Wie brennt Feuer in der Schwerelosigkeit? Ungewöhnliche Experimente im Weltraum. Bumerang ist zurück! Wird die Kerze an Bord brennen?

Nähert sich Neues Jahr, und die Astronauten an der Orbitalstation bereiten sich auf ein Treffen mit ihm vor. Sie bitten das nächste Transportschiff, ihnen Kerzen zu schicken. Aber Ingenieure auf der Erde glauben, dass es nicht nötig ist, Kerzen zu schicken, da sie in der Schwerelosigkeit nicht brennen.
Was glauben Sie, wird eine gewöhnliche Kerze in der Schwerelosigkeit brennen?

Antwort
Damit eine Kerze brennt, ist eine ständige Sauerstoffzufuhr zur Flamme erforderlich. Unter terrestrischen Bedingungen erfolgt dieser Zustrom durch Konvektion. Die bei der Verbrennung von Stearin entstehenden heißen Gase sind leichter als Luft und steigen daher nach oben, an ihrer Stelle treten neue Luftanteile ein. Dadurch wird die Zufuhr von Sauerstoff zur Flamme und die Entfernung der Gase Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) aus der Verbrennungszone sichergestellt. Es ist klar, dass es in der Schwerelosigkeit keine Konvektion geben wird. Dadurch entsteht nur ein schwacher Luftstrom Luftstrom innerhalb des Raumfahrzeugs sowie Zustrom aufgrund der Ausdehnung von Verbrennungsprodukten und aufgrund von Diffusion. Die aufgeführten Prozesse sind schwach und ob sie zum Abbrennen einer Kerze ausreichen, konnte nur experimentell ermittelt werden.

Übrigens Solche Experimente wurden durchgeführt Raumstation„Mir“ im Jahr 1996. Es stellte sich heraus, dass eine Kerze in der Schwerelosigkeit brennen kann. In einem Experiment brannte eine Kerze 45 Minuten lang. Allerdings brennt eine Kerze in der Schwerelosigkeit anders als auf der Erde. Da es keine Konvektionsströmungen gibt, hat die Kerzenflamme keine längliche Form wie unter irdischen Bedingungen, sondern eine Kugelform. Ohne Konvektion kühlt die Flamme weniger ab, sodass ihre Temperatur höher ist als auf der Erde; Das Stearin in der Kerze wird sehr heiß und setzt Wasserstoff frei, der mit blauer Flamme verbrennt.

Denken

Bei Experimenten mit einer Kerze in der Schwerelosigkeit kam es teilweise zu einem Verbrennungsmodus mit periodischen Mikroexplosionen, die zu starken Schwankungen der Flamme führten.
Warum kam es zu Mikroexplosionen?

Antwort
Aufgrund der fehlenden Konvektion kühlte die Kerzenflamme weniger ab, was bedeutete, dass ihre Temperatur hoch war. Das Stearin in der Kerze überhitzte stark und begann zu verdampfen. Die Konzentration des Stearindampfes in der Luft in der Nähe der Flamme stieg an, bis sich ein explosives Gemisch bildete. Es folgte eine kleine Explosion, während die Verbrennungsprodukte von der Druckwelle mitgerissen wurden und an ihre Stelle traten frische Luft. Wenn die Explosion nicht zu stark war, brannte die Kerze weiter, eine neue Portion Stearin verdampfte von ihrer Oberfläche und es folgte die nächste Explosion.

Kerzenflamme: a) unter Schwerkraftbedingungen; b) unter Bedingungen der Schwerelosigkeithttp://n-t.ru/tp/nr/pn.htm

Denken

Wie können wir mehr sicherstellen? intensive Verbrennung Kerzen oder normale Streichhölzer? Schlagen Sie verschiedene Möglichkeiten vor.

