Lửa

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Lửa
Thổ dân mài lấy lửa
Quá trình đốt và dập tắt lửa từ một đống gỗ nhỏ.

Lửa là quá trình oxy hóa nhanh chóng của một vật liệu trong phản ứng hóa học tỏa nhiệt, giải phóng ra nhiệt, ánh sáng, và các sản phẩm phản ứng khác.[1] Các quá trình ôxy hóa chậm hơn không được bao gồm trong định nghĩa này.

Ngọn lửa là một phần biểu hiện thấy được (phát ra ánh sáng) của sự cháy. Nó tạo ra từ các phản ứng hóa học có sự tỏa nhiệt cao (cháy, phản ứng oxy hóa tự duy trì) diễn ra trong môi trường hẹp. Ngọn lửa là một trạng thái tồn tại của vật chất và được xếp như một loại khí plasma - bị ion hóa một phần.[2]

Để tạo ra lửa, phải cần và đủ 3 yếu tố, đó là: chất cháy, ôxynguồn nhiệt. Thiếu một trong các yếu tố trên hoặc các yếu tố trên không đủ thì sự cháy sẽ không xảy ra. Mỗi chất khác nhau có nhiệt độ bốc cháy khác nhau.

Lửa có thể gây nên hỏa hoạn, có thể gây ra thiệt hại do vật chất bị cháy. Lửa có ảnh hưởng quan trọng đến hệ sinh thái trên toàn cầu. Tác động tích cực của lửa bao gồm kích thích sinh trưởng và duy trì các hệ sinh thái khác nhau. Lửa được con người sử dụng để nấu ăn, tạo ra nhiệt, ánh sáng, tín hiệu, và lực đẩy. Tác động tiêu cực của lửa bao gồm làm ô nhiễm nướckhông khí, làm xói mòn đất, và là mối nguy hại cho người và tài sản.[3]

Tính chất của lửa[sửa | sửa mã nguồn]

Phản ứng cháy[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Phản ứng cháy
Tam giác lửa

Lửa (Cháy) bắt đầu khi một chất dễ bắt lửa và/hoặc vật liệu dễ cháy, kết hợp với một lượng đầy đủ một chất oxy hóa như khí oxy hoặc một hợp chất giàu oxy (mặc dù có chất oxy hóa mà không có oxy), được tiếp xúc với một nguồn nhiệt hoặc môi trường xung quanh có nhiệt độ trên điểm bắt lửa của nhiên liệu hoặc hỗn hợp chất oxy hóa. Điều kiện tiếp theo là quá trình oxy hóa phải có thể duy trì tốc độ của phản ứng nhanh chóng đến mức để tạo ra một phản ứng dây chuyền. Ba điều kiện này thường được gọi là tam giác lửa. Lửa không thể tồn tại mà không có tất cả các yếu tố trên theo đúng tỷ lệ. Ví dụ, một chất lỏng dễ cháy sẽ bắt đầu cháy chỉ khi nhiên liệu và oxy kết hợp theo đúng tỷ lệ. Một số hỗn hợp giữa nhiên liệu và oxy có thể cần một chất xúc tác, không tham gia vào phản ứng cháy, nhưng cho phép các chất phản ứng để đốt cháy dễ dàng hơn.

Khi đốt cháy, một phản ứng dây chuyền phải diễn ra theo đó ngọn lửa có thể duy trì nhiệt của chính nó bằng cách phát nhiệt trong quá trình cháy và có thể tiếp tục cháy, với điều kiện có một nguồn cung cấp liên tục của các chất ôxy hóa và nhiên liệu.

Nếu chất oxy hóa là oxy từ không khí xung quanh, do có lực hấp dẫn, hoặc do một số lực tương tự gây ra bởi gia tốc là cần thiết để tạo ra đối lưu. Đối lưu loại bỏ tro than và mang nguồn cung cấp oxy mới vào ngọn lửa để lửa tiếp tục cháy. Nếu không có lực hấp dẫn, một đám cháy nhanh chóng bị dập tắt vì nó sẽ bị các tro than và khí không bắt cháy trong không khí bao vây. Vì thế nên nguy cơ cháy trong một tàu vũ trụ là nhỏ khi nó quay quanh quỹ đạo do quán tính.[4][5] Tất nhiên, điều này không áp dụng nếu oxy được cung cấp cho ngọn lửa bởi một số quy trình khác với đối lưu nhiệt.

