O que poderia causar o incêndio? O que é fogo e por que queima? Região oxidativa e redutora

Lar

Vinil

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Fogo de vela, fogo de fogo,

O fogo de um fogo poderoso.

Luzes - são todos mestres

Um presente enviado às pessoas.

Introdução

Ele pode nascer, ficar mais forte e crescer. Pode enfraquecer e morrer. Pode ser reverente e afetuoso ou cruel e ganancioso. Ele ataca, devora, consome. Você pode lutar contra ele e ele recuará derrotado. Isso pode salvá-lo ou se transformar em uma terrível tragédia.

"Fogo!" - este é ao mesmo tempo um grito de esperança para os perdidos e uma ordem severa que traz morte aos inimigos.

Cabelo de fogo, olhos ardentes, olhar escaldante. Um lampejo de raiva, uma explosão de risadas. Brinque com fogo, incendeie-se com pensamentos, brilhe com entusiasmo, queime com paixão. “Uma pequena faísca dará origem a uma grande chama”, “O fogo e a água destruirão tudo”, “No fogo, o ferro derrete”, “O fogo é amigo e inimigo do homem”.

Chega de exemplos. Eles só precisam nos lembrar o papel que esse dom da natureza desempenha em nossas vidas. Nossa linguagem dotou-o das características de uma criatura viva e, inversamente, a aparência e as emoções de uma pessoa são frequentemente associadas às propriedades de uma chama.

O fogo sempre foi parte integrante da vida das pessoas. É possível imaginar a nossa existência sem fogo? Claro que não. O homem moderno enfrenta processos de combustão todos os dias.

Objetivo do trabalho: estudar o processo de combustão sob diferentes pontos de vista.

Estudar literatura e recursos da Internet relacionados ao tema combustão;

Conheça a história do domínio do fogo;

Encontre informações e instruções precisas para a realização de experimentos relacionados a processos de combustão.

Um pouco de história

Combustão- Esta é a primeira reação química que o homem conheceu.

Segundo a lenda, o fogo foi levado às pessoas congeladas e infelizes pelo titã Prometeu, apesar da proibição de Zeus. Mas, muito provavelmente, indivíduos humanóides primitivos encontraram fogo durante incêndios causados por raios e erupções vulcânicas. Eles não sabiam como extraí-lo, mas podiam carregá-lo e mantê-lo. A primeira evidência do uso humano do fogo vem de sítios arqueológicos do homem antigo como Chesowanya na África Oriental, Swartkrans na África do Sul, Zhoukoudian e Xihoudu na China e Trinil na ilha de Java. Foram encontradas fogueiras, cinzas e carvões que datam de 1,5 a 2 milhões de anos atrás, ferramentas queimadas de povos primitivos e ossos de mamíferos.

Não se sabia ao certo quando as pessoas começaram a fazer fogo por conta própria até 2008, quando um grupo de arqueólogos israelenses nomeou uma data relativamente precisa de 790 mil anos atrás. Os cientistas chegaram a esta conclusão com base nos resultados das escavações no famoso sítio do Paleolítico Inferior de Gesher Bnot Yaakov. De acordo com um relatório publicado na revista Quaternary Science Reviews, eles encontraram vestígios de técnicas primitivas de produção de fogo usadas ao longo das quase doze gerações que habitaram a área. As conclusões também foram tiradas com base em estudos mais detalhados de pedras e ferramentas de pedra encontradas aqui anteriormente.

A primeira maneira de os humanos produzirem fogo de forma independente foi a fricção. Este método é ocasionalmente usado em nosso tempo, por exemplo, em condições de camping.

Gradualmente, à medida que a humanidade acumulava experiência prática e novos conhecimentos sobre o mundo que nos rodeia, outro método de fazer fogo, baseado em acender uma faísca, veio substituí-lo. Está no fato de que quando uma pedra atinge com força certos minerais, minúsculas partículas voam de sua superfície, que imediatamente se inflamam e, caindo sobre o material inflamável, incendiam-no. Estes incluem, por exemplo, pirita (dissulfeto de ferro (II) - FeS 2). Outros minerais com a mesma propriedade são conhecidos. Com o tempo, esse método foi aprimorado: o fogo começou a ser produzido por meio de faíscas do silício mineral mais comum e acessível com uma barra de ferro. As substâncias inflamáveis eram isca ou estopa queimada. Obter fogo desta forma na Europa até meados do século XIX. O dispositivo usado foi chamado de “pederneira” na Rússia.

Outro método interessante foi usado desde a antiguidade até meados do século XX pelas tribos das ilhas de Sumatra, Java, Kalimantan e Sulawesi: fazer fogo comprimindo fortemente o ar em dispositivos especiais.

Hoje em dia, as pessoas enfrentam constantemente processos de combustão. Pode ser a combustão de gás num fogão a gás, microexplosões de combustível em motores de automóveis a diesel, sistemas de aquecimento em residências particulares ou o funcionamento de uma central térmica, etc.

Fogo através dos olhos de um cientista

O que é fogo? Do ponto de vista químico, esta é uma zona onde ocorre uma reação de oxidação exotérmica, por vezes acompanhada de pirólise (decomposição térmica de compostos orgânicos e muitos compostos inorgânicos). Do ponto de vista físico, é a emissão de luz por substâncias aquecidas da zona de tal reação.

Por que vemos fogo? Partículas de materiais combustíveis e produtos de combustão brilham porque têm uma temperatura elevada (radiação normal de corpo negro). A alta temperatura permite que os átomos se movam por algum tempo para estados de energia mais elevados e, então, ao retornar ao seu estado original, emitam luz de uma determinada frequência, que corresponde à estrutura das camadas eletrônicas de um determinado elemento.

Qual é a diferença entre “fogo” e “queima”? Fogoé uma forma rápida de combustão que libera luz e calor. Combustão- um processo físico-químico complexo de conversão de substâncias iniciais em produtos de combustão durante reações exotérmicas. Para o processo de combustão você precisa de:

Substância combustível (combustível);

Agente oxidante (mais frequentemente oxigênio);

Fonte de ignição (nem sempre)

O oxidante e a substância combustível juntos constituem o sistema combustível. Pode ser homogêneo e heterogêneo:

Homogêneo são sistemas nos quais uma substância inflamável e um oxidante são misturados uniformemente (misturas de gases inflamáveis, vapores). A combustão de tais sistemas é chamada de combustão cinética. Sob certas condições, tal combustão pode ter o caráter de uma explosão.