Antwort
Sie können ein Streichholz anblasen. Sie können damit beginnen, das Streichholz im Kreis zu drehen, um so sicherzustellen, dass sich das Streichholz relativ zur Luft bewegt. Sie können ein Streichholz werfen. In einem von Dokumentarfilme Zum Thema Schwerelosigkeit wurde folgende Handlung gezeigt: Ein geworfenes Streichholz bewegte sich reibungslos im Raumschiff und brannte aufgrund der Zufuhr neuer Luftportionen zu seiner Flamme recht intensiv.http://mgnwww.larc.nasa.gov/db/combustion/combustion.htmlhttp://science.msfc.nasa.gov/newhome/headlines/msad08jul97_1.htm

EXPLOSION IN EINER BÄCKEREI

In der Antike nutzte der Bäcker ein sicheres Mittel gegen lästige Fliegen. Er nahm eine Handvoll Mehl, warf es in die Luft und zündete es an. Eine Mehlwolke flammte auf. Flamme, klatschen – und die lästigen Insekten waren weg. Diese Methode hat immer geholfen, obwohl manchmal das Glas der Fenster aus der Baumwolle flog. Doch am 14. Dezember 1785 ereignete sich in Turin (Italien) eine Katastrophe. Der unglückliche Bäcker beschloss, eine bewährte Methode anzuwenden, um Fliegen loszuwerden, und sprengte seinen gesamten Haushalt in die Luft. Er und seine Assistenten starben unter den Trümmern der Bäckerei. 1979 kam es in einer Bremer Mühle zu einer Mehlstaubexplosion. Die Folge: 14 Tote, 17 Verletzte, Schaden – 100 Millionen Mark.
Könnte Mehlstaub wirklich schreckliche Explosionen verursachen? Es handelt sich schließlich nicht um in der Luft verstreutes Dynamit, sondern nur um Mehlpartikel?Volkov A. Abenteuer aus Staub.

Antwort
Mehl enthält Stoffe organischen Ursprungs und kann daher brennen. Unter normalen Bedingungen ist es natürlich nicht einfach, Mehl anzuzünden. Wenn jedoch Mehl in die Luft gesprüht wird, kommt jedes Staubkorn mit Sauerstoff in Kontakt. Darüber hinaus ist die Gesamtoberfläche von Staubkörnern um ein Vielfaches größer als die Oberfläche eines einzelnen Materiestücks gleicher Masse. Dies bedeutet, dass sich die Oberfläche eines Stoffes beim Versprühen um ein Vielfaches vergrößert. Die Verbrennung erfolgt an der Oberfläche, da die Oberfläche des Stoffes mit Luftsauerstoff in Kontakt kommt. Dabei verbrennen kleinste Staubkörnchen so schnell, dass es zu einer Explosion kommt.

Referenz Eine Explosion ist eine Verbrennung, und zwar unglaublich schnell – ein unbedeutender Bruchteil einer Sekunde. In diesem Fall wird der Sprengstoff zu Gas. Das entstehende Gas hat eine hohe Temperatur und einen enormen Druck – mehrere zehn Milliarden Pascal. Die plötzliche Expansion des Gases verursacht einen ohrenbetäubenden Lärm und schwere Zerstörungen.Manchmal explodieren scheinbar völlig harmlose Substanzen. Dazu gehört jeglicher Staub organischen Ursprungs: Mehl, Zucker, Kohle, Brot, Papier, Pfeffer, Erbsen und sogar Schokolade.Nur Staubarten, die mit Sauerstoff reagierende Stoffe enthalten, explodieren. Eine Explosion tritt erst auf, wenn die Staubmenge in der Luft ein bestimmtes Maß erreicht, und selbst ein mikroskopisch kleiner Funke kann sie verursachen.

Übrigens Die schnelle Verbrennung eines Stoffes im zerstäubten Zustand wird in der Technik häufig genutzt. Beispielsweise wird Kohle in Form von Feinstaub den Öfen von Kesselhäusern von Wärmekraftwerken zugeführt. Und das leise Rumpeln des Autos ist ein Echo der Explosionen eines Gemisches aus Benzindämpfen und Luft im Inneren seines Motors.

Shablovsky V. Unterhaltsame Physik. St. Petersburg: Trigon, 1997. S. 101.