Lửa có thể được dập tắt bằng cách loại bỏ bất kỳ một trong các yếu tố của tam giác lửa. Hãy chọn một ngọn lửa khí đốt tự nhiên, chẳng hạn như từ một bếp ga. Ngọn lửa có thể được dập tắt bằng các cách sau đây:

  • Tắt nguồn cung cấp khí đốt, tức là loại bỏ nguồn nhiên liệu;
  • Bao bọc ngọn lửa hoàn toàn. Điều này dập tắt lửa vì quá trình đốt cháy vừa tiêu hủy chất oxy hóa có sẵn (oxy trong không khí) vừa tạo ra khí CO2 không cháy bao vây ngọn lửa;
  • Xịt nước. Nước làm hạ nhiệt ngọn lửa nhanh hơn so với tốc độ tăng nhiệt của ngọn lửa (tương tự, thổi mạnh vào lửa sẽ đẩy sức nóng của khí đốt cách xa nguồn nhiên liệu của nó), hoặc
  • Xịt một hóa chất chống cháy như Halon vào ngọn lửa. Chất này làm giảm tốc độ của các phản ứng hóa học làm ngừng phản ứng dây chuyền.

Ngược lại, ngọn lửa được tăng cường bằng cách tăng tốc độ tổng thể của quá trình cháy. Phương pháp để làm điều này bao gồm: cân bằng đầu vào của nhiên liệu và chất oxy hóa để duy trì tỷ lệ cân bằng hóa học của các chất phản ứng, tăng nhiên liệu và chất oxy hóa theo tỷ lệ trên, tăng nhiệt độ môi trường xung quanh để nhiệt độ ngọn lửa có thể duy trì quá trình cháy tốt hơn, hoặc cung cấp một chất xúc tác để tạo phản ứng.

Ngọn lửa[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Ngọn lửa (flame)
Hình ảnh của một ngọn lửa chụp với tốc độ mở ống kính 1/4000 giây

Một ngọn lửa là một hỗn hợp khí phản ứng và chất rắn, phát ra tia hồng ngoại, và đôi khi tia cực tím có thể nhìn thấy được. Quang phổ của ngọn lửa phụ thuộc vào thành phần hóa học của vật liệu cháy và các sản phẩm phản ứng trung gian. Trong nhiều trường hợp, chẳng hạn như việc đốt chất hữu cơ, ví dụ gỗ, hoặc quá trình đốt khí cháy không hết, các hạt rắn được gọi là bồ hóng đã tạo ra màu đỏ-da cam quen thuộc của ngọn lửa. Ánh sáng này có một quang phổ liên tục. Đốt cháy hoàn toàn khí ga tạo ra ngọn lửa có màu xanh mờ do sự phát bức xạ đơn bước sóng do quá trình chuyển đổi điện tử khác nhau trong các phân tử bị kích thích hình thành trong ngọn lửa. Thường là các phân tử oxy, nhưng hydro đốt trong clo cũng tạo ra một ngọn lửa, tạo thành hydro clorua (HCl). Các phản ứng cháy khác có thể tạo ra ngọn lửa, ví dụ như flohydrohydrazinenitơ tetroxide.

