniem kończyn dolnych).

10 DWUTLENEK WĘGLA CO2 to produkt pełnego spalania węgla lub tlenku węgla i powstaje podczas spalania przy dostatecznym dopływie tlenu. Jest gazem cięższym od powietrza ok. 1,5 razy, bezbarwnym i bez zapachu. Występuje też w wielu procesach biologicznych. W normalnych warunkach występuje dwutlenek węgla w ok. 0,03 % objętości powietrza atmosferycznego. Przy stężeniu ok. 10 % powoduje objawy niedotlenienia, przy 15 % utratę przytomności, a w stężeniu powyżej 30 % powoduje natychmiastową śmierć (nie jest toksyczny w swym działania tylko wypiera tlen z atmosfery co powoduje uduszenie).

11 CHLOROWODÓR HCl Powstaje podczas spalania i rozkładu termicznego PCV chlorokauczuków. Jego generacja dochodzi do 50% masy wejściowej tworzywa. Ponieważ chlor wchodzi w skład dodatków do tworzyw lub jest używany do ochrony strukturalnej polimerów, to występuje również w produktach spalania polistyrenu i poliuretanu. Chlorowodór powoduje podrażnienie układu oddechowego, niebezpieczny w postaci gazowej i ciekłej. Chlorowodór jest gazem niepalnym, żrącym, wykazującym silne działanie drażniące na błony śluzowe górnych dróg oddechowych i oczu, a w bezpośrednim kontakcie ze skórą powoduje zniszczenie tkanki skórnej.

12 CYJANOWODÓR HCN - kwas pruski Powstaje on wyniku rozkładu wełny, poliamidów, a także tworzyw zawierających azot w cząsteczce np. poliuretanów. Szkodliwość cyjanowodoru jest przypisywana wchłanianiu tego związku w metabolizmie komórkowym, co zakłóca proces wytwarzania niezbędnych dla życia organizmu enzymów i powoduje śmierć. Jest to substancja bezbarwna o zapachu migdałowym, bardzo silnie trująca, działająca na ośrodek oddechowy i naczynioworuchowy, dobrze rozpuszczalna w wodzie, alkoholu i eterze, występuje podczas spalania wielu tworzyw sztucznych. Cyjanowodór stosowany jest również jako silny środek dezynsekcyjny i deratyzacyjny. Preparat "cyklon" jest mieszaniną estrów metylowego i etylowego kwasu cyjanowodorowego, które w podwyższonej temperaturze łatwo rozkładają się i wydzielają gazowy cyjanowodór. Szersze zastosowanie przemysłowe i techniczne (m.in.: w galwanizerniach, w fotografice, w syntezach chemicznych) mają sole kwasu cyjanowodorowego, a przede wszystkim cyjanek potasu. Jest on też najczęstszą przyczyną zatruć omyłkowych i samobójczych. Rozkłada się pod wpływem kwasu solnego z żołądka, wydzielając wolny cyjanowodór, który blokuje tkankowe fermenty oddechowe, uniemożliwiając wykorzystanie tlenu przez tkanki, czyli powoduje ich duszenie. Przeciętna dawka śmiertelna cyjanowodoru wynosi 0,07 g, cyjanku potasu 0,15-0,25 g. Przy wdychaniu cyjanowodoru w stężeniach ok. 0,05% objętości powietrza śmierć może nastąpić natychmiast. Przy stężeniach we wdychanym powietrzu powyżej 0,02% - po kilku minutach. Stężenie cyjanowodoru ok. 0,005% objętości powietrza już może być niebezpieczne dla życia i spowodować śmierć po kilku godzinach. Przebieg zatrucia doustnego cyjanowodorem i cyjankami może być różny, w zależności nie tylko od dawki, ale także od kwasoty żołądka i indywidualnej wrażliwości. W przebiegu względnie powolnym pojawia się najpierw ból głowy, szum w uszach, duszności, z uczuciem ściskania w klatce piersiowej, wymioty, przyspieszenie i osłabienie tętna, spadek ciśnienia, śpiączka. Przy tych objawach może zwrócić uwagę różowe zabarwienie skóry i zapach gorzkich migdałów w otoczeniu.

13 Produkty spalania dym Produktami spalania są pary, gazy i ciała stałe powstałe w rezultacie procesu spalania. Większość materiałów palnych są to na ogół związki organiczne tzn. składające się z węgla, wodoru, tlenu, rzadziej z siarki chloru i azotu. Każdy z pierwiastków wchodzących w skład materiału palnego, jeśli tylko zaistnieją odpowiednie warunki, łączy się w procesie palenia z tlenem z powietrza. Podczas spalania 1 kg drewna wydziela się od 7,5-8,0 m3 produktów gazowych, 1 kg metanu daje 10,52 m3 produktów gazowych. Do bezpiecznego (z przewagą CO2 i H2O w produktach gazowych) spalenia 1kg drewna i większości tworzyw znajdujących się w pożarze potrzebujemy około 5 m3 powietrza (1m3 tlenu), natomiast do również tak samo bezpiecznego spalenia węgla, aż około 9 m3 powietrz (1,8 m3 tlenu).

14 Dwutlenek węgla (CO 2 ) - produkt pełnego spalania się węgla lub tlenku węgla, powstający przy dostatecznym dopływie tlenu. Jest gazem cięższym od powietrza ok. 1,5 raza, bezbarwnym i bez zapachu. Występuje też w wielu procesach biologicznych. W normalnych warunkach dwutlenek węgla stanowi ok. 0,03% objętości powietrza atmosferycznego. Przy stężeniach ok. 10% powoduje objawy niedotlenienia, przy stężeniach 15% utratę przytomności, a w stężeniach powyżej 30% wywołuje natychmiastową śmierć. Tlenek węgla (CO) - jest gazem bezbarwnym, bez zapachu, nieco lżejszym od powietrza, jest produktem niecałkowitego spalania powstającym przy niedostatecznym dopływie tlenu do strefy reakcji. Działając na organizm ludzki, powoduje unieczynnienie hemoglobiny czerwonych ciałek krwi, uniemożliwiając pobieranie tlenu przez krew, tym samym działa zabójczo. Duża zawartość ( 0,03 mg/l ) w powietrzu może spowodować śmierć już po kilku oddechach. % CO w powietrzuczas działaniaobjawy 0,02 2—3 godziny słabe bóle głowy 0,4 l—2 godziny słabe bóle głowy i nudności 0,08 45 minut słabe bóle głowy, nudności, zawroty głowy­ 0.08 2 godziny utrata przytomności i zapaść 0,16 20 minut bóle głowy, zawroty, nudności