Übrigens Der erste sehr starke Sprengstoff wurde 1846 von Ascanio Sobrero in Turin (Italien) synthetisiert. Es war Nitroglycerin – ölig klare Flüssigkeit süßlicher Geschmack. Damals probierten Chemiker alle Stoffe. Schon ein paar Tropfen Nitroglycerin ließen mein Herz rasen und mein Kopf schmerzte. Vierzig Jahre später wurde Nitroglycerin als Medikament anerkannt.

Denken

Die im Sprengstoff enthaltene Energie ist nicht so groß. Beispielsweise wird bei der Verbrennung von 1 kg TNT achtmal weniger Energie freigesetzt als bei der Verbrennung von 1 kg Kohle. Aber warum ist TNT dann so destruktiv?

Antwort
Bei einer TNT-Explosion wird Energie zig Millionen Mal schneller freigesetzt als bei normale Verbrennung KohleShablovsky V. Unterhaltsame Physik. St. Petersburg: Trigon, 1997. S. 100.

Denken

Die Explosionstendenz von Nitroglycerin ist wirklich erstaunlich. Es heißt, dass einst in England ein Bauer im Winter eine Flasche Nitroglycerin trank, in der Hoffnung, sich warm zu halten. Er wurde tot auf der Straße aufgefunden. Der gefrorene Körper wurde ins Haus gebracht und zum Auftauen in die Nähe des Ofens gelegt. Infolgedessen explodierte der Körper des Bauern und das Haus wurde zerstört.Frage: Kann man dieser Geschichte vertrauen?Krasnogorov V. Blitze nachahmen. M.: Znanie, 1977. S. 72.

Feuer in der Schwerelosigkeit, 12. September 2015

Links brennt eine Kerze auf der Erde und rechts in Schwerelosigkeit.

Hier sind die Details...

Ein an Bord der Internationalen Raumstation durchgeführtes Experiment brachte unerwartete Ergebnisse – eine offene Flamme verhielt sich völlig anders als von Wissenschaftlern erwartet.

Wie manche Wissenschaftler gerne sagen, ist Feuer das älteste und erfolgreichste chemisches Experiment Menschheit. Tatsächlich begleitete das Feuer die Menschheit schon immer: von den ersten Feuern, auf denen Fleisch gebraten wurde, bis zur Flamme des Raketentriebwerks, das den Menschen zum Mond brachte. Von im Großen und Ganzen Feuer ist ein Symbol und Instrument des Fortschritts unserer Zivilisation.

Dr. Forman A. Williams, Professor für Physik an der University of California in San Diego, beschäftigt sich seit langem mit der Erforschung von Flammen. Normalerweise ist es Feuer ein sehr komplexer Prozess Tausende miteinander verbundener chemischer Reaktionen. In einer Kerzenflamme beispielsweise verdampfen Kohlenwasserstoffmoleküle aus dem Docht, werden durch Hitze zersetzt und verbinden sich mit Sauerstoff, um Licht, Wärme, CO2 und Wasser zu erzeugen. Einige der Kohlenwasserstofffragmente in Form ringförmiger Moleküle, sogenannter polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe, bilden Ruß, der ebenfalls verbrennen oder in Rauch übergehen kann. Die bekannte Tropfenform einer Kerzenflamme entsteht durch Schwerkraft und Konvektion: heiße Luft steigt auf und zieht frisch in die Flamme kalte Luft, wodurch sich die Flamme nach oben ausdehnt.

Doch es stellt sich heraus, dass in der Schwerelosigkeit alles anders abläuft. In einem Experiment namens FLEX untersuchten Wissenschaftler das Feuer an Bord der ISS, um Technologien zum Löschen von Bränden in der Schwerelosigkeit zu entwickeln. Die Forscher entzündeten in einer speziellen Kammer kleine Heptanbläschen und beobachteten, wie sich die Flamme verhielt.

