Kako vatra gori u nultoj gravitaciji? Da li u svemirskom brodu gori svijeća?

Kako vatra gori u nultoj gravitaciji? Šta je sagorevanje? Ovo je oslobađanje hemijske oksidacione reakcije velika količina topline i stvaranja vrućih produkata izgaranja. Proces sagorevanja se može odvijati samo u prisustvu zapaljive supstance, kiseonika, i pod uslovom da se produkti oksidacije uklone iz zone sagorevanja. Hajde da vidimo kako sveća radi i šta tačno gori u njoj. Svijeća je fitilj upleten od pamučnih niti, punjen voskom, parafinom ili stearinom. Mnogi ljudi misle da sam fitilj gori, ali to nije tako. To je tvar oko fitilja, odnosno njegova para, koja gori. Fitilj je potreban kako bi se vosak (parafin, stearin) otopljen od toplote plamena uzdigao kroz svoje kapilare u zonu izgaranja. Da biste to testirali, možete provesti mali eksperiment. Ugasite svijeću i odmah donesite zapaljenu šibicu do tačke dva ili tri centimetra iznad fitilja, gdje se diže para voska. Šibica će ih zapaliti, nakon čega će vatra pasti na fitilj i svijeća će ponovo zapaliti. Dakle, postoji zapaljiva supstanca. U vazduhu ima i sasvim dovoljno kiseonika. Šta je sa uklanjanjem produkata sagorevanja? Nema problema sa ovim na zemlji. Vazduh, zagrejan toplotom plamena svijeće, postaje manje gust od hladnog vazduha koji ga okružuje i diže se prema gore zajedno sa produktima sagorevanja (oni formiraju plameni jezik). Ako produkti sagorijevanja, a to su ugljični dioksid CO2 i vodena para, ostanu u zoni reakcije, izgaranje će brzo prestati. To je lako provjeriti: stavite upaljenu svijeću u visoku čašu - ugasit će se. Sada razmislimo o tome šta će se dogoditi sa upaljenom svijećom svemirska stanica, gdje su svi objekti u bestežinskom stanju. Razlika u gustini toplog i hladnog vazduha više neće uzrokovati prirodna konvekcija, i kroz za kratko vrijeme neće ostati kiseonik u zoni sagorevanja. Ali stvara se višak ugljičnog monoksida (ugljični monoksid) CO. Međutim, još nekoliko minuta će svijeća gorjeti, a plamen će poprimiti oblik lopte koja okružuje fitilj. Jednako je zanimljivo znati koje će boje biti plamen svijeće na svemirskoj stanici. Na tlu dominira žuta nijansa uzrokovana sjajem vrućih čestica čađi. Obično vatra gori na temperaturi od 1227-1721oC. U bestežinskom stanju, uočeno je da kako se zapaljiva tvar iscrpi, "hladno" sagorijevanje počinje na temperaturi od 227-527 ° C. Pod ovim uslovima, mešavina zasićenih ugljovodonika u vosku oslobađa vodonik H2, koji plamenu daje plavkastu nijansu. Da li je neko zapalio prave svijeće u svemiru? Ispostavilo se da su ga upalili - u orbiti. To je prvi put urađeno 1992. godine u eksperimentalnom modulu Space Shuttlea, a zatim u svemirski brod NASA Columbia, 1996. godine, eksperiment je ponovljen na stanici Mir. Naravno, ovaj posao nije urađen iz obične radoznalosti, već da bi se shvatilo do kakvih posljedica može dovesti požar na stanici i kako se nositi s njim. Od oktobra 2008. do maja 2012. slični eksperimenti su izvedeni u okviru NASA projekta na Međunarodnoj svemirskoj stanici. Ovog puta astronauti su ispitivali zapaljive materije u izolovanoj komori u različitim pritiscima i različit sadržaj kiseonika. Tada je uspostavljeno “hladno” sagorevanje na niske temperature. Podsjetimo da su proizvodi sagorijevanja na Zemlji u pravilu ugljični dioksid i vodena para. U bestežinskom stanju, u uslovima sagorevanja na niskim temperaturama, oslobađaju se uglavnom visoko toksične supstance ugljen monoksid i formaldehid. Istraživači nastavljaju proučavati sagorijevanje u nultom stanju gravitacije. Možda će rezultati ovih eksperimenata biti osnova za razvoj novih tehnologija, jer gotovo sve što se radi za svemir, nakon nekog vremena, nađe primjenu na zemlji.

Požar u nultoj gravitaciji 12.09.2015

Na lijevoj strani gori svijeća na Zemlji, a desno je u bestežinskom stanju.

Evo detalja...

Eksperiment sproveden na Međunarodnoj svemirskoj stanici dao je neočekivane rezultate - otvoreni plamen se ponašao potpuno drugačije nego što su naučnici očekivali.

Kako neki naučnici vole da kažu, vatra je najstarija i najuspešnija hemijski eksperimentčovječanstvo. Zaista, vatra je oduvijek bila sa čovječanstvom: od prvih vatri na kojima se pržilo meso, do plamena raketnog motora koji je čovjeka doveo na Mjesec. By uglavnom, vatra je simbol i instrument napretka naše civilizacije.