15

16 Wodór (H 2 ) - to najlżejszy z gazów, bezbarwny i bezwonny. Niebezpieczny wybuchowo przy zapaleniu i przy kontakcie z substancjami utleniającymi i tlenem. Siarkowodór (H 2 S) - gaz bezbarwny, o charakterystycznym zapachu zgniłych jaj. Występuje w procesach gnilnych związków organicznych oraz rozpadzie niektórych minerałów zawierających siarkę ( gips, dolomit, piryt). Stosowany jest często w przemyśle chemicznym. Występuje niebezpieczeństwo wybuchu przy kontakcie z substancjami utleniający­mi i pyłami metali. Jest bardzo silną trucizną porażającą układ oddechowy. Wchłaniany jest również przez skórę. Przy stężeniach w powietrzu powyżej 0,1% już po kilku oddechach może nastąpić nagła śmierć w wyniku porażenia układu oddechowo-krążeniowego. Akroleina (C 3 H 4 O) – wydziela się podczas spalania materiałów zawierających tłuszcze zwierzęce i oleje roślinne. Jest to ciecz łatwozapalna, cięższa ok. 2 razy od powietrza, o zapachu spalonego tłuszczu. Przejawia silne działanie drażniące na śluzówki górnych dróg oddechowych i oczu. W większych stężeniach może powodować zapalenie płuc z możliwością zejścia śmiertelnego.

17 Cyjanowodór (HCH) - występuje podczas spalania wielu tworzyw sztucznych. Substancja bezbarwna o zapachu migdałowym, bardzo silnie trująca, działająca na ośrodek oddechowy i naczyniowo-ruchowy. Metan (CH 4 ) - powstaje w wyniku spalania, z połączenia wodoru i węgla w procesie nie­pełnego spalania. Jest to gaz bezbarwny, bez zapachu, lżejszy od powietrza. Występuje w gazie ziemnym ( błotnym ) i spotkać go można także w studniach głębinowych, zbiornikach, dołach kloacznych. Jest gazem nietrującym, może jednak spowodować niedobór tlenowy. Działa narkotycznie i drażni ośrodkowy układ nerwowy. Jest gazem palnym a w stężeniach ( 5,3 – 14% ) tworzy mieszaninę wybuchową. Dwutlenek siarki (SO 2 ) - jest gazem bezbarwnym o ostrym zapachu. Silnie oddziaływuje na śluzówki górnych dróg oddechowych i oczu. Jest stałym składnikiem dymów pożarowych.

18 Ciepło spalania i wartość opałowa Ciepło spalania jest to ilość ciepła, która wydziela się podczas całkowitego spalania jednostki masy danej substancji. Najczęściej, wartość ciepła spalania podaje się w przypadku ciekłych i stałych materiałów palnych w kilodżulach (kJ) w przeliczeniu na 1 kg, natomiast dla gazów w kilodżulach (kJ) w przeliczeniu na m3. Podczas całkowitego spalania paliwa otrzymuje się na ogól w produktach spalania dwutlenek węgla (CO2) i wodę (H2O). W obliczeniach ciepła spalania zakłada się, że powstała w czasie spalania woda jest w stanie ciekłym. Wartością opalową nazywa się tę ilość ciepła w kilodżulach (kJ), która wydziela się podczas całkowitego spalania jednostki masy (lub objętości) substancji, przy założeniu, że woda po spaleniu występuje w stanie pary. Czyli liczba określająca wartość opalową jest to wartość liczbowa ciepła spalania zmniejszona o ciepło skraplania wody.

19 Wymiana ciepła w środowisku pożaru Jedną z charakterystycznych cech procesu spalania jest wydzielenie się ciepła, powstającego w wyniku spalania materiału palnego. Wielkość tego ciepła mierzy się w kcal/kg (MJ/kg) lub w kcal/m 3 i (MJ/m 3 ) - dla gazów. Zrozumienie zasad przenoszenia ciepła i przepływu płynów jest niezbędne dla zrozumienia zjawisk występujących przy pożarze. Wymiana ciepła w warunkach pożarowych odbywa się poprzez trzy drogi jego transportu:  przewodzenia ( kondukcji ),  promieniowania (radiacji ),  konwekcji ( unoszenia ). W warunkach pożarowych przenoszenie ciepła przypuszczalnie zachodzi przy pomocy wszystkich trzech typów, jednak jeden typ transportu ciepła jest dominujący w danej fazie rozwoju pożaru lub w danej lokalizacji spalania. Wymianę ciepła w środowisku pożarowym przedstawia zamieszczony poniżej rysunek. Rys. Wymiana ciepła w środowisku pożaru