Wissenschaftler sind darauf gestoßen seltsames Phänomen. Unter Schwerelosigkeitsbedingungen brennt die Flamme anders; sie bildet kleine Kugeln. Dieses Phänomen war zu erwarten, da im Gegensatz zu Flammen auf der Erde in der Schwerelosigkeit Sauerstoff und Brennstoff vorhanden sind dünne Schicht auf der Oberfläche der Kugel, Dies einfache Schaltung, was sich vom irdischen Feuer unterscheidet. Allerdings wurde etwas Seltsames entdeckt: Wissenschaftler beobachteten das anhaltende Brennen von Feuerbällen, selbst nachdem das Brennen nach allen Berechnungen hätte aufhören sollen. Gleichzeitig ging das Feuer in den sogenannten kalte Phase– es brannte sehr schwach, so stark, dass man die Flamme nicht sehen konnte. Es handelte sich jedoch um ein Feuer, und die Flamme konnte sofort ausbrechen große Stärke in Kontakt mit Kraftstoff und Sauerstoff.

Typischerweise brennt ein sichtbares Feuer, wenn hohe Temperatur zwischen 1227 und 1727 Grad Celsius. Heptanblasen auf der ISS brannten bei dieser Temperatur ebenfalls hell, aber als der Treibstoff zur Neige ging und abkühlte, begann eine völlig andere Verbrennung – kalt. Es findet bei einer relativ niedrigen Temperatur von 227-527 Grad Celsius statt und erzeugt nicht Ruß, CO2 und Wasser, sondern das giftigere Kohlenmonoxid und Formaldehyd.

Ähnliche Arten kalter Flammen wurden in Laboratorien auf der Erde reproduziert, aber unter Gravitationsbedingungen ist ein solches Feuer selbst instabil und erlischt immer schnell. Auf der ISS kann eine kalte Flamme jedoch mehrere Minuten lang ununterbrochen brennen. Dies ist keine sehr erfreuliche Entdeckung, da kaltes Feuer eine erhöhte Gefahr darstellt: Es entzündet sich leichter, auch spontan, ist schwieriger zu erkennen und setzt darüber hinaus mehr giftige Stoffe frei. Andererseits kann die Öffnung gefunden werden praktischer Nutzen Zum Beispiel bei der HCCI-Technologie, bei der der Kraftstoff in Benzinmotoren nicht durch Zündkerzen, sondern durch eine kalte Flamme gezündet wird.

Warum kommt es überhaupt zur Verbrennung? Beim Erhitzen organische Substanz ab einem bestimmten Schwellenwert – der Zündtemperatur – beginnt ihre aktive Reaktion mit Luftsauerstoff.

Die Hauptzusammensetzung der Atome in organischen Substanzen ist Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H). Kohlenstoff verbindet sich mit Sauerstoff zu Bildung Kohlendioxid(CO2), Wasserstoff - Wasser (H20). Die Reaktion wiederum setzt Wärme frei, die ihren Fortgang gewährleistet. Damit eine Verbrennung grundsätzlich stattfinden kann, sind also zwei Bedingungen erforderlich:
1) so dass die Zündtemperatur niedriger ist als die Verbrennungstemperatur
2) Sorgen Sie für einen ausreichenden Sauerstoffstrom, um die Reaktion fortzusetzen.

Warum zeigt die Kerzenflamme nach oben? Bei der Verbrennung strömt die von der Flamme erhitzte Luft nach oben (erinnern Sie sich an die Physik? Warme Luft ist leichter und steigt daher auf. Genauer gesagt wird sie durch kältere und daher schwerere verdrängt.) Kalte Luft, die mehr Sauerstoff enthält, strömt an die frei gewordene Stelle durch warme Luft. Wenn Sie zum Beispiel eine Kerze abdecken, Einmachglas, dann erlischt die Kerze schnell genug – sobald der gesamte Sauerstoff reagiert. Übrigens noch einer Interesse Fragen. Warum können wir die Flamme einer Kerze deutlich sehen, obwohl Kohlendioxid unsichtbar ist und Wasserdampf nur sichtbar ist, wenn viel davon vorhanden ist? Wir sehen erhitzte Partikel unverbrannter Materie. Genau solche, die Ruß (Ruß) bilden. Wir können es sehen, wenn wir zum Beispiel einen Löffel über die Flamme halten.