Heterogêneo- sistemas em que a substância inflamável e o ar não se misturam e possuem interfaces (materiais combustíveis sólidos e líquidos não atomizados). Durante a combustão de sistemas combustíveis não homogêneos, o oxigênio do ar penetra através dos produtos de combustão até a substância combustível e reage com ela. Este tipo de combustão é denominado combustão por difusão. Oxigênio, cloro, flúor, bromo e outras substâncias podem atuar como agentes oxidantes.

O fogo é a principal fase (queima livre) da combustão, é um fenômeno físico-químico, o que significa que não é razoável considerá-lo apenas do ponto de vista da química. Do ponto de vista da física fogo- um conjunto de gases quentes liberados como resultado de:

aquecimento arbitrário ou involuntário de combustível (substância combustível) a uma determinada temperatura na presença de um oxidante;

reação química (por exemplo, explosão);

fluxo de corrente elétrica em um meio (arco elétrico, soldagem elétrica)

Fases de combustão

O processo de combustão é dividido em certas etapas (fases):

1. Fase inicial (fase de crescimento),

2. Fase de queima livre (estágio totalmente desenvolvido),

3. Fase de combustão lenta (estágio de decomposição).

Na primeira fase - inicial, o fluxo de suprimento de oxigênio aumenta e depois começa a diminuir. Uma certa quantidade de calor é gerada e essa quantidade aumenta durante o processo de combustão. A chama pode atingir temperaturas superiores a 5370°C, mas a temperatura ambiente nesta fase pode ser baixa.

Durante a segunda fase de queima livre, o ar rico em oxigênio é atraído para a chama à medida que a convecção transporta o calor para a camada superior do espaço confinado. Os gases quentes viajam de cima para baixo, forçando o ar mais frio a buscar níveis mais baixos e, por fim, inflamar todo o material combustível nos níveis superiores da sala. Nesta fase, a temperatura nas camadas superiores pode exceder 7000°C. O fogo continua a consumir oxigênio livre até atingir um ponto em que não há oxigênio suficiente para reagir com o combustível. A chama é reduzida a uma fase latente e só precisa de oxigênio para acender rapidamente.

Na terceira fase, a chama pode cessar se a área de combustão for hermética. Neste caso, a combustão é reduzida a brasas fumegantes. Fumaça densa e gases são liberados e ocorre excesso de pressão. As brasas continuam a arder, a sala ficará completamente cheia de fumaça densa e gases de combustão a uma temperatura de 5370°C. O calor intenso evaporará os constituintes mais leves do combustível. , como hidrogênio e metano, de materiais combustíveis na sala. Estes gases combustíveis combinar-se-ão com os derivados do fogo e aumentarão ainda mais o risco de reignição e criarão a possibilidade de backdraft.

Tipos de combustão

Clarão- trata-se da combustão rápida de uma mistura combustível, não acompanhada pela formação de gases comprimidos.

Fogo- a ocorrência de combustão sob a influência de uma fonte de ignição.

Um exemplo marcante de fogo é o “truque” dos antigos sacerdotes indianos: na Índia antiga, ao realizar ritos sagrados, no crepúsculo dos templos, misteriosas luzes vermelhas de repente brilharam e se espalharam por faíscas, incutindo medo supersticioso nos adoradores. É claro que o poderoso Buda não teve nada a ver com isso, mas seus servos fiéis, os sacerdotes, assustaram e enganaram os crentes com a ajuda de faíscas. Os sais de estrôncio, que davam à chama uma cor vermelha, eram misturados com carvão, enxofre e clorato de potássio (sal de Berthollet). No momento certo, a mistura pegou fogo.

2KClO 3 + S +2C = 2KCl + SO 2 + 2CO 2

Combustão espontâneaé um fenômeno de aumento acentuado na taxa de reações exotérmicas, levando à combustão de substâncias (material, mistura) na ausência de fonte de ignição.

Combustão térmica espontânea as substâncias surgem como resultado do autoaquecimento sob a influência de uma fonte de aquecimento oculta ou externa. A autoignição só é possível se a quantidade de calor liberada durante o processo de autooxidação exceder a transferência de calor para o meio ambiente.

Um exemplo de combustão espontânea térmica é a combustão espontânea de óleos essenciais voláteis em clima quente. A conhecida lenda da sarça ardente, ou sarça de Moisés, tem uma explicação totalmente científica: os cientistas acreditam que se tratava de uma sarça ardente que secreta óleos essenciais que se iluminam quando expostos ao sol. Em clima calmo ao redor do mato, aumenta a concentração de óleos essenciais voláteis liberados pela planta, que se inflamam quando uma determinada temperatura é atingida. Equação da reação química de autoignição do éter:

C 4 H 10 O + 6 O 2 = 4 CO 2 + 5 H 2 O

A combustão térmica espontânea também explica o aparecimento das luzes do cemitério. Quando os resíduos orgânicos se decompõem, é liberado gás fosfina venenoso e incolor (PH3), que tem a propriedade de inflamar-se espontaneamente no ar, ou seja, na presença de oxigênio. Se esse gás sai do solo, com resíduos orgânicos em decomposição nele, ocorre a autoignição, formam-se pequenos flashes, com os quais os clérigos costumavam assustar os supersticiosos. Este fenômeno só pode ser observado na estação quente, já que a temperatura de autoignição da fosfina = 38°C. Equação para a reação química de autoignição da fosfina:

2PH 3 + 4O 2 = P 2 O 5 + 3H 2 O

A combustão espontânea também pode ocorrer sob a influência da atividade vital de microrganismos na massa de uma substância (material, mistura).

Os materiais combustíveis têm tendência à combustão espontânea microbiológica, principalmente os umedecidos, que servem de terreno fértil para microrganismos cuja atividade vital está associada à liberação de calor (turfa, serragem). Neste caso, a temperatura de autoaquecimento não excede a temperatura ambiente normal e pode ser negativa.