20 Przewodność cieplna (kondukcja) Zjawisko przewodności ciepła polega na wymianie energii drogą bezpośredniej styczności cząsteczek ciała o różnych temperaturach. Wymiana energii, a więc i szybkość zrównania się temperatury stykających się ze sobą ciał, zależy od przewodności cieplnej tych ciał. Przewodzenie ciepła określa szybkość przepływu ciepła w ciałach stałych. Jest to ważny problem, biorąc pod uwagę zapalność i szybkość rozprzestrzeniania się płomienia po powierzchni ciał stałych. Czyli w początku pierwszej fazy pożaru przewodnictwo ciepła decyduje o tym jak szybko materiał ogrzewa się, rozkłada termicznie itd. Przewodnictwo ciepła jest również istotne przy obliczaniu odporności ogniowej elementów budowlanych, czyli czasu, po upływie, którego w temperaturze pożaru, element budowlany traci wytrzymałość, ponieważ przy określaniu odporności ogniowej wymagana jest znajomość szybkości przepływu ciepła przez otaczające pomieszczenie przegrody itd. Przewodność cieplna jest to ilość ciepła przepływającego w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni, przy spadku temperatury o 10 C na jednostkę długości. Przewodność cieplna nie jest wielkością stałą. Zależy ona bowiem od struktury, ciężaru właściwego, ciśnienia, temperatury i wilgotności danego materiału. Dla strażaków duże znaczenie ma fakt, że różne materiały różnie przewodzą ciepło, a więc charakteryzują się różną przewodnością ciepła. Ważne jest również i to, że przewodność cieplna materiałów stosowanych w budownictwie, a z takimi w praktyce zawodowej najczęściej mamy do czynienia, wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Znajomość tego zagadnienia może okazać się bardzo pomocna przy rozpatrywaniu i analizie zjawiska pożaru, przy określaniu temperatur jakie mogą panować wewnątrz ogrzewanego materiału lub jego nie ogrzewanej stronie itp. Bardzo dobrymi przewodnikami ciepła są metale i stal. Złymi przewodnikami są np.: beton, drewno. Jeżeli zbudowaliśmy dwie ściany o grubości 25 cm, jedną ze stali, a drugą z drewna i działali na nie jednakowym źródłem ciepła to okaże się, że ściana drewniana od strony źródła ciepła zacznie się palić, ale po stronie przeciwnej nie odczujemy wyraźnego wzrostu temperatury. Ściana stalowa będzie po przeciwnej stronie tak nagrzana, że może spowodować zapalenie się zgromadzonego przy niej materiału palnego.

21 Unoszenie ciepła (konwekcja) Zjawisko unoszenia ciepła ma miejsce w cieczach i gazach. Jest ono ściśle związane z ruchem cieczy lub gazu. Ogrzane cząsteczki gazu lub cieczy są lżejsze od nie ogrzanych i unoszą się do góry. Unosząc się oddają swoją energię cieplną cząsteczkom mniej ogrzanym. Zjawisko unoszenia zależy od warunków powstawania ruchu cząsteczek i jego rodzaju oraz od właściwości fizycznych gazów lub cieczy. Konwekcyjne unoszenie ciepła polega na wymianie ciepła pomiędzy gazem lub cieczą a ciałem stałymi powoduje ruch np. ruch ogrzanego powietrza przepływającego nad powierzchnią ogrzanego materiału. Konwekcyjne przenoszenie ciepła ma miejsce we wszystkich fazach rozwoju pożaru, ale szczególnie istotne jest w tej fazie pożaru gdzie strumień ciepła promieniowania jest bardzo mały. W zjawisku konwekcji (unoszenia) ciepła rodzaj ruchu ma bardzo duże znaczenie, określa on bowiem mechanizm przenoszenia ciepła. Przy ruchu laminarnym (spokojnym) wymiana ciepła w kierunku prostopadłym do ścianki odbywa się tylko na zasadzie przewodzenia i zależy od przewodności cieplnej cieczy lub gazu. Przy ruchu burzliwym wymiana ciepła drogą przewodzenia odbywa się tylko w ograniczonej warstwie laminarnej, zaś wewnątrz burzliwego jądra – drogą intensywnego mieszania się cząsteczek cieczy lub gazu. Zjawisko unoszenia ciepła występuje podczas pożaru. Gorące gazy pożarowe oraz nagrzane powietrze unoszą się do góry, wytwarzając w miejscu pożaru podciśnienie. Powoduje to szybki napływ świeżego powietrza, które podsyca palenie. Przy dużych pożarach napływ świeżego powietrza jest tak szybki, że stwarza wrażenie wiatru wiejącego ze wszystkich stron w kierunku pożaru. To zjawisko wykorzystywane jest do zakładania przeciwogni przy dużych pożarach lasu.

22 Promieniowanie ciepła (radiacja) O ile przewodnictwo i konwekcyjne przenoszenie ciepła jest to wymiana ciepła w materiałach o różnych stanach skupienia lub pomiędzy różnymi ośrodkami gazowymi, o tyle transport ciepła na drodze promieniowania nie wymaga ośrodka gazowego pomiędzy źródłem ciepła a obiektem, który otrzymuje ciepło, ponieważ w przenoszeniu ciepła na drodze promieniowania biorą udział fale elektromagnetyczne, które jako światło widzialne mogą być absorbowane, przenoszone lub odbijane przy powierzchni i mogą być częściowo zatrzymywane przez obiekt np. ekran. Przy nagrzewaniu ciał część energii cieplnej zawsze zamienia się na energię promieniowania. Głównym czynnikiem tej przemiany jest temperatura, stąd też i ilość energii cieplnej ulegającej przemianie na energię promieniowania zależy od temperatury. Przy wymianie ciepła drogą promieniowania najważniejsze są promienie, które mogą być pochłonięte przez ciało i których energia zamienia się w ciepło. Te właściwości mają promienie świetlne i podczerwone. Promieniowanie rozchodzi się prostoliniowo i we wszystkich kierunkach, tworząc obszar zwany polem promieniowania. Proces wysyłania promieniowania nazywa się emitowaniem. Promieniowanie cieplne mierzy się strumieniem cieplnym. Który jest miarą ilości ciepła, która w jednostce czasu jest przekazywana przez jednostkę powierzchni. Jednostka promieniowania cieplnego jest wat na metr kwadratowy – W/m2 (kcal/m2 x h) 1 kcal/m2 x h = 1,163 W/m2. Promieniowanie cieplne może być wchłonięte (zaabsorbowane), odbite lub przepuszczone przez ciało poddane promieniowaniu. Ciało doskonale czarne całkowicie absorbuje promieniowanie cieplne. Ciało szare częściowo absorbuje, a częściowo odbija promieniowanie. Ciało doskonale białe całkowicie odbija promieniowanie cieplne. Całkowicie przepuszcza promieniowanie cieplne ciało doskonale przezroczyste. Materiały absorbujące promieniowanie cieplne zapalają się szybciej niż te, które promieniowanie to odbijają. Podczas pożaru dużą rolę odgrywa promieniowanie cieplne płomieni. Podczas spalania zupełnego powstają jasne płomienie. emitują one niewielką ilość energii cieplnej. Przy spalaniu niezupełnym występuje płomień świecący. W jego skład wchodzi zawiesina rozżarzonych cząsteczek węgla powstałych z rozpadu węglowodorów, lotnych cząstek koksiku i popiołu. Tego typu płomienie najczęściej występują podczas pożaru. Emitują one znaczną ilość energii cieplnej. Odgrywa ona dużą rolę w rozwoju i rozprzestrzenianiu się pożaru. Gęstość strumienia cieplnego zależy od odległości i natężenia źródła promieniowania.