Dr Forman A. Williams, profesor fizike na Kalifornijskom univerzitetu u San Dijegu, dugo je radio na proučavanju plamena. Obično je vatra veoma složen proces hiljade međusobno povezanih hemijske reakcije. Na primjer, u plamenu svijeće, molekuli ugljovodonika isparavaju iz fitilja, razgrađuju se pod utjecajem topline i spajaju se s kisikom da bi proizveli svjetlost, toplinu, CO2 i vodu. Neki od ugljovodoničnih fragmenata, u obliku prstenastih molekula koji se nazivaju policiklični aromatični ugljovodonici, formiraju čađ, koja također može izgorjeti ili se pretvoriti u dim. Poznati oblik suze plamenu svijeće je dat gravitacijom i konvekcijom: vrući zrak diže se i uvlači svježe u plamen hladan vazduh, zbog čega se plamen proteže prema gore.

Ali ispostavilo se da se u nultoj gravitaciji sve događa drugačije. U eksperimentu pod nazivom FLEX, naučnici su proučavali vatru na ISS-u kako bi razvili tehnologije za gašenje požara u nultom stepenu gravitacije. Istraživači su zapalili male mjehuriće heptana unutar posebne komore i gledali kako se plamen ponaša.

Naučnici su se susreli čudan fenomen. U uslovima mikrogravitacije, plamen gori drugačije, formira male kuglice. Ovaj fenomen je bio očekivan jer se, za razliku od plamena na Zemlji, u bestežinskom stanju nalaze kiseonik i gorivo tanki sloj na površini sfere, Ovo jednostavno kolo, što se razlikuje od zemaljske vatre. Međutim, otkrivena je čudna stvar: naučnici su primijetili nastavak gorenja vatrenih lopti čak i nakon što je, prema svim proračunima, gorenje trebalo prestati. Istovremeno, požar je zahvatio tzv hladna faza– gorjelo je vrlo slabo, toliko da se plamen nije mogao vidjeti. Međutim, to je bila vatra, a plamen je mogao odmah buknuti velika snaga u kontaktu sa gorivom i kiseonikom.

Obično vidljiva vatra gori kada visoke temperature između 1227 i 1727 stepeni Celzijusa. I mjehurići heptana na ISS-u su žarko goreli na ovoj temperaturi, ali kako je gorivo nestalo i ohladilo se, počelo je potpuno drugačije sagorijevanje – hladno. Odvija se na relativno niskoj temperaturi od 227-527 stepeni Celzijusa i ne proizvodi čađ, CO2 i vodu, već otrovniji ugljični monoksid i formaldehid.

Slične vrste hladnog plamena reprodukovane su u laboratorijama na Zemlji, ali pod gravitacionim uslovima takav požar je sam po sebi nestabilan i uvek se brzo gasi. Na ISS-u, međutim, hladan plamen može postojano da gori nekoliko minuta. Ovo nije baš ugodno otkriće, jer hladna vatra predstavlja povećanu opasnost: lakše se zapali, uključujući i spontano, teže ju je otkriti i, osim toga, oslobađa više otrovnih tvari. S druge strane, otvor se može naći praktična upotreba, na primjer, u HCCI tehnologiji, koja uključuje paljenje goriva u benzinskim motorima ne iz svjećica, već iz hladnog plamena.

Mnogi fizički procesi se odvijaju drugačije nego na Zemlji, a sagorevanje nije izuzetak. Plamen se potpuno drugačije ponaša u nultoj gravitaciji, poprimajući sferni oblik. Fotografija prikazuje sagorevanje kapljice etilena u vazduhu u uslovima mikrogravitacije. Ova fotografija je snimljena tokom eksperimenta za proučavanje fizike sagorevanja u specijalnom tornju od 30 metara (2,2-Second Drop Tower) u Glenn istraživačkom centru, stvorenom da reprodukuje uslove mikrogravitacije tokom slobodnog pada. Mnogi eksperimenti koji su kasnije izvedeni na svemirskim letjelicama prošli su preliminarna testiranja u ovoj kuli, zbog čega se naziva „kapija u svemir“.

Kuglasti oblik plamena objašnjava se činjenicom da u uslovima bestežinskog stanja nema kretanja zraka prema gore i ne dolazi do konvekcije njegovih toplih i hladnih slojeva, što na Zemlji "vuče" plamen u oblik kapi. Ne postoji dovoljan dotok plamena da se izgori svježi zrak, koji sadrži kisik, a ispada da je manji i nije tako vruć. Žuto-narandžasta boja plamena, koja nam je poznata na Zemlji, uzrokovana je sjajem čestica čađi koje se uz vrelu struju zraka dižu prema gore. Kod nulte gravitacije plamen poprima plavu boju, jer se stvara malo čađi (za to je potrebna temperatura veća od 1000°C), a čađ koja postoji svijetliće samo u infracrvenom području zbog niže temperature. Na gornjoj fotografiji je i dalje žuto-narandžasta boja u plamenu, pošto je uhvaćena rana faza paljenja, kada još ima dovoljno kiseonika.