Portanto, a maioria dos incêndios e explosões ocorre durante o armazenamento de produtos agrícolas (silagem, feno umedecido) em elevadores. O método mais comumente usado para evitar o autoaquecimento e a autoignição do feno (e materiais similares) é garantir que os materiais não sejam molhados durante o armazenamento.

Existe uma diferença entre os processos de combustão e combustão espontânea: para que ocorra a combustão é necessário introduzir no sistema combustível um impulso térmico com temperatura superior à temperatura de ignição espontânea da substância.

Temperatura de autoaquecimento- a temperatura ambiente mínima, acima da qual, em condições favoráveis, é possível o desenvolvimento de um processo exotérmico de autoaquecimento associado à decomposição térmica e oxidação de um determinado volume (massa) de uma substância combustível.

Temperatura de autoignição- esta é a temperatura mais baixa de uma substância na qual ocorre um aumento acentuado na taxa de reações exotérmicas, terminando na ocorrência de combustão flamejante.

Uma explosão é uma transformação química extremamente rápida de uma substância, acompanhada pela rápida liberação de energia térmica e pela formação de gases comprimidos capazes de produzir trabalho mecânico.

Também é difícil imaginar o mundo moderno sem esse tipo de combustão, uma vez que a explosão mecânica do combustível está na base do funcionamento da maioria dos motores de automóveis. Explosões de pequena escala também são utilizadas em dispositivos pirotécnicos. A pirotecnia (grego antigo πῦρ - fogo, calor; τεχνικός - arte, habilidade) é um ramo da tecnologia associado às tecnologias de preparação de composições inflamáveis e sua queima para obter determinado efeito. Dividido em:

militar (armas sinalizadoras, bombas de fumaça)

especializado (efeitos especiais de filmes, equipamentos de sinalização civil)

entretenimento (produtos pirotécnicos - fogos de artifício, faíscas, fogos de artifício, fogos de artifício.

Produtos de combustão

Durante o processo de combustão, são formados produtos de combustão. Eles podem ser líquidos, sólidos e gasosos. A sua composição depende da composição da substância em combustão e das condições da sua combustão. As substâncias combustíveis orgânicas e inorgânicas consistem principalmente em carbono, oxigênio, hidrogênio, enxofre, fósforo e nitrogênio. Destes, carbono, hidrogênio, enxofre e fósforo são capazes de oxidar em temperaturas de combustão e formar produtos de combustão: CO, CO 2, SO 2, P 2 O 5. O nitrogênio na temperatura de combustão não oxida e é liberado no estado livre, e o oxigênio é gasto na oxidação dos elementos combustíveis da substância. Todos esses produtos de combustão (com exceção do monóxido de carbono CO) são incapazes de queimar no futuro.

Com a combustão incompleta de substâncias orgânicas em condições de baixas temperaturas e falta de ar, formam-se produtos mais diversos - monóxido de carbono (II), álcoois, aldeídos, ácidos e outros compostos químicos complexos. Esses produtos produzem fumaça acre e venenosa. Além disso, os próprios produtos da combustão incompleta são capazes de queimar e formar misturas explosivas com o ar. Tais explosões ocorrem na extinção de incêndios em porões, secadores e em espaços fechados com grande quantidade de material inflamável.

Cor da chama

A capacidade das impurezas de colorir chamas em cores diferentes é usada não apenas na pirotecnia, mas também na química analítica: a análise piroquímica é um método para detectar certos elementos químicos (por exemplo, em minerais) por diferentes cores da chama.

Elemento	Cor da chama
	Verde esmeralda
Cobalto (Co)
Manganês (Mn)	Violeta-ametista
Ferro (Fe)	Amarelo-marrom
Níquel (Ni)	Castanho-avermelhado
Sódio (Na)	Laranja
Cálcio (Ca)	Vermelho brilhante

O queimador de gás queima com chama azul devido à presença de monóxido de carbono (CO). A chama amarelo-laranja de um fósforo se deve à presença de sais de sódio na madeira. A cor amarelo-laranja do topo da chama em condições normais é explicada pelo brilho das partículas de fuligem transportadas para cima por uma corrente de ar quente.

Conclusão

Como resultado do trabalho sobre o tema, as tarefas atribuídas foram concluídas: foram estudadas fontes literárias e recursos da Internet sobre a história do domínio dos processos de fogo e combustão; foram selecionados experimentos de laboratório relacionados a processos de combustão e instruções para sua implementação.

O objetivo do trabalho foi alcançado. Um fenômeno aparentemente familiar ao homem moderno como a combustão é um processo físico e químico muito complexo. Esta é a primeira reação química que o homem conheceu! Este processo desempenha um papel muito importante nas nossas vidas, embora por vezes represente um grande perigo.

Fatos interessantes e experimentos de laboratório apresentados no trabalho podem ser usados para fins de demonstração em instituições de ensino para familiarizar os alunos com um tema tão incrível como o fogo.

Parte prática

Experiência nº 1. "Pavio químico."

Este método de acender remotamente fusíveis de bombas foi usado no final do século XIX. Baseia-se na capacidade da glicerina de inflamar a partir de uma reação com um forte agente oxidante (permanganato de potássio).

O objetivo do experimento: garantir que o fogo possa “nascer” não apenas de uma faísca, mas também simplesmente da mistura de certas substâncias, que individualmente são completamente inofensivas.

Reagentes e equipamentos: papel, permanganato de potássio cristalino, glicerina anidra, pipeta.

Progresso do trabalho e observações: despeje uma pequena quantidade de permanganato de potássio em uma folha de papel amassada, coloque 3-5 gotas de glicerina; A fumaça aparecerá acima da mistura e depois de algum tempo (5-15 segundos) a mistura e a folha amassada acenderão.

Experiência nº 2. "Mini fogos de artifício."

Reagentes e equipamentos: carvão em pó, permanganato de potássio cristalino, limalha de ferro, folha de papel, cadinho, pinça para cadinho, combustível seco.

Progresso do trabalho e observações: despeje sobre uma folha de papel três pequenas pilhas idênticas de pós finamente triturados: permanganato de potássio, limalha de ferro e carvão. Depois disso, dobre uma folha de papel ao meio para que os pós caiam em uma pilha. O fato é que ao esfregar o permanganato de potássio com limalha de ferro, a mistura pode incendiar-se. Despeje a mistura resultante no cadinho. Levamos até a chama do combustível seco e esperamos alguns segundos. Quando a mistura esquentar, ela começará a brilhar como um diamante.