23 Promieniowanie jest dominującym, zasadniczym sposobem przenoszenia ciepła w pożarach. Właśnie wskutek oddziaływania na materiały strumieni ciepła promieniowania, ulegają one ogrzewaniu i w konsekwencji dalszym przemianom aż do wystąpienia zapalenia. Promieniowanie warunkuje również ciągłość spalania materiałów i jest ono odpowiedzialne za szybkość rozwoju pożarów na otwartych przestrzeniach np. pożarów lasów oraz za ogrzewanie się budynków. Podstawowa ilość ciepła wydzielonego w płomieniach jest przenoszona do otoczenia drogą promieniowania. Większość tego promieniowania jest emitowana przez cząsteczki sadzy, które tworzą się w płomieniach dyfuzyjnych, powodując jego świecenie. Efekt termicznego promieniowania płomienia do otoczenia lub z nagrzanych obiektów na sąsiadujące z nim powierzchnie, może być zbadany na drodze obliczeń analitycznych. Takie właśnie analizy przeprowadza się, aby wyjaśnić jak szybko materiał palny, eksponowany na promieniowanie cieplne osiąga stan, w którym może się on zapalić i spalać stacjonarnie tzn. ze stałą szybkością spalania.

24

25

26

27

28

29

30

31 PŁOMIEŃ (1) Płomień – szybka, przemieszczająca się reakcja chemiczna, której towarzyszy emisja światła i wydzielanie się ciepła. Na reakcję tę składa się co najmniej kilkadziesiąt reakcji elementarnych. W płomieniu naturalnym utleniacz i paliwo są zmieszane ze sobą lub mieszają się w momencie spalania.

32 PŁOMIEŃ (1) Płomienie dzielimy na dwa typy : Płomienie dyfuzyjne – powstałe w wyniku zapalenia się objętości materiału palnego, w której następuje mieszanie się jej z utleniaczem. Szybkość spalania kontrolowana jest przez procesy dyfuzyjne. Przykładem jest płomień świecy. Płomienie kinetyczne – powstają w wyniku zapalenia się materiału palnego wstępnie zmieszanego z utleniaczem, o szybkości spalania decyduje szybkość reakcji chemicznych zależna od składu mieszanki utleniacz-paliwo i temperatury.

33 PŁOMIEŃ (1) W kinetycznym płomieniu laminarnym wyróżniamy strefy: 1) strefę podgrzewania 2) strefę reakcji spalania 3) strefę produktów spalania. W strefie podgrzewania następuje ogrzewanie nie spalonych gazów do pewnej temperatury, w strefie reakcji zachodzi przedłużanie i rozgałęzianie reakcji łańcuchowej. W strefie produktów spalania występuje rekombinacja wolnych rodników.

34 PŁOMIEŃ (2) Istnieje również podział inny płomieni ze względu na emitowane widmo fal. Rozróżniamy dwa rodzaje płomieni : -płomienie świecące, -płomienie nie świecące. Płomień świecący powstaje przy spalaniu ciał ulegających rozkładowi w wysokich temperaturach, o dużej zawartości węgla, takich jak substancje ropopochodne czy celuloza. Świecenie wszystkich ciał związane jest z pobudzeniem w nich atomów lub cząsteczek. Przejście w stan wzbudzony zachodzi pod wpływem energii dostarczonej do tych ciał. Jeśli wzbudzenie atomu zachodzi kosztem energii cieplnej, to promieniowanie nazywamy termicznym. Promieniowanie atomu wzbudzonego w rezultacie działania energii chemicznej nazywamy luminescencją. Intensywność termicznego promieniowania różnych ciał zależy od zdolności pochłaniania światła. Ciała, które doskonale nie pochłaniają światła nie są zdolne do promieniowania termicznego. Cząstkami stałymi w płomieniu substancji organicznej jest węgiel powstały w rezultacie rozłożenia palnej substancji. Węgiel jako ciało stałe barwy czarnej zdolny jest do pochłaniania wszystkich promieni świetlnych i dlatego promieniowanie termiczne węgla jest najbardziej intensywne. Świecenie płomienia przy paleniu się drewna, nafty, gazu świetlnego, to kolor wypromieniowanych rozżarzonych stałych cząstek węgla, unoszących się w strumieniu gazu i rozgrzewanych przez ciepło reakcji do temperatury świecenia. Kolor płomienia substancji organicznych podczas palenia się ich na powietrzu zależy od ich chemicznego składu, a głównie od zawartości w nich tlenu i węgla. Tlen znajdujący się w palnej substancji rozchodzi się w procesie palenia na utlenianie pierwiastków substancji. Czym więcej jest tlenu w substancji, tym mniej jest swobodnego węgla powstałego w płomieniu, co z kolei powoduje słabsze jego świecenie.