Studije sagorevanja u uslovima mikrogravitacije su posebno važne za osiguranje bezbednosti svemirskih letelica. Eksperimenti za gašenje požara (FLEX) izvode se nekoliko godina u posebnom odjeljku na ISS-u. Istraživači zapaljuju male kapljice goriva (kao što su heptan i metanol) u kontroliranoj atmosferi. Mala kugla goriva gori otprilike 20 sekundi, okružena vatrenom sferom promjera 2,5-4 mm, nakon čega se kapljica smanjuje dok se ili plamen ne ugasi ili gorivo ne ponestane. Najneočekivaniji rezultat bio je da je kap heptana, nakon vidljivog sagorevanja, ušla u takozvanu „hladnu fazu“ – plamen je postao toliko slab da se nije mogao vidjeti. A ipak je to bilo sagorevanje: vatra je mogla momentalno da se rasplamsa u interakciji sa kiseonikom ili gorivom.

Kako objašnjavaju istraživači, kada normalno sagorevanje temperatura plamena varira između 1227°C i 1727°C - na ovoj temperaturi u eksperimentu je bila vidljiva vatra. Kako je gorivo sagorijevalo, počelo je "hladno sagorijevanje": plamen se ohladio na 227–527 °C i nije proizvodio čađ, ugljični dioksid i vodu, već otrovnije materijale - formaldehid i ugljični monoksid. Tokom FLEX eksperimenta, odabrana je i najmanje zapaljiva atmosfera ugljen-dioksid i helijum, što će pomoći u smanjenju rizika od požara svemirskih letjelica u budućnosti.

Za sagorevanje i plamen na Zemlji iu nultoj gravitaciji, pogledajte i:
Konstantin Bogdanov „Gde je pas zakopan?“ - „5. Šta je vatra? .

Janash Bannikov

U svemiru je izveden neobičan eksperiment. japanski astronaut Takao Doi,

koji se nalazi na američkom modulu ISS-a, lansirao je običan bumerang.

Stručnjaci su željeli vidjeti kako bi se ovaj objekt ponašao ako se baci u nultu gravitaciju.

Na iznenađenje mnogih, uključujući svjetskog prvaka u bacanju bumeranga Yasuhiro Togaija, bumerang se vratio!

Još jedan eksperiment u nultoj gravitaciji

Albert Einstein, mnogo prije svemirskih letova, razmišljao je o zanimljivom pitanju: hoće li u kabini svemirskog broda gorjeti svijeća? Ajnštajn je verovao da "ne", jer zbog bestežinskog stanja, vrući gasovi neće izaći iz zone plamena. Tako će pristup kiseonika fitilju biti blokiran, a plamen će se ugasiti.

Moderni eksperimentatori odlučili su da eksperimentalno testiraju Ajnštajnovu izjavu. Sljedeći eksperiment je izveden u jednoj od laboratorija. Zapaljena svijeća postavljena u zatvorenom prostoru staklena tegla, pao sa visine od oko 70 m. Predmet koji je padao bio je u bestežinskom stanju, ako se ne uzme u obzir otpor vazduha. Međutim, svijeća se nije ugasila, promijenio se samo oblik plamena, postao je sferniji, a svjetlost koju je emitirala postala je manje sjajna.

Eksperimentatori su tekuće sagorevanje u bestežinskom stanju objasnili difuzijom, zbog čega je kiseonik iz okolnog prostora i dalje ulazio u zonu plamena. Na kraju krajeva, proces difuzije ne ovisi o djelovanju gravitacijskih sila.

Međutim, uslovi sagorevanja u nultoj gravitaciji su drugačiji nego na Zemlji. Ovu okolnost morali su uzeti u obzir sovjetski dizajneri koji su stvorili poseban aparat za zavarivanje za zavarivanje u uslovima nulte gravitacije.

Ovaj uređaj je testiran 1969. godine na sovjetskoj svemirskoj letjelici Sojuz-8 i uspješno je radio.

Da li ste znali?

Prva dugmad

Kako su ljudi davno pričvršćivali odjeću?
Za to su koristili dugmad za manžete, a češće pertle i trake.

Zatim su se pojavila dugmad, a često su se šivali na mnogo više nego što su se pravile petlje. Činjenica je da su dugmad u početku bila namijenjena samo bogatim ljudima, ne samo za zakopčavanje, već češće za ukrašavanje odjeće. Dugmad su napravljena od drago kamenje i skupih metala.

Što je osoba bila plemenitija i bogatija, to je više dugmadi bilo na njegovoj odjeći. Mnogi su se u to vrijeme protivili novim zatvaračima, smatrajući ih nedostupnim luksuzom. Često je to zapravo bio slučaj. Na primjer, kralj Francuske, Franjo Prvi, naredio je da svoj crni baršunasti kamizol ukrasi sa 13.600 zlatnih dugmadi.