Experiência nº 3. "Magnésio inextinguível."

O magnésio é uma das poucas substâncias que não pode ser extinta com água.

Reagentes e equipamentos: magnésio, água, vidro, colher de cabo longo, lamparina a álcool.

Progresso do trabalho e observações: acender uma pequena quantidade de magnésio em uma colher na chama de uma lamparina a álcool. Colocamos magnésio em chamas em um copo d'água e observamos que ele não se apaga, mas continua queimando, permanecendo na superfície da água.

Experiência nº 4 “Cobra do Faraó a partir de gluconato de cálcio”.

As cobras do Faraó apresentam uma série de reações que são acompanhadas pela formação de um produto poroso a partir de um pequeno volume de substâncias reagentes. Essas reações são acompanhadas por uma rápida evolução de gás.

Objetivo do experimento: observar a decomposição térmica do gluconato de cálcio.

Reagentes e equipamentos: comprimidos de gluconato de cálcio, combustível seco, pinças.

Progresso do trabalho e observações: sobre um comprimido aceso de combustível seco, usando uma pinça, coloque 1-2 comprimidos de gluconato de cálcio. O gluconato de cálcio aumentará significativamente de volume, assumirá uma forma de “verme” e “rastejará” para fora da chama. A “cobra” resultante é muito frágil e desmorona ao primeiro toque.

Experiência nº 5. "Refrigerante Víbora"

O objetivo do experimento: observar a decomposição térmica de uma mistura de refrigerante e açúcar de confeiteiro.

Reagentes e equipamentos: areia, refrigerante, açúcar de confeiteiro, álcool.

Progresso do trabalho e observações: despeje um pouco de areia (4-5 colheres de sopa), faça uma pequena depressão no topo da “pirâmide” resultante. Despeje uma mistura de quantidades iguais de bicarbonato de sódio e açúcar de confeiteiro nesta cavidade. Colocamos álcool sobre tudo e colocamos fogo. Primeiro observamos a formação de pequenas bolhas escuras, depois o aparecimento da própria “víbora refrigerante”. Como no experimento anterior, a cobra faraó aumenta gradualmente de tamanho.

Experiência nº 6. "Explosão de uma mistura de gases."

O objetivo do experimento: observar a explosão de uma mistura de ar e gás inflamável.

Reagentes e equipamentos: zinco, ácido clorídrico, dispositivo para produção de gases, copo d'água, detergente para louça, farpa acesa.

Progresso do trabalho e observações: despeje um pouco de detergente em um copo d'água, mexa até formar uma leve espuma. Misturamos zinco e ácido clorídrico em um dispositivo para produção de gases e direcionamos o tubo de saída do gás para um copo com água e detergente. Quando o zinco reage com o ácido clorídrico, é liberado hidrogênio, que forma espuma no vidro. Quando há o suficiente

espuma, retire o tubo de saída do gás, leve a lasca em chamas até a espuma e observe uma pequena explosão.

Experiência nº 7. "Chama Colorida"

Reagentes e equipamentos: cloreto de cobre, sulfato de cobre (II), sal de cozinha, fluoreto de cálcio, cloreto de amônio, água, lâmpada de álcool, alça de fio de nicromo.

Progresso dos trabalhos e observações: misturar cloreto de amônio na proporção de 1:1 com cada um dos reagentes, diluir com água e misturar a pasta resultante. Em seguida, prendemos uma pequena quantidade de cada substância com uma alça de fio de nicromo e colocamos na chama do queimador, observando a reação de coloração da chama. O resultado foi: a chama original era transparente, com tonalidade azulada; cloreto de sódio (sal de cozinha) coloriu a chama de amarelo; sulfato de cobre (II) - sulfato de cobre - verde; o cloreto de cobre tornou-o azul claro e o fluoreto de cálcio deu à chama uma tonalidade vermelha quase imperceptível.

Referências

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3. Desconhecido. Química analítica. Semimicroanálise [recurso eletrônico] / Desconhecido // Química analítica - Modo de acesso: http://analit-himiya.ucoz.com/index/0-13

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7. Ryumin, V.V. Autoignição / V.V. Ryumin // Química divertida, 7ª ed. Guarda Jovem. - Moscou, 1936. - P.59

8. Stepin, BD; Alikberova, L.Yu. Experimentos espetaculares / B.D. Stepin, L.Yu. Alikberova // Tarefas divertidas e experimentos espetaculares em química, ed. Abetarda - Moscou, 2006. - S.

– uma reação em cadeia sustentada envolvendo combustão, que é uma reação exotérmica na qual um oxidante, geralmente oxigênio, oxida um combustível, geralmente carbono, produzindo produtos de combustão como dióxido de carbono, água, calor e luz. Um exemplo típico é a combustão de metano:

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O

O calor gerado pela combustão pode ser utilizado para alimentar a própria combustão e, quando isto é suficiente e nenhuma energia adicional é necessária para manter a combustão, ocorre um incêndio. Para apagar um incêndio, pode-se retirar o combustível (desligar o queimador do fogão), o oxidante (cobrir o fogo com um material especial), o calor (borrifar água no fogo) ou a própria reação.

A combustão é, em alguns aspectos, o oposto da fotossíntese, uma reação endotérmica na qual a luz, a água e o dióxido de carbono entram para produzir carbono.

É tentador presumir que a queima de madeira consome o carbono encontrado na celulose. No entanto, parece haver algo mais complexo acontecendo. Se a madeira for exposta ao calor, ela sofre pirólise (ao contrário da combustão, que não necessita de oxigênio), convertendo-a em substâncias mais inflamáveis, como os gases, e são essas substâncias que se inflamam nos incêndios.

Se a madeira queimar por tempo suficiente, a chama desaparecerá, mas a combustão continuará, e a madeira em particular continuará a brilhar. A combustão lenta é uma combustão incompleta que, ao contrário da combustão completa, resulta na formação de monóxido de carbono.

Objetos do dia a dia emitem calor constantemente, grande parte dele na faixa infravermelha. Seu comprimento de onda é maior que a luz visível, por isso não pode ser visto sem câmeras especiais. O fogo é brilhante o suficiente para produzir luz visível, embora também produza radiação infravermelha.