35 PŁOMIEŃ (2) Płomień nie świecący powstaje przy dużej zawartości tlenu w substancji palnej. Węgiel wolny nie występuje w płomieniu, gdyż jest całkowicie utleniany – wiążąc się z tlenem. Płomień nie świecący powstaje podczas spalania materiału przy udziale ponad 50 % tlenu. Płomień nie świecący powstaje przy spalaniu wodoru, tlenku węgla, alkoholu metylowego i innych związków chemicznych o niewielkiej zawartości węgla występującego w wiązaniach chemicznych. Przy dużej, ponad 60 % ilości węgla występującego w materiale palnym powstaje płomień świecący z dużą zawartością sadzy. Węgiel powstający podczas rozkładu materiału palnego przez pewien czas utrzymuje się w stanie niezwiązanym powodują powstanie płomienia barwnego. Przy tym udziale procentowym występuje zjawisko kopcenia.

36 PŁOMIEŃ (3) Z uwagi na fakt, iż proces spalania jest procesem bardzo dynamicznym i zmieniającym się w zależności od warunków, w których przebiega, także jego objaw zewnętrzny – płomień jest niestabilny i zmienny, zależny od zmieniającego się składu procentowego paliwa i utleniacza. Płomień kopcący po doprowadzeniu większej ilości utleniacza zmieni się na jasno świecący bez udziału sadzy. Podobnie, jeśli do wnętrza płomienia świecącego wprowadzimy utleniacz, stanie się on płomieniem nie świecącym. Choć barwa płomienia substancji organicznej zależna jest od obecności w nim stałych cząsteczek węgla, to przy wprowadzaniu do płomienia cząsteczek innych ciał stałych płomień będzie przybierał barwę charakterystyczną dla danych pierwiastków. Przykładem może być doświadczenie polegające na wprowadzeniu do nie świecącego płomienia alkoholu metylowego soli strontu – płomień zabarwia się na kolor ciemno karminowy, lub wprowadzeniu soli miedzi – powstanie płomień zielony. Ze względu na mechanizm rozprzestrzeniania się płomienia rozróżnia się płomienie laminarne i turbulentne. W płomieniach laminarnych transport ciepła wywiązanego w reakcji chemicznej odbywa się głównie na zasadzie przewodnictwa, a w płomieniach turbulentnych – na zasadzie turbulentnej wymiany masy, pędu i energii.

37 Spalanie (co to jest ? – uwarunkowania):  Jest to silnie egzotermiczna reakcja (z wydzielaniem dużej ilości ciepła),  Reaguje materiał palny (paliwo) i utleniacz (najczęściej tlen z powietrza),  Charakteryzujący się wydzielaniem oprócz ciepła, także światła, gazów i dymów,  Proces spalania może odbywać się wówczas, gdy układ palny zasilany jest w paliwo i utleniacz,  Najpowszechniejszym paliwem w pożarach są związki węgla (drewno, papier, słoma, rośliny, farby, alkohole, ropopochodne, tworzywa sztuczne),  Tlen jest utleniaczem najczęściej spotykanym w praktyce, fluor najsilniejszym,  Nagrzanie układu palnego w stopniu wystarczającym do zainicjowania procesu spalania najczęściej zapewniają : otwarty ogień (płomień), zwarcie instalacji elektrycznej, gorące powierzchnie, elektryczność statyczna,  Jest to reakcja ze zdolnością przemieszczania się w przestrzeni, co jest znacząco istotne dla zjawiska pożaru,  Pożar jest szczególnym przypadkiem, w którym spalanie przestaje być kontrolowane.

38 Podstawy termodynamiki Podstawowe definicje: system termodynamiczny, ograniczenie układu, otoczenie, parametr fizyczny układu, parametr termodynamiczny układu, stan układu, przemiana termo­dynamiczna, przemiana quasi - statyczna, ciało proste. Energia, jej rodzaje, jednostki. Prawo zachowania energii. Gaz doskonały. Równanie stanu gazu doskonałego. Prawo Awogadra. Ciepło właściwe. Mieszaniny gazów doskonałych. Przemiany: izotermiczna, izobaryczna, izochoryczna, adiabatyczna, politropowa. Gaz rzeczywisty. Równanie stanu gazu rzeczywistego. Stan, w którym gaz rzeczywisty zbliża się własnościami do gazu doskonałego. Pierwsza zasada termodynamiki. Energia wewnętrzna. Praca zewnętrzna. Praca techniczna. Ciepło. Zerowa zasada termodynamiki Zasady pomiaru temperatury. Druga zasada termodynamiki. Obiegi. Sprawność silnika termodynamicznego. Entropia. Trzecia zasada termodynamiki. Przemiany odwracalne i nieodwracalne. Cele szczegółowe W wyniku realizacji tematu uczeń powinien umieć: opisać definicje i pojęcia termodynamiki, scharakteryzować energię i dokonać jej klasyfikacji, określić co to jest gaz doskonały i jego mieszaniny, przedstawić w sposób analityczny równanie stanu gazu doskonałego, omówićć prawo Awogadra, uzasadnić różnice między przemianami: izotermiczna, izobaryczna, izochoryczna, adiabatyczna, politropowa, określić co to jest gaz rzeczywisty, przedstawić w sposób analityczny równanie gazu rzeczywistego, wskazać różnice między gazem doskonałym a rzeczywistym, omówić pierwszą, drugą i trzecią zasadę termodynamiki, uzasadnić różnice między poszczególnymi zasadami termodynamiki, wyjaśnić pojęcie ciepła i zasady jego pomiaru, scharakteryzować obiegi termodynamiczne i opisać sprawność silnika termodynamicznego, wskazać różnicę między przemianą odwracalną i nieodwracalną.

39 TERMODYNAMIKA Termodynamika to dział fizyki zajmujący się opisem zmiany ciepła na inne postacie energii i odwrotnie. Dostarcza podstaw teoretycznych do badania sprawności silników, takich jak np.: silniki parowe lub spalinowe. Trzy podstawowe zasady termodynamiki można wyrazić jako: I zasada termodynamiki; energia nie może powstawać ani zanikać, a energia cieplna i mechaniczna mogą się nawzajem przekształcać; II zasada termodynamiki: bez dodatkowej pracy niemożliwe jest przekazanie ciepła od ciała zimnego do ciepłego III zasada termodynamiki: nie jest możliwe doprowadzenie żadnego układu do temperatury zera bezwzględnego w procesie o skończonej liczbie kroków (również wyidealizowanego). Ciepło jest postacią energii równoważną energii kinetycznej (energii ruchu) drgających atomów lub cząsteczek substancji w temperaturze zera bezwzględnego. W temperaturze zera bezwzględnego ruch zamiera i jest to jeden z wniosków, płynących z III zasady termodynamiki. Istnieje również zerowa zasada termodynamiki mówiąca że jeżeli dwa układy są w równowadze termicznej z trzecim to są we wzajemnej równowadze.

