Kako vatra gori u nultoj gravitaciji? Vatra u nultoj gravitaciji gori potpuno drugačije nego na zemlji - naučnici su naišli na čudnu pojavu Hoće li svijeća gorjeti na svemirskom brodu?

Mnogi od onih koji su gledali kultni američki film" Ratovi zvijezda“, još pamte impresivan snimak sa eksplozijama, plamenim jezicima, zapaljenim krhotinama koji lete na sve strane... Može li se tako strašna scena ponoviti u stvarnom svemiru? U prostoru potpuno bez zraka? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, pokušajmo prvo shvatiti kako će gorjeti obična svijeća svemirska stanica.

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. Oni će se rasplamsati od šibice, nakon čega će vatra pasti na fitilj i svijeća će se ponovo upaliti (za više detalja pogledajte).

Dakle, postoji zapaljiva supstanca. U vazduhu ima i 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 CO 2 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 šta će se dogoditi sa svijećom na svemirskoj stanici, 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. Uobičajeno, vatra gori na temperaturi od 1227-1721 o C. U bestežinskom stanju, uočeno je da kako se zapaljiva supstanca iscrpi, "hladno" sagorevanje počinje na temperaturi od 227-527 o C. U ovim uslovima, mešavina zasićeni ugljovodonici u vosku oslobađaju 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 izgaranja na Zemlji, po 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.

Sada shvatamo da je režiser Džordž Lukas, koji je režirao Ratove zvezda, ipak napravio veliku grešku kada je prikazao apokaliptičnu eksploziju svemirske stanice. U stvari, eksplodirajuća stanica će se pojaviti kao kratak, sjajan bljesak. Nakon njega će ostati ogromna plavkasta lopta, koja će se vrlo brzo ugasiti. A ako iznenada nešto zaista zasvijetli na stanici, morate odmah automatski isključiti umjetnu cirkulaciju zraka. I tada se požar neće dogoditi.

Vosak- neprozirna, masna na dodir, čvrsta masa koja se topi pri zagrevanju. Sastoji se od estera masnih kiselina biljnog i životinjskog porijekla.

Parafin- voštana mješavina zasićenih ugljovodonika.

Stearin- voštana mješavina stearinske i palmitinske kiseline s primjesom drugih zasićenih i nezasićenih masnih kiselina.

Prirodna konvekcija- proces prijenosa topline uzrokovan kruženjem zračnih masa kada su one neravnomjerno zagrijane u gravitacionom polju. Kada se donji slojevi zagriju, postaju lakši i dižu se, a gornji slojevi se, naprotiv, hlade, postaju teži i tonu, nakon čega se proces ponavlja iznova i iznova.

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 nazvanom FLEX, naučnici su proučavali vatru na ISS-u kako bi razvili tehnologije za gašenje požara u nultoj gravitaciji. 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. Ova pojava je bila očekivana 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

Zašto uopšte dolazi do sagorevanja? Kada se zagreje organska materija iznad određene granične vrijednosti - temperature paljenja - počinje njihova aktivna reakcija s atmosferskim kisikom.

Glavni sastav atoma u organskim supstancama je ugljik (C) i vodik (H). Ugljik se spaja s kisikom i formira ugljični dioksid (CO2), a vodik formira vodu (H20). Reakcija, zauzvrat, oslobađa toplinu, što osigurava njen nastavak. Dakle, da bi sagorevanje u principu došlo, potrebna su dva uslova:
1) tako da je temperatura paljenja manja od temperature sagorevanja
2) obezbediti dovoljan protok kiseonika za nastavak reakcije.

Zašto je plamen svijeće usmjeren prema gore? Prilikom sagorevanja, vazduh zagrejan plamenom juri nagore (sećate li se fizike? Topli vazduh je lakši, pa se diže. Tačnije istiskuje ga hladniji, a samim tim i teži.) Hladan vazduh, koji sadrži više kiseonika, struji na mesto koje je oslobođeno. toplim vazduhom. Očigledno, ako pokrijete svijeću, npr. staklena tegla, tada će se svijeća ugasiti dovoljno brzo - čim sav kisik reagira. Usput, još jedan interes Pitajte. Zašto, iako je ugljični dioksid nevidljiv, a vodena para vidljiva samo kada je ima puno, jasno možemo vidjeti plamen svijeće? Vidimo zagrejane čestice nesagorele materije. Upravo one koje stvaraju čađ (čađ). To možemo vidjeti ako, na primjer, držimo kašiku iznad plamena.

Sada se konačno vraćamo našim ovcama. Odnosno, na pitanje da li će svijeća gorjeti u nulti gravitaciji. Očigledno je pitanje nastalo na osnovu obrazloženja da pošto nema gravitacija, tada topli vazduh neće biti zamenjen hladnim vazduhom, a problemi će početi sa prilivom kiseonika. Međutim, ovdje u pomoć dolazi toplinsko kretanje. Zagrijani molekuli ugljičnog dioksida i vodene pare kreću se nekoliko puta brže od molekula kisika, što u principu može dozvoliti da svijeća gori. Dakle, da rezimiramo, zaključujemo. U principu, svijeća može gorjeti, iako je slaba.

Inače, Albert Ajnštajn je jednom postavio ovo pitanje, a sam je odgovorio negativno. Nema strujanja vazduha, nema sagorevanja. Ali iskustvo je pokazalo suprotno.

http://evolutsia.com/content/view/3057/40/

Eksperiment FLEX, izveden 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 najstariji i najuspešniji hemijski eksperiment čovečanstva. 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. Uglavnom, vatra je simbol i instrument napretka naše civilizacije.

Razlika u plamenu na Zemlji (lijevo) i u nultoj gravitaciji (desno) je očigledna. Na ovaj ili onaj način, čovječanstvo će ponovo morati ovladati vatrom - ovaj put u svemiru.

Dr Forman A. Williams, profesor fizike na Kalifornijskom univerzitetu u San Dijegu, dugo je radio na proučavanju plamena. Obično je vatra složen proces hiljada međusobno povezanih hemijskih reakcija. 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 se diže i uvlači svjež hladan zrak u plamen, uzrokujući da se plamen rasteže 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 sa čudnim fenomenom. U uslovima mikrogravitacije, plamen gori drugačije, formira male kuglice. Ovaj fenomen je bio očekivan jer se, za razliku od vatre na Zemlji, u bestežinskom stanju kiseonik i gorivo javljaju u tankom sloju na površini sfere. Ovo je jednostavan obrazac koji se razlikuje od vatre na Zemlji. Međutim, otkrivena je čudna stvar: naučnici su primijetili nastavak gorenja vatrenih lopti čak i nakon što je, prema svim proračunima, gorenje trebalo prestati. Istovremeno, vatra je ušla u takozvanu hladnu fazu – gorjela je vrlo slabo, toliko da se plamen nije mogao vidjeti. Međutim, radilo se o sagorijevanju, a plamen je mogao momentalno izbiti u plamen velikom snagom u kontaktu s gorivom i kisikom.

Tipično vidljiva vatra gori na visokoj temperaturi 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, otkriće bi moglo naći praktičnu primjenu, na primjer, u HCCI tehnologiji, koja uključuje paljenje goriva u benzinskim motorima ne iz svijeća, već iz hladnog plamena.