Outro mecanismo para o aparecimento de cor no fogo é o espectro de emissão do objeto que está sendo queimado. Ao contrário da radiação do corpo negro, o espectro da radiação possui frequências discretas. Isso ocorre devido ao fato de os elétrons gerarem fótons em determinadas frequências, passando de um estado de alta energia para um estado de baixa energia. Essas frequências podem ser usadas para determinar os elementos presentes em uma amostra. Uma ideia semelhante (usando o espectro de absorção) é usada para determinar a composição das estrelas. O espectro de emissão também é responsável pela cor dos fogos de artifício e das luzes coloridas.

A forma de uma chama na Terra depende da gravidade. Quando um incêndio aquece o ar circundante, ocorre a convecção: o ar quente, contendo, entre outras coisas, cinzas quentes, sobe, e o ar frio (contendo oxigênio) desce, sustentando o fogo e dando forma à chama. Em baixa gravidade, como numa estação espacial, isso não acontece. O fogo é alimentado pela difusão do oxigênio, por isso queima mais lentamente e em forma de esfera (já que a combustão ocorre apenas quando o fogo entra em contato com o ar contendo oxigênio. Não resta oxigênio dentro da esfera).

Radiação de corpo negro

A radiação do corpo negro é descrita pela fórmula de Planck, que se refere à mecânica quântica. Historicamente, foi uma das primeiras aplicações da mecânica quântica. Pode ser derivado da mecânica estatística quântica da seguinte maneira.

Calculamos a distribuição de frequência em um gás fóton à temperatura T. O fato de coincidir com a distribuição de frequência dos fótons emitidos por um corpo absolutamente negro da mesma temperatura decorre da lei de radiação de Kirchhoff. A ideia é que o corpo negro possa ser colocado em equilíbrio de temperatura com o gás fóton (já que eles têm a mesma temperatura). O gás fotônico é absorvido pelo corpo negro, que também emite fótons, portanto para o equilíbrio é necessário que para cada frequência em que o corpo negro emite radiação, ele a absorva na mesma taxa, que é determinada pela distribuição de frequência em o gás.

Na mecânica estatística, a probabilidade de um sistema estar em microestados s, se estiver em equilíbrio térmico à temperatura T, é proporcional

Onde E s é a energia do estado s, e β = 1 / k B T, ou beta termodinâmico (T é a temperatura, k B é a constante de Boltzmann). Esta é a distribuição de Boltzmann. Uma explicação para isso é dada na postagem do blog de Terence Tao. Isso significa que a probabilidade é igual

Ps = (1/Z(β)) * e - β Es

Onde Z(β) é a constante de normalização

Z(β) = ∑ s e - β E s

Para descrever o estado de um gás fóton, você precisa saber algo sobre o comportamento quântico dos fótons. Na quantização padrão do campo eletromagnético, o campo pode ser visto como um conjunto de oscilações harmônicas quânticas, cada uma oscilando em diferentes frequências angulares ω. As energias dos autoestados de um oscilador harmônico são denotadas por um número inteiro não negativo n ∈ ℤ ≥ 0, que pode ser interpretado como o número de fótons de frequência ω. Energias do estado próprio (até uma constante):

Por sua vez, a constante de normalização quântica prevê que em baixas frequências (em relação à temperatura) a resposta clássica é aproximadamente correta, mas em altas frequências a energia média cai exponencialmente, sendo a queda maior em temperaturas mais baixas. Isso acontece porque em altas frequências e baixas temperaturas, um oscilador harmônico quântico passa a maior parte do tempo no estado fundamental e não faz a transição para o próximo nível tão facilmente, o que é exponencialmente menos provável de ocorrer. Os físicos dizem que a maior parte deste grau de liberdade (a liberdade de um oscilador oscilar numa determinada frequência) está “congelado”.

Densidade de estados e fórmula de Planck

Agora, sabendo o que acontece em uma determinada frequência ω, é necessário somar todas as frequências possíveis. Esta parte dos cálculos é clássica e não é necessário fazer correções quânticas.

Usamos a simplificação padrão de que o gás fóton está encerrado em um volume com um lado de comprimento L com condições de contorno periódicas (ou seja, na realidade será um toro plano T = ℝ 3 / L ℤ 3). As frequências possíveis são classificadas de acordo com soluções da equação de ondas eletromagnéticas para ondas estacionárias em um volume com condições de contorno especificadas, que, por sua vez, correspondem, até um fator, aos autovalores do Δ Laplaciano. Mais precisamente, se Δ υ = λ υ, onde υ(x) é uma função suave T → ℝ, então a solução correspondente à equação da onda eletromagnética para uma onda estacionária será

υ(t, x) = e c √λ t υ(x)

E, portanto, dado que λ é geralmente negativo e, portanto, √λ é geralmente imaginário, a frequência correspondente será igual a

ω = c √(-λ)

Esta frequência ocorre dim V λ vezes, onde V λ é o autovalor λ do Laplaciano.

Simplificamos as condições usando um volume com condições de contorno periódicas porque neste caso é muito fácil escrever todas as autofunções do Laplaciano. Se usarmos números complexos para simplificar, então eles serão definidos como

υ k (x) = e eu k x

Onde k = (k 1, k 2, k 3) ∈ 2 π / L * ℤ 3, vetor de onda. O autovalor correspondente do Laplaciano será

λk = - | k | 2 = - k 2 1 - k 2 2 - k 2 3

A frequência correspondente será

E a energia correspondente (um fóton desta frequência)

E k = ℏ ω k = ℏ c |k|

Aqui aproximamos a distribuição de probabilidade sobre frequências possíveis ω k , que, estritamente falando, são discretas, por uma distribuição de probabilidade contínua, e calculamos a densidade de estados correspondente g(ω). A ideia é que g(ω) dω corresponda ao número de estados disponíveis com frequências variando de ω a ω + dω. Em seguida, integramos a densidade dos estados para obter a constante de normalização final.