40 ENTROPIA. Termodynamika wprowadza jeszcze jedną wielkość zwaną entropią. W układach posiadających energię cieplną, entropia jest miarą niedostępności tej energii do zamiany na pracę mechaniczną. Jeżeli entropia wzrasta, mniej energii może być zamieniona na pracę. Lecz, podobnie jak w przypadku energii cieplnej, entropia maleje z temperaturą i III zasada termodynamiki mówi że w temperaturze zera bezwzględnego entropia kryształu idealnego wynosi zero. Zero bezwzględne – najniższa możliwa teoretycznie temperatura, zero Kelvinów (0o K) jest równoważna – 273, 15oC; w tej temperaturze cząsteczki są w bezruchu.

41 Energia układu jest to funkcja stanu, której spadek jest równy pracy wykonanej przez układ adiabatyczny gdzie Eu1 i Eu2 oznacza energię układu w stanie 1 i w stanie 2. Energia mechaniczna jest to suma energii kinetycznej i potencjalnej gdzie m – masa ciała, v – prędkość ciała, g – przyspieszenie ziemskie, h - wysokość ponad poziom odniesienia na którym energia jest równa zero. Gaz doskonały jest to hipotetyczny gaz, jest to matematyczny model gazu, w którym brak oddziaływań międzycząsteczkowych z wyjątkiem odpychania w momencie doskonale sprężystych zderzeń cząsteczek znajdujących się w ciągłym chaotycznym ruchu, a ponadto objętość cząsteczek jest znikoma w stosunku do objętości gazu. Gaz taki w mechanice klasycznej opisuje równanie Clapeyrona (równanie stanu gazu doskonałego): gdzie: p – ciśnienie gazu V – objętość gazu T – temperatura n – liczba moli R – stała gazowa R=8,31 J/(molK) Prawo Avogadra mówi że w tych samych warunkach fizycznych tj. w takiej samej temperaturze i pod takim samym ciśnieniem, w równych objętościach różnych gazów znajduje się taka sama liczba cząsteczek. Między licznością materii, a liczbą Avogadra występuje następująca zależność: gdzie: N - liczba cząstek (atomów, cząsteczek, jonów i wszelkich innych indywiduów chemicznych) N A - stała Avogadra = 6,0221367(36) × 1023 mol-1 Gaz rzeczywisty to gaz, który nie zachowuje się ściśle zgodnie z prawami ustalonymi dla gazu doskonałego. W praktyce są to wszystkie gazy istniejące w realnym świecie.

42

43 Przemiana izotermiczna przebiega przy stałej temperaturze: Sprężanie izotermiczne: Rozprężanie izotermiczne: Wykresy przemian izotermicznych

44 Przemiana izobaryczna przebiega przy stałym ciśnieniu: Wykresy przemian izobarycznych Ochładzanie /sprężanie/ izobaryczne: Ogrzewanie /rozprężanie/ izobaryczne:

45 Przemiana izochoryczna przebiega przy stałej objętości: Wykresy przemian izochorycznych Ogrzewanie izochoryczne: Ochładzanie izochoryczne:

46 Przykładowy cykl termodynamiczny ogrzewanie /rozprężanie/ izobaryczne rozprężanie izotermiczne ochładzanie izochoryczne ochładzanie /sprężanie/ izobaryczne sprężanie izotermiczne ogrzewanie izochoryczne

47 Przemiana adiabatyczna zachodzi w wyizolowanym układzie, który nie nawiązuje wymiany ciepła, lecz całość energii dostarczana lub odbierana jest z niego jako praca. gdzie: κ – wykładnik adiabaty, równy stosunkowi ciepła właściwego przy stałej objętości i przy stałym ciśnieniu, Przemiana politropowa proces, podczas którego jest spełniony następujący związek: gdzie: n – wykładnik politropy, stały dla danego procesu politropowego, ale przyjmujący dla różnych procesów politropowych różne wartości, od minus do plus nieskończoności. przemiana gazowa przemiana gazowa Politropowy proces, przemiana gazowa odwracalna termodynamicznie, wyrażona równaniem p V n = const,przemiana gazowa liczbą rzeczywistąliczbą rzeczywistą. gdzie: p - ciśnienie gazu, V - objętość gazu, n - wykładnik potęgowy, który jest dowolną liczbą rzeczywistą.liczbą rzeczywistą Dla przemiany izobarycznej n = 0, dla przemiany izochorycznej n = ±∞, dla przemiany izotermicznej n =1, dla przemiany adiabatycznej n=cp/cv.

48 Praca w termodynamice, czyli energia przekazywana makroskopowo Pierwsza zasada termodynamiki precyzuje zależność zmiany energii wewnętrznej od dostarczonego ciepła i pracy. Pierwsza zasada termodynamiki wyraża się następującym wzorem: ∆U = Q + W ∆U - zmiana energii wewnętrznej ciała/układu - jednostka w układzie SI: dżul J Q – ciepło dostarczone do ciała/układu - jednostka w układzie SI: dżul J W – praca wykonana nad ciałem/układem - jednostka w układzie SI: dżul J Treść tego wzoru (a więc i I zasady termodynamiki) można przedstawić w postaci sformułowania: Zmiana energii wewnętrznej ciała, lub układu ciał jest równa sumie dostarczonego ciepła i pracy wykonanej nad ciałem /układem ciał. Umowa dotycząca znaku Aby prawidłowo obliczać zmianę energii wewnętrznej należy trzymać się następującej konwencji dotyczącej znaku pracy, lub ciepła: Jeśli praca lub ciepło są dostarczane do ciała (układu ciał), to są one liczone ze znakiem plus - są dodatnie. Jeżeli są odbierane od ciała (układu ciał), czyli jeśli to ciało/układ wykonuje jakąś pracę, to odpowiednie wartości będą ujemne.

