燃焼とはなにか
化学変化で物質が熱と光をだして酸素と激しく化合すること(酸化反応)をいいます。
物質が酸素と化合しても、熱と光を発生しなければ燃焼とはいいません。
鉄が酸素と結びついて錆びに変わったり、窒素(N2)が酸化窒素(NO)に変わる変化も発熱、発光しない酸化反応なので燃焼とはいえません。
燃焼の三要素
可燃物、酸素供給源、点火源を「燃焼の三要素」といいます。
物質の燃焼ではつねに燃焼の三要素が必要で、この三要素のうちどの一つが欠けても燃焼は起きず、また燃え続けることができません。
可燃物となるもの
可燃物とは、酸素と化合(結合)して熱と光を発生する物質をいいます。つまり、燃える物。
酸素供給源となるもの
酸素供給源とは、燃焼に必要な酸素を供給するものをいいます。
酸素供給源の代表は空気ですが、空気がなくても化合物の分解によって発生する酸素も酸素供給源となり燃焼できます。(セルロイドやニトロセルロースなど)
点火源となるもの
点火源とは物質に活性化するエネルギーを与えるもので、マッチの炎のように火をつける力をもつものをいいます。
点火源には次のようにいろいろなものがあるが、目に見えるものと見えないものがある。
①各種の火気 マッチ、ライター、ろうそくの炎、電気火花
②衝撃と摩擦熱 衝撃、衝撃火花や摩擦熱が点火源と引火するもの(カリウム、ナトリウムなどは、水と接触して発熱したり、水素ガスを発生し、発火、爆発をおこす)
③酸化熱 動植物油の中の乾性油は、空気中の酸素と結合して酸化物に変わるとき酸化熱を発生し、この酸化熱が蓄積し高温となって着火温度に達して自然発火を起こす。
④静電気の火花(スパーク) 静電気による火花放電の発生が点火源となる。
以上が、燃焼の原理となる。
では、消火について考えてみると。
消火のしくみ
物質の燃焼には燃焼の三要素すべてが必要ですから、消火するには燃焼の三要素のうち一つを除去するとよいことになる。
このことから消火についてまとめると次のようになる。
1.除去効果による消火
除去効果による消火とは、燃焼の三要素の一つである可燃物を取り除くことによって消火する方法で次のような例がある。
①ガスコンロの元栓を閉めて火を消す。
②ろうそくの炎を吹き消す。(可燃性蒸気を吹き飛ばす)
ちなみに、ろうの燃焼原理は次の通り。
ロウソクから芯を取ったものに、マッチの火を近づけても火は点きません。
ろうそくは可燃性の物質を含んでいますし、空気中には酸素がたくさんあります。
マッチの火で熱を加えて燃えます。では なぜ火がつかないのでしょうか。
着火源のマッチの熱が固体に逃げてしまい、一部を液体に変えますが、ロウの温度上がらないためにロウの蒸気を充分に発生させることができず、着火に至りません。
ろうそくの燃焼は、固体⇒液化⇒気化⇒酸化
ろうそくの芯は毛細管現象によって、熱せられて液体となったロウを少しずつ吸い上げます。
固体や液体のロウと違い、吸い上げられたロウの量が少ないために、着火源(マッチ)の熱でロウの蒸気を発生させることが出来、火が灯ります。
吸い上げられた液体のロウは、芯に灯った炎によって更に熱を加えられ、気化します。
気化したロウは炎の熱によって次々と酸素と結びつき、酸化します。これが気相燃焼です。
そして、熱と光を生み出します。
このときに完全に酸化しなかった部分はススとして外に流れ出ていきます。
http://www.mnc.toho-u.ac.jp/v-lab/combustion/comb01/basic02.html
2.窒息効果による消火
窒息効果による消火とは、燃焼の三要素である酸素供給源を取り除いて消火する(空気の供給を遮断する)方法です。
空気中に約21%(容量)含まれる酸素の濃度が14%以下になると窒息効果による消火ができる。
(アルコールランプの炎を、ふたをして消す。など)
3.冷却効果による消火
燃焼のときに発生する熱が燃焼に必要な点火源として働くことを防ぐことで消火しようと考え、燃焼している物体の温度を下げて消火する方法です。
木材などに注水すると水はまず100℃となります。このとき100℃の水が水蒸気になるとき燃焼物や周りの空気から大量の熱(気化熱)を奪う。水は比熱と気化熱が大きいので大量の熱を吸収して冷却効果により消火できる。
ちなみに、てんぷら鍋のかけ忘れにより、てんぷら油が燃え出した場合には、水をてんぷら鍋に入れると油が飛散して危険である。
この場合、冷却効果を利用して、新しいてんぷら油をてんぷら鍋に注ぎ足すと、てんぷら鍋内の温度が下がり、てんぷら油の過熱蒸気がなくなることで消火できる。
以上が消火に関する基礎知識となります。
以上の燃焼と消火より、ろうそくの炎は吹き消すことができるが、線香は消えずに燃焼する理由を説明すると、次のようになる。
ろうそくの燃焼原理は、着火源のマッチの熱が固体に逃げてしまい一部を液体に変える。そして、ロウの温度上がらないためにロウの蒸気を充分に発生させることができないけれど、ろうそくの芯は毛細管現象によって、熱せられて液体となったロウを少しずつ吸い上げ、着火源(マッチ)の熱でロウの蒸気を発生させることが出来、火が灯ります。
吸い上げられた液体のロウは、芯に灯った炎によって更に熱を加えられ、気化したロウは炎の熱によって次々と酸素と結びつき、酸化(燃焼)するのであるから、息を吹きかけて炎が消えるのは、ロウの蒸気を吹き飛ばしてしまうことになるためである。
要するに、消火でいうところの除去効果ということになる。
一方、線香はなぜ燃えるのか?ということに関しては、
線香の燃焼は固体表面でおこなわれ、燃焼部分は赤熱程度(700~800℃程度)に保たれており、400℃内外で熱分解による分解生成物が可燃性なので、外部の空気と接触して酸化反応が起こります。
その発熱で、表面温度が保たれており、燃焼は物体表面に垂直に進行してゆきます。
この場合の酸化反応は、燃焼表面のごく近くで行われていて、その発熱がただちに燃焼表面につたえられているため燃焼が継続されるのである。
従って、線香は木材などと同じ表面燃焼をしており、消火するためには冷却し、分解生成物の発生を抑えるか、または酸素供給を遮断する必要がある。
その線香に息を吹きかけた場合には、線香の分解生成物に外部空気の接触を促進させることになり、息を吹きかける前よりも、激しく燃焼するのである。
ちなみに、息の酸素濃度は17%前後なので、“酸素の濃度が14%以下になると窒息効果による消火”にはならない。また、息を吹きかけても、線香の表面温度が赤熱(700~800℃)であり、400℃内外で熱分解による分解生成物を発生する線香を冷却できない。
以上のことから、線香の場合には、燃焼の三要素は維持された上に、外部空気との接触が増える。
ろうそくの場合には、燃焼の三要素のうち、可燃物(ろうの蒸気)が吹き飛ばされることにより、燃焼の継続が不可能(つまり、消火)となる。
最近のコメント