Por que essa aproximação é razoável? A constante de normalização completa pode ser descrita como segue. Para cada número de onda k ∈ 2 π / L * ℤ 3 existe um número n k ∈ ℤ ≥0 que descreve o número de fótons com aquele número de onda. O número total de fótons n = ∑ n k é finito. Cada fóton adiciona ℏ ω k = ℏ c |k| à energia, o que significa que

Z(β) = ∏ k Z ω k (β) = ∏ k 1 / (1 - e -βℏc|k|)

Para todos os números de onda k, portanto, seu logaritmo é escrito como a soma

Log Z(β) = ∑ k log 1 / (1 - e -βℏc|k|)

E queremos aproximar esta soma por um integral. Acontece que para temperaturas razoáveis e grandes volumes o integrando muda muito lentamente com k, portanto esta aproximação será muito próxima. Ele para de funcionar apenas em temperaturas ultrabaixas, onde ocorre a condensação de Bose-Einstein.

A densidade de estados é calculada da seguinte forma. Os vetores de onda podem ser representados como pontos de rede uniformes que vivem no “espaço de fase”, ou seja, o número de vetores de onda em uma determinada região do espaço de fase é proporcional ao seu volume, pelo menos para regiões grandes em comparação com o passo da rede 2π/L . Essencialmente, o número de vetores de onda na região do espaço de fase é igual a V/8π 3, onde V = L 3, nosso volume limitado.

Resta calcular o volume da região do espaço de fase para todos os vetores de onda k com frequências ω k = c |k| na faixa de ω a ω + dω. Esta é uma casca esférica com espessura dω/c e raio ω/c, então seu volume

2πω 2 /c 3 dω

Portanto, a densidade de estados de um fóton

G(ω) dω = V ω 2/2 π 2 c 3 dω

Na verdade, esta fórmula é duas vezes mais baixa: esquecemos de levar em conta a polarização dos fótons (ou, equivalentemente, o spin do fóton), que duplica o número de estados para um determinado número de onda. Densidade Correta:

G(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω

O fato de a densidade de estados ser linear no volume V não funciona apenas em um toro plano. Esta é uma propriedade dos autovalores do Laplaciano de acordo com a lei de Weyl. Isso significa que o logaritmo da constante de normalização

Log Z = V / π 2 c 3 ∫ ω 2 log 1 / (1 - e - βℏω) dω

A derivada em relação a β dá a energia média do gás fóton

< E >= - ∂/∂β log Z = V / π 2 c 3 ∫ ℏω 3 / (e βℏω - 1) dω

Mas o que é importante para nós é o integrando, que dá a “densidade de energia”

E(ω) dω = Vℏ / π 2 c 3 * ω 3 / (e βℏω - 1) dω

Descrever a quantidade de energia do gás fóton originada de fótons com frequências na faixa ω a ω + dω. O resultado final é uma forma da fórmula de Planck, embora exija um pouco de manipulação para transformá-la em uma fórmula que se aplica a corpos negros em vez de gases fotônicos (você precisa dividir por V para obter a densidade por unidade de volume e fazer alguns mais coisas para medir a radiação).

A fórmula de Planck tem duas limitações. No caso em que βℏω → 0, o denominador tende para βℏω, e obtemos

E(ω) dω ≈ V / π 2 c 3 * ω 2 /β dω = V k B T ω 2 / π 2 c 3 dω

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Introdução

Relevância do tema. Sem fogo, a vida na Terra é impossível. Vemos fogo todos os dias - um fogão, uma fogueira, um fogão, etc. Está em toda parte - em casas e escolas, em fábricas e fábricas, em motores de naves espaciais. A Chama Eterna arde na Praça da Glória, as velas estão sempre acesas nas igrejas...

Os incêndios florestais foram exibidos na TV durante todo o verão. Um grande número de árvores que nos forneciam ar queimaram irremediavelmente. Eles poderiam se tornar livros interessantes e nossos cadernos escolares. Os animais morreram. Aldeias inteiras foram incendiadas, as pessoas ficaram sem casa.

Este fogo é interessante e misterioso!

Muitos livros foram escritos para crianças sobre incêndios e medidas de segurança, incluindo obras literárias (“Tio Stepa” de S. Mikhalkov, “Confusão” de K. Chukovsky, “Cat’s House” de S. Marshak, etc.). Mas tais fontes que descrevem em detalhes as propriedades do fogo e seus benefícios são raras. Nosso trabalho é uma tentativa de preencher essa lacuna.

Objetivo do trabalho: Estudo do significado do fogo para o homem.

Tarefas. Neste trabalho estudamos as propriedades do fogo e respondemos à pergunta: O que é o fogo? Também entendemos como as pessoas usam essas propriedades. Como e por que o fogo pode ajudar e prejudicar as pessoas? (Apêndice 1).

Utilizamos literatura de referência: dicionário, enciclopédia, alguns livros para adultos e informações da Internet.

1. O que é fogo? Propriedades básicas do fogo

A enciclopédia infantil tem a seguinte definição de fogo e combustão: “é uma reação química em que uma das substâncias aquece tanto que se combina com o oxigênio do ar”.

No dicionário explicativo da língua russa lemos: “O fogo queima gases luminosos de alta temperatura”. Após a leitura dessas informações, o autor deste trabalho ainda não entendeu o que é fogo e decidiu dar-lhe uma definição que fosse compreensível para os alunos do ensino fundamental. Para fazer isso, você precisa identificar suas principais propriedades.

Estudamos as propriedades básicas do fogo usando métodos experimentais (experimentos) e observação. Vamos fazer alguns experimentos.

Observação. Todos os experimentos foram realizados na presença e com a ajuda de adultos, e foram seguidas as regras de segurança: foi utilizada uma superfície não inflamável (placa de vidro) e preparado um jarro com água.

Descrição dos experimentos:

Experiência nº 1. À noite, as luzes da sala foram apagadas. Ficou escuro, nada era visível. Acenderam uma vela, os contornos dos objetos e das pessoas tornaram-se visíveis.

Mesmo a chama de uma pequena vela pode iluminar uma sala. É por isso que a mãe sempre tem velas em estoque - para o caso de falta de energia.

Experiência nº 2. Com muito cuidado, tente levar a mão até a chama da vela. A uma distância de 20 cm fica muito quente, abaixo - por causa da sensação de queimação você não consegue abaixar a mão.

Conclusão: Propriedade 2: O fogo produz muito calor! (Veja: Apêndice, slide 5).