49 II zasada termodynamiki stwierdza, że w układzie zamkniętym istnieje addytywna funkcja stanu, zwana entropią S, która jest rosnącą funkcją energii wewnętrznej, oraz której zmiana ΔS w procesie adiabatycznym spełnia nierówność ΔS ≥ O, przy czym równość zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy proces jest odwracalny. Dla układu izolowanego (entropia zawsze rośnie) Dla układu oddziałującego (pochłanianie ciepła zawsze powoduje wzrost entropii) III zasada termodynamiki mówi, iż nie można za pomocą skończonej liczby kroków uzyskać temperatury zera bezwzględnego (0K), jeżeli za punkt wyjścia obierzemy niezerową temperaturę bezwzględną.

50 Obiegi termodynamiczne to przemiany, w których stan końcowy czynnika jest identyczny z początkowym. Obrazem obiegu w układzie p,V jest krzywa zamknięta. Sprawność silnika termodynamicznego jest to stosunek pracy wykonanej przez silnik do ciepła pochłoniętego przez czynnik obiegowy: Przemiana nieodwracalna jest to proces, w którym po osiągnięciu stanu końcowego niemożliwe jest powrócenie do stanu początkowego. Wszystkie procesy samorzutne są procesami nieodwracalnymi, m.in.: samorzutne reakcje chemiczne, dyfuzja, przewodzenie ciepła oraz rozprężanie gazów. Przemiana odwracalna jest to proces, którego kierunek można odwrócić poprzez nieskończenie małą zmianę wartości jednej lub więcej zmiennych stanu termodynamicznego Procesy odwracalne zachodzą bez produkcji entropii. Właściwości fizyczne substancji to m.in.: stan skupienia, barwa, kruchość, ciągliwość, plastyczność, sprężystość, gęstość, przewodnictwo cieplne i elektryczne, temperatura topnienia i wrzenia, rozpuszczalność. Właściwości chemiczne substancji to m.in.: odczyn (kwaśny, zasadowy, obojętny), palność, smak, zapach, potencjał oksydacyjno - redukcyjny, ładunek (dodatni, ujemny), aktywność chemiczna, oddziaływanie na środowisko naturalne, typ (związek kowalencyjny, jonowy, mieszany, koordynacyjny).

51 II Zasada termodynamiki sformułowanie Plancka. Jest rzeczą niemożliwą skonstruowanie takiego silnika (maszyny działającej periodycznie), którego działanie polegało by na podnoszeniu ciężarów i równoczesnym ochładzaniu jednego źródła ciepła. Silnik taki nosi nazwę perpetum mobile II rodzaju. Clausjusa ciepło nie może przejść samorzutnie od ciała o temp niższej do ciała o temp wyższej. Aby spowodować taki przepływ ciepła musimy zastosować lewo bieżną maszynę cieplną i wkładać do niej energię z zewnątrz, tzn. wywoływać zmiany w innych ciałach. Samorzutne przejście – zjawisko któremu nie towarzyszą żadne zmiany w otoczeniu (otoczenie nie oddziałuje na układ) Schmidta – nie można całkowicie odwrócić przemiany, w której występuje tarcie. Pracę w całości można zmienić na ciepło przez tarcie, jednak z tego ciepła nie można w całości odzyskać pracy. Ostwalda – perpetum mobile II rodzaju jest niemożliwe – DOWÓD czyli cykl pracy silnika stąd  SPM II R=0 bo entropia jest wielkością stanu a stan w punkcie 1-2 jest sobie równy to  =0;  =  SPM II R+SŹR=0 - ; Q – ciepło tarcia  > 0 sprzeczne z prawem wzrostu entropii Entropia układu zamkniętego i izolowanego nie może maleć podczas dowolnej przemiany i wzrastać przy przemianach nieodwracalnych.

52 Zasada zachowania energii i masy w warunkach pożarów. Rozważamy zasadę zachowania energii opierając się na opisie integralnym (dawny opis pożaru przy założeniu, że mamy w nim do czynienia z idealnym mieszaniem się gazów – uśredniamy parametry po objętości całego pomieszczenia). moc pożaruszybkość wydzielania się ciepła W wyniku spalania materiału palnego w ciągu jednostki czasu, w strefie spalania wydziela się pewna ilość ciepła. Zjawisko to charakteryzuje parametr zdefiniowany jako moc pożaru, lub szybkość wydzielania się ciepła. Jest to jeden z najistotniejszych parametrów pożaru. Szybkość wydzielania się ciepła determinuje rozwój pożaru i jest parametrem pierwotnym. Wszystkie pozostałe zjawiska mają charakter wtórny, ale te wtórne zjawiska jak np.: wymiana gazowa nie powstają bez wpływu na moc pożaru. Ciepło wydzielone w czasie spalania można podzielić na następujące składniki opisane na rysunku.

53 Zasady zachowania energii w warunkach pożaru wewnętrznego q – ciepło wypromieniowane ze strefy spalania do otoczenia. W przypadku pożarów wewnętrznych strumień ten przechodząc przez strefę oddziaływania cieplnego może być częściowo pochłonięty przez gaz znajdujący się w tej strefie. Jeżeli strefa jest silnie zadymiona wówczas strumień ten jest pochłonięty całkowicie i idzie na podniesienie temperatury tego gazu. Silne pochłanianie ma miejsce również wówczas gdy w gazie jest dużo pary wodnej i dwutlenku węgla. W przeciwnym razie promieniowanie to dociera do przedmiotów znajdujących się w pomieszczeniu oraz do konstrukcji i nagrzewa je. Część ciepła która dotarła do konstrukcji odprowadzana jest w głąb materiału na drodze przewodnictwa qλ. qp – jest to ta część ciepła która podgrzewa produkty spalania. Ogrzane produkty spalania unoszą się do góry niosąc ze sobą energię i mieszają się z gazem znajdującym się w pomieszczeniu. qk – przenoszenie ciepła na drodze konwekcji. Strumienie konwekcyjne spełniają w pożarze istotną rolę. Unoszenie produktów spalania pozwala na napływ do strefy spalania powietrza podtrzymującego proces spalania. Należy również pamiętać o tym że w procesie wymiany gazowej część energii jest „ wynoszona” przez wypływające nagrzane gazy q1, ale również wnosi ze sobą pewną ilość energii powietrze napływające do pomieszczenia q2.