Nun kehren wir endlich zu unseren Schafen zurück. Also auf die Frage, ob eine Kerze in der Schwerelosigkeit brennt. Offensichtlich entstand die Frage mit der Begründung, dass es keine gibt Schwere, dann wird warme Luft nicht durch kalte Luft ersetzt und es kommt zu Problemen mit der Sauerstoffzufuhr. Hier hilft jedoch die thermische Bewegung. Erhitzte Kohlendioxid- und Wasserdampfmoleküle bewegen sich um ein Vielfaches schneller als Sauerstoffmoleküle, was im Prinzip dazu führen kann, dass eine Kerze brennt. Zusammenfassend kommen wir also zu dem Schluss. Grundsätzlich kann eine Kerze brennen, auch wenn sie schwach ist.

Übrigens hat Albert Einstein diese Frage einmal gestellt und er selbst verneinte sie. Kein Luftstrom, keine Verbrennung. Doch die Erfahrung hat das Gegenteil bewiesen.

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

Viele von denen, die den amerikanischen Kultfilm gesehen haben „ Star Wars„Sie erinnern sich noch an die beeindruckenden Aufnahmen mit Explosionen, Flammenzungen, in alle Richtungen fliegenden brennenden Trümmern … Könnte sich solch eine schreckliche Szene im realen Weltraum wiederholen? In einem Raum ohne Luft? Um diese Frage zu beantworten, versuchen wir zunächst herauszufinden, wie eine gewöhnliche Kerze auf einer Raumstation brennt.

Was ist Verbrennung? Das chemische Reaktion Oxidation mit Freisetzung große Menge Hitze und die Bildung heißer Verbrennungsprodukte. Der Verbrennungsprozess kann nur in Gegenwart eines brennbaren Stoffes, Sauerstoff, und unter der Voraussetzung stattfinden, dass Oxidationsprodukte aus der Verbrennungszone entfernt werden.

Mal sehen, wie die Kerze funktioniert und was genau darin brennt. Eine Kerze ist ein aus Baumwollfäden gedrehter Docht, gefüllt mit Wachs, Paraffin oder Stearin. Viele Leute denken, dass der Docht selbst brennt, aber das ist nicht so. Es ist die Substanz um den Docht bzw. dessen Dampf, die brennt. Der Docht wird benötigt, damit das durch die Hitze der Flamme geschmolzene Wachs (Paraffin, Stearin) durch seine Kapillaren in die Verbrennungszone aufsteigt.

Um dies zu testen, können Sie ein kleines Experiment durchführen. Blasen Sie die Kerze aus und bringen Sie das brennende Streichholz sofort zwei bis drei Zentimeter über den Docht, wo der Wachsdampf aufsteigt. Sie flammen aus dem Streichholz auf, woraufhin das Feuer auf den Docht fällt und die Kerze wieder entzündet wird (weitere Einzelheiten finden Sie unter).

Es handelt sich also um eine brennbare Substanz. Außerdem ist ausreichend Sauerstoff in der Luft. Wie sieht es mit der Entfernung von Verbrennungsprodukten aus? Damit gibt es auf der Erde keine Probleme. Die durch die Hitze einer Kerzenflamme erhitzte Luft wird weniger dicht als die sie umgebende kalte Luft und steigt zusammen mit den Verbrennungsprodukten nach oben (sie bilden eine Flammenzunge). Wenn die Verbrennungsprodukte Kohlendioxid CO 2 und Wasserdampf in der Reaktionszone verbleiben, kommt die Verbrennung schnell zum Stillstand. Dies lässt sich leicht überprüfen: Stellen Sie eine brennende Kerze in ein hohes Glas – sie erlischt.

Denken wir nun darüber nach, was mit einer Kerze auf einer Raumstation passieren wird, wo sich alle Objekte in einem Zustand der Schwerelosigkeit befinden. Der Unterschied in der Dichte von heißer und kalter Luft wird nicht mehr verursacht natürliche Konvektion, Und durch für kurze Zeit In der Verbrennungszone verbleibt kein Sauerstoff mehr. Es entsteht jedoch ein Überschuss an Kohlenmonoxid (Kohlenmonoxid) CO. Die Kerze brennt jedoch noch einige Minuten und die Flamme nimmt die Form einer Kugel an, die den Docht umgibt.