Experiência número 3. Cubra a vela acesa com uma jarra de vidro. Depois de alguns segundos a chama se apaga. A mesma coisa acontece com um queimador de gás. Para maior confiabilidade, repetimos o experimento 3 vezes. O resultado é sempre o mesmo - a chama para de queimar.

Conclusão: 3ª propriedade: para que um fogo arda é necessário ar, ou melhor, o oxigênio que contém. (Veja: Apêndice, slide 6).

Assim, descobrimos as principais propriedades do fogo e já podemos responder à pergunta: o que é o fogo?

O fogo é um processo no qual o oxigênio é consumido e a luz e o calor são liberados.

Vamos continuar estudando as propriedades do fogo.

1) Observe a chama da vela. A forma de uma chama calma, apontada para cima, parece um cone. Se você soprar lentamente a chama de uma vela, a forma muda, ela se desvia do fluxo de ar. A mesma coisa acontece se você segurar uma vela em uma janela entreaberta.

Conclusão: o formato da chama pode ser alterado por meio do fluxo de ar. Esta propriedade é usada ao acender um fogo. (Ver: Apêndice, slides 9,10,11).

2) Considere a cor da chama. A cor não é a mesma em todos os lugares, a chama tem camadas: a camada inferior é azulada, depois uma camada amarelo claro, depois a camada superior laranja-avermelhada. (Veja: Apêndice, slide 13).

Mas nem tudo se trata de cor.

Percebemos que o gás da cozinha sempre queima em azul e a lenha sempre em amarelo-laranja. Observando a queima de um fino fio de cobre de um cabo elétrico, descobrimos que a chama ficou verde. (Ver: Apêndice, slides 14, 17, 18, 19).

Conclusões: 1. Diferentes substâncias e materiais queimam com diferentes cores de chama. Então é assim que você consegue fogos de artifício tão lindos! 2. Isso significa que você pode determinar uma substância desconhecida pela cor da chama, bastando atear fogo nela (como um dos métodos).

Experiência nº 5. Temperatura da chama. Vamos pegar o mesmo fio de cobre fino. A ponta desse fio, segurando-o através da chama, é colocada em diferentes lugares e em diferentes alturas da chama e observamos o efeito da chama no fio. As observações revelam o seguinte:

Na parte inferior da chama o fio não brilha, não queima, apenas é coberto por uma camada preta.
Na parte do meio, o fio brilha em vermelho e começa a brilhar em vermelho.
Bem no topo da chama, o fio acende, dando à chama um tom esverdeado.

Isso significa que a temperatura nas diferentes camadas da chama é diferente. Isto é confirmado pela experiência de colocar a mão perto da chama. Lembramos que você só pode levar a mão 20 cm de cima. Se levar o dedo até o fundo da chama, o calor será sentido apenas a uma distância de 1 cm.

Conclusão: a chama possui diversas camadas que diferem não só na cor, mas também na temperatura. A chama é mais fria na parte inferior e mais quente na parte superior. (Veja: Apêndice, slide 20).

2. O significado do fogo: benefícios e malefícios

Como resultado de nossos experimentos, de nossas próprias observações, bem como do material que lemos, ficamos convencidos de que as pessoas usam constantemente o fogo em suas vidas e isso lhes traz grandes benefícios.

Na vida quotidiana: para aquecimento ambiente, cozinha, aquecimento de água, iluminação - se a electricidade não funcionar. O fogo também serve para conforto. Por exemplo, uma lareira ou velas perfumadas.
Acontece que as propriedades benéficas do fogo são utilizadas em muitas fábricas e fábricas. O fogo derrete o metal, após o que ele ganha alguma forma. O metal também é usado para cortar metal ou, inversamente, para soldá-lo. Assim, é utilizado, por exemplo, para fazer diversas máquinas e mecanismos.

O fogo também é usado para:

Fabricação de vidro e faiança.
Produção de plásticos, tintas.
Fabricação de medicamentos.
Reciclagem de resíduos.

E esta não é toda a lista de “boas” ações do fogo.

Conclusão: as pessoas realmente precisam de fogo. Aquece, alimenta e ilumina. O homem moderno usa o fogo constantemente. É impossível imaginar a vida sem fogo.

Mas o fogo é muito perigoso! Sempre precisa ser controlado. Ele é capaz de causar muitos danos. Estamos falando de incêndios. Incêndio é quando um fogo queima sem o desejo da pessoa e destrói tudo.

Os incêndios causam grandes danos ao nosso estado e à população. O fogo é um fenômeno terrível e cruel, hostil a todos os seres vivos. (Veja: Apêndice, slide 26).

O fogo é prejudicial porque: as pessoas morrem nos incêndios e sofrem queimaduras graves, as pessoas perdem as suas casas, as florestas desaparecem devido aos incêndios e todos os seus habitantes morrem: animais, pássaros, um incêndio pode destruir tudo o que uma pessoa criou com o seu trabalho.

Algumas estatísticas. Imagine que cerca de 5 milhões de incêndios ocorrem no mundo todos os anos! A cada hora uma pessoa morre num incêndio, duas ficam feridas ou queimadas. Cada terceira pessoa morta é uma criança.

Como eles surgem? Devido ao manejo descuidado do fogo, atitude desonesta em relação às medidas de segurança.

Muitos livros foram escritos sobre incêndios e os problemas que o fogo traz. Incluindo crianças. Por que são escritos tantos livros sobre incêndios para crianças? Achamos isso porque os incêndios ocorrem muitas vezes por culpa das crianças.

Gostaríamos de lembrar a todos os rapazes:

Nunca brinque com fogo!

Você só pode acender uma fogueira na presença de adultos e sob sua supervisão.

Em locais onde ocorrem incêndios ou onde o fogo é utilizado de outra forma, agentes extintores devem estar disponíveis.

O fogo não deve ser deixado sem vigilância.

Quando o fogo não for mais necessário, deve ser bem extinto.

Conclusão

Assim, como resultado do trabalho que realizamos, demos uma definição de fogo que é compreensível para as crianças: “O fogo é um processo no qual o oxigênio é absorvido e a luz e o calor são liberados”.