54 Rozkład ciśnienia w pomieszczeniu w warunkach pożaru Strefa spalania jest nie tylko źródłem energii, ale również jest źródłem masy. Masy gazów wychodzących ze strefy spalania są to produkty spalania i rozkładu termicznego. Mieszają się one z gazem zawartym w objętości pomieszczenia. Gaz podgrzewa się, rośnie ciśnienie. Wzrost ciśnienia wewnątrz pomieszczenia powoduje wypływ gazu przez wszystkie otwory znajdujące się w pomieszczeniu. Wypływ gazu wszystkimi otworami pomieszczenia na początku pierwszej fazy pożaru jest cechą charakterystyczną dla wszystkich pożarów wewnętrznych. W rezultacie wypływu gazu, średnie ciśnienie wewnątrz pomieszczenia maleje. Do pomieszczenia zaczyna napływać powietrze z zewnątrz.

55 Rozkład ciśnienia w pomieszczeniu w warunkach pożaru Ciśnienie wewnątrz pomieszczenia maleje razem z wysokością. Maleje ono również i na zewnątrz pomieszczenia, przy czym spadek ciśnienia na zewnątrz z wysokością jest większy. Oznacza to, że istnieje pewna wysokość, na której ciśnienie wewnątrz pomieszczenia i na zewnątrz są sobie równe. Płaszczyzna znajdująca się na wysokości odpowiadającej równym ciśnieniom nosi nazwę płaszczyzny równych ciśnień /PRC/ lub często nazywa się ją strefą neutralną. Poniżej strefy neutralnej ciśnienie wewnątrz pomieszczenia jest mniejsze niż na zewnątrz, powyżej zaś ciśnienie jest większe od ciśnienia zewnętrznego. Na początku strefa neutralna znajduje się zawsze z fizycznego punktu widzenia na poziomie podłogi. Zgodnie z jej definicją ciśnienie wewnątrz pomieszczenia w każdym jego punkcie jest większe od ciśnienia zewnętrznego. Gaz wypływa każdym otworem wentylacyjnym. W miarę upływu czasu strefa neutralna podnosi się do góry. Kiedy strefa neutralna znajdzie się powyżej dolnej krawędzi np.: otworu okiennego wówczas zaczyna do pomieszczenia napływać powietrze G2, oczywiście powyżej strefy neutralnej gaz w dalszym ciągu wypływa G1. Schemat wymiany gazowej w warunkach pożaru wewnętrznego. Opis integralny. Wędrówka strefy neutralnej kończy się w miarę rozwoju pożaru. Zajmuje ona położenie zawsze między dolną, a górną krawędzią okna.

56 Z obliczeń wynika że w czasie rozwoju pożaru ilość powietrza napływającego do pomieszczenia jest zawsze mniejsza od ilości wypływających gazów. Wymiana gazowa w warunkach pożaru przy opisie integralnym.

57 Podstawowe pojęcia z zakresu samonagrzewania i samozapalenia Samonagrzewanie poprzedza samozapalenie i jest to proces charakteryzujący się tym, że temperatura układu palnego (materiał palny ulegający samonagrzewaniu – powietrze lub inny utleniacz) podwyższa się w wyniku generacji ciepła wewnątrz samego układu niezależnie od dopływu strumienia ciepła z zewnątrz. Jeśli wzrost szybkości wydzielania się ciepła jest bardzo duży, to zjawisko samonagrzewania przyspiesza się z możliwością przejścia w proces spalania (samozapalenia). Temperatura układu palnego, przy której zaczyna się już samoprzyspieszenie reakcji i akumulacja ciepła, nazywa się temperaturą krytyczną samonagrzewania. Czas od momentu ogrzewania się substancji (ciepłem będącym wynikiem reakcji chemicznych, procesów biologicznych, zjawisk fizycznych) do pojawienia się płomienia nazywa się okresem indukcji. Samonagrzewaniu (samozapaleniu) mogą ulegać: gazy, ciecze i ciała stałe.

58 Samonagrzewanie materialów może zachodzić w różny sposób i może być wynikiem : reakcji chemicznych (utlenianie, polimeryzacja), zjawisk fizycznych (adsorpcja), przemian biologicznych (rozmnażanie, oddychanie komórek roślinnych).

59 – – – – – – okres indukcji Wykres zmian temperatury w funkcji czasu samonagrzewania się materiału palnego

60 SPALANIE BEZPŁOMIENIOWE TLENIE -jest to termicznego materiałów palnych pochodzenia organicznego tzn. węgla lub materiałów silnie porowatych. ŻARZENIE -jest to zjawisko świecenia powierzchni palnego materiału nieorganicznego, który nie uległ rozkładowi termicznemu, lecz ogrzał się w wyniku różnych zjawisk i przemian chemicznych. SPALANIE HOMOGENICZNE I HETEROGENICZNE SPALANIE HOMOGENICZNE- zachodzi wówczas, jeśli układ palny składa się z jednej fazy (tzn. jest gazem lub znajduje się w fazie gazowej na skutek parowania). Spalanie homogeniczne charakteryzuje się występowaniem płomieni. SPALANIE HETEROGENICZNE jest spalaniem na granicy tzw. rozdziału faz, tj. na powierzchni ciała. Ten rodzaj spalania odnosi się jedynie do ciał stałych. Cechą charakterystyczną tego rodzaju spalania jest obok płomieni, przede wszystkim świecenie ciała stałego.