Ebenso interessant ist es zu wissen, welche Farbe die Kerzenflamme auf der Raumstation haben wird. Am Boden dominiert ein Gelbstich, der durch das Leuchten heißer Rußpartikel entsteht. Typischerweise brennt Feuer bei einer Temperatur von 1227–1721 °C. In der Schwerelosigkeit wurde festgestellt, dass mit der Erschöpfung der brennbaren Substanz die „kalte“ Verbrennung bei einer Temperatur von 227–527 °C beginnt. Unter diesen Bedingungen entsteht eine Mischung aus Gesättigte Kohlenwasserstoffe im Wachs setzen Wasserstoff H2 frei, der der Flamme einen bläulichen Farbton verleiht.

Hat jemand im Weltraum echte Kerzen angezündet? Es stellt sich heraus, dass sie es angezündet haben – im Orbit. Dies geschah erstmals 1992 im Experimentalmodul des Space Shuttles, dann in Raumschiff NASA Columbia, 1996 wurde das Experiment auf der Mir-Station wiederholt. Natürlich wurde diese Arbeit nicht aus reiner Neugier durchgeführt, sondern um zu verstehen, welche Folgen ein Brand an Bord der Station haben könnte und wie man damit umgeht.

Von Oktober 2008 bis Mai 2012 wurden ähnliche Experimente im Rahmen eines NASA-Projekts auf der Internationalen Raumstation durchgeführt. Diesmal untersuchten die Astronauten brennbare Stoffe in einer isolierten Kammer unterschiedliche Drücke und unterschiedlichem Sauerstoffgehalt. Dann wurde eine „kalte“ Verbrennung etabliert niedrige Temperaturen.

Erinnern wir uns daran, dass Verbrennungsprodukte auf der Erde in der Regel Kohlendioxid und Wasserdampf sind. In der Schwerelosigkeit, unter Verbrennungsbedingungen bei niedrigen Temperaturen, werden vor allem hochgiftige Stoffe freigesetzt Kohlenmonoxid und Formaldehyd.

Forscher untersuchen weiterhin die Verbrennung in der Schwerelosigkeit. Vielleicht bilden die Ergebnisse dieser Experimente die Grundlage für die Entwicklung neuer Technologien, denn fast alles, was für den Weltraum gemacht wird, findet nach einiger Zeit auch auf der Erde Anwendung.

Jetzt verstehen wir, dass Regisseur George Lucas, der bei „Star Wars“ Regie führte, dennoch einen großen Fehler gemacht hat, als er die apokalyptische Explosion einer Raumstation darstellte. Tatsächlich wird die explodierende Station als kurzer, heller Blitz erscheinen. Danach bleibt ein riesiger bläulicher Ball zurück, der sehr schnell erlischt. Und wenn an der Station plötzlich etwas richtig aufleuchtet, müssen Sie die künstliche Luftzirkulation sofort automatisch abschalten. Und dann wird das Feuer nicht passieren.

Wachs- undurchsichtige, sich fettig anfühlende, feste Masse, die beim Erhitzen schmilzt. Besteht aus Estern von Fettsäuren pflanzlichen und tierischen Ursprungs.

Paraffin- eine wachsartige Mischung gesättigter Kohlenwasserstoffe.

Stearin- eine wachsartige Mischung aus Stearin- und Palmitinsäure mit einer Beimischung anderer gesättigter und ungesättigter Fettsäuren.

Natürliche Konvektion- der Prozess der Wärmeübertragung, der durch die Zirkulation von Luftmassen verursacht wird, wenn diese in einem Gravitationsfeld ungleichmäßig erhitzt werden. Wenn sich die unteren Schichten erwärmen, werden sie leichter und steigen auf, während die oberen Schichten im Gegenteil abkühlen, schwerer werden und absinken, woraufhin sich der Vorgang immer wieder wiederholt.