Eles também descobriram: A chama tem um determinado formato, várias camadas que diferem não só na cor, mas também na temperatura. Neste caso, o formato da chama pode ser alterado por meio de um fluxo de ar. Conhecer essas propriedades ajuda as pessoas a usar o fogo de maneira mais eficaz.

Diferentes substâncias e materiais queimam com diferentes cores de chama. Isso significa que você pode determinar alguma substância pela cor da chama, bastando atear fogo (como um dos métodos).

Em geral, as pessoas realmente precisam de fogo; ele aquece, alimenta e ilumina. O homem moderno usa o fogo constantemente. É impossível imaginar a vida sem fogo.

Mas o fogo é muito perigoso! Deve ser sempre supervisionado e não deve ser deixado sem vigilância. Ele é capaz de causar muitos danos. O fogo é um fenômeno terrível e cruel, hostil a todos os seres vivos.

É claro que não exploramos tudo sobre um fenômeno tão surpreendente como o fogo. Portanto, no futuro é possível explorar as seguintes questões: como as pessoas aprenderam a acender o fogo, quais foram os primeiros métodos? Quais substâncias não queimam e por quê? Como fazer truques de fogo? O tema “Fogo e Armas” também é interessante.

Os resultados deste trabalho podem ser utilizados como material auxiliar nas aulas sobre o mundo que nos rodeia (o mundo que nos rodeia) no jardim de infância e no ensino básico. Para crianças interessadas em fogo, esse material será útil, pois é visual e bastante simples.

Lista de fontes e literatura

John Farndon, Ian James, Ginny Johnson, Angela Royston, etc. Enciclopédia “Perguntas e Respostas”.
Tradução do inglês: E. Kulikova, D. Belenkaya e outros.
Kaydanova O.V (compilador) Fire and Man.
Moscou, 1912. 98 p.
Ozhegov S.I. Dicionário da língua russa: M.: Rus. lang., 1984. 797 p.

Elemento de fogo. http://salamand.ru/sootvetstviya-stixii-ognya

Estatísticas russas. http://www.statp.ru

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O

Radiação de corpo negro

Na mecânica estatística, a probabilidade de um sistema estar em microestados s, se estiver em equilíbrio térmico à temperatura T, é proporcional

Ps = (1/Z(β)) * e - β Es

Onde Z(β) é a constante de normalização

Z(β) = ∑ s e - β E s

Densidade de estados e fórmula de Planck

υ(t, x) = e c √λ t υ(x)

E, portanto, dado que λ é geralmente negativo e, portanto, √λ é geralmente imaginário, a frequência correspondente será igual a

ω = c √(-λ)

Esta frequência ocorre dim V λ vezes, onde V λ é o autovalor λ do Laplaciano.

υ k (x) = e eu k x

Onde k = (k 1, k 2, k 3) ∈ 2 π / L * ℤ 3, vetor de onda. O autovalor correspondente do Laplaciano será

λk = - | k | 2 = - k 2 1 - k 2 2 - k 2 3

A frequência correspondente será

E a energia correspondente (um fóton desta frequência)

E k = ℏ ω k = ℏ c |k|

Z(β) = ∏ k Z ω k (β) = ∏ k 1 / (1 - e -βℏc|k|)

Para todos os números de onda k, portanto, seu logaritmo é escrito como a soma

Log Z(β) = ∑ k log 1 / (1 - e -βℏc|k|)

2πω 2 /c 3 dω

Portanto, a densidade de estados de um fóton

G(ω) dω = V ω 2/2 π 2 c 3 dω

G(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω

Log Z = V / π 2 c 3 ∫ ω 2 log 1 / (1 - e - βℏω) dω

A derivada em relação a β dá a energia média do gás fóton

< E >= - ∂/∂β log Z = V / π 2 c 3 ∫ ℏω 3 / (e βℏω - 1) dω

Mas o que é importante para nós é o integrando, que dá a “densidade de energia”

E(ω) dω = Vℏ / π 2 c 3 * ω 3 / (e βℏω - 1) dω

A fórmula de Planck tem duas limitações. No caso em que βℏω → 0, o denominador tende para βℏω, e obtemos

E(ω) dω ≈ V / π 2 c 3 * ω 2 /β dω = V k B T ω 2 / π 2 c 3 dω

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Depois de realizar esta experiência simples, você ficará convencido de que sem oxigênio a chama se apaga. Pegue uma vela e coloque-a em um prato. Peça a um adulto que acenda a vela e cubra-a com uma jarra de vidro. Depois de um tempo você verá que a chama se apagou porque acabou o oxigênio da jarra.

Uma chama é formada durante a combustão de substâncias em vários estados - podem ser sólidas, líquidas e até gasosas. Uma chama é formada apenas na presença de uma substância inflamável, oxigênio e calor. Consideremos o processo usando o exemplo de um fósforo: o enxofre e o próprio fósforo são uma substância inflamável, atrito contra a caixa; a energia resultante do atrito transforma-se em calor e, ao reagir com o oxigênio, o fósforo começa a queimar. Ao soprar um fósforo aceso, a temperatura cai e a combustão cessa.

Como a temperatura é medida?

Diferentes escalas são usadas para medir a temperatura. Cada escala leva o nome de seu criador: Celsius, Fahrenheit, Kelvin e Rankine. A maioria dos países usa a escala Celsius (°C).
Aqui estão alguns exemplos de temperaturas:
250°C - temperatura de ignição da madeira;
100°C é o ponto de ebulição da água;
37°C – temperatura corporal humana;
O °C - temperatura de congelamento da água;
- 39 °C – temperatura de solidificação do mercúrio;
- 273 °C – zero absoluto, a temperatura na qual os átomos param de se mover.

Produtos de combustão

Fumaça, cinza e fuligem são produtos de combustão. Quando uma substância queima, ela não desaparece, mas se transforma em outras substâncias e em calor.

Forma de chama

A chama tem formato alongado porque o ar quente, mais leve que o ar frio, sobe.

O que é combustível ou combustível?

As substâncias que queimam na presença de oxigênio, liberando grande quantidade de calor, são chamadas de combustíveis e são utilizadas para produzir diversos tipos de energia. A madeira e o carvão são combustíveis sólidos. Gasolina, óleo diesel e querosene são combustíveis líquidos obtidos do petróleo. O gás natural, composto por metano, etano, propano e butano, é um combustível gasoso.

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