Ánh sáng của một ngọn lửa rất phức tạp. Bức xạ vật đen được phát ra từ các hạt bụi than, khí đốt, hoặc nhiên liệu, mặc dù các hạt bồ hóng quá nhỏ để được coi là các vật đen hoàn hảo. Ngoài ra còn có phát xạ photon do các nguyên tửphân tử trong ngọn lửa hết bị kích thích. Hầu hết các bức xạ được phát ra trong dải quang phổ có thể nhìn thấy và hồng ngoại. Màu sắc phụ thuộc vào nhiệt độ của bức xạ vật đen, và màu của quang phổ phụ thuộc vào thành phần hóa học. Màu sắc chủ đạo trong ngọn lửa thay đổi theo nhiệt độ. Hình ảnh của cháy rừng ở Canada là một ví dụ tuyệt vời của sự thay đổi này. Gần mặt đất, nơi mà hầu hết phản ứng cháy xảy ra, ngọn lửa là màu trắng-màu sắc nóng nhất có thể cho các chất hữu cơ nói chung, hoặc màu vàng. Trên khu vực màu vàng, màu sắc chuyển sang màu cam, với nhiệt độ thấp hơn, sau đó màu đỏ, với nhiệt độ thấp hơn nữa. Trên khu vực màu đỏ, phản ứng cháy không còn xảy ra, và các hạt carbon chưa bị cháy hết tạo ra khói/muội than màu đen.

Sự phân bố chung của một ngọn lửa trong điều kiện trọng lực bình thường phụ thuộc vào sự đối lưu, thông thường khiến bồ hóng chưa kịp cháy có xu hướng bay lên trên, chẳng hạn như một ngọn nến trong điều kiện trọng lực bình thường, làm cho ngọn lửa có màu vàng. Ở trong môi trường mà trọng lực rất nhỏ hoặc bằng 0,[6] như trong không gian vũ trụ, đối lưu không còn xảy ra, ngọn lửa sẽ có dạng hình cầu, có xu hướng trở thành màu xanh hơn và phản ứng cháy tỏ ra hiệu quả hơn (mặc dù nó có thể bị tắt nếu không được di chuyển đều đặn, còn CO2 thải ra từ quá trình đốt cháy không phân tán dễ dàng trong môi trường không trọng lực, nên nó bao vây ngọn lửa và có thể dập tắt phản ứng cháy). Có nhiều lý giải cho sự khác biệt này, trong đó nhiều khả năng là nhiệt độ được phân phối đồng đều đến mức mà muội than do nhiên liệu cháy không hết đã không hình thành và quá trình đốt cháy xảy ra hoàn toàn.[7] Các thí nghiệm của NASA cho thấy ngọn lửa khuếch tán trong môi trường trọng lực thấp cho phép muội than hoàn toàn bị oxy hóa sạch sẽ khi bị đốt cháy. Nó khác với ngọn lửa khuếch tán trên Trái đất, vì một loạt các cơ chế khác nhau trong môi trường lực hấp dẫn thấp khi so sánh với điều kiện trọng lực bình thường. Những khám phá này có những ứng dụng tiềm năng trong khoa học ứng dụng và công nghiệp, đặc biệt là liên quan đến tính hiệu quả khi sử dụng nhiên liệu.[8]

Trong động cơ đốt trong, người ta dùng các biện pháp khác nhau để loại trừ phản ứng cháy khi động cơ đang ở chu kỳ khác, chống kích nổ. Phương pháp này phụ thuộc chủ yếu vào đặc thù của nhiên liệu là dầu, gỗ, hay một nhiên liệu năng lượng cao như nhiên liệu máy bay phản lực.

Nhiệt[sửa | sửa mã nguồn]

Màu sắc của ngọn lửa theo nhiệt độ[sửa | sửa mã nguồn]

  • Đỏ
    • Vẫn có thể nhìn thấy: 525 °C (980 °F)
    • Tối: 700 °C (1,300 °F)
    • Đỏ tối: 800 °C (1,500 °F)
    • Đỏ vừa: 900 °C (1,700 °F)
    • Đỏ sáng: 1,000 °C (1,800 °F)
  • Cam
    • Sậm: 1,100 °C (2,000 °F)
    • Sáng: 1,200 °C (2,200 °F)
  • Trắng
    • Hơi trắng: 1,300 °C (2,400 °F)
    • Sáng: 1,400 °C (2,600 °F)
    • Sáng lóa: 1,500 °C (2,700 °F)

Hóa thạch[sửa | sửa mã nguồn]

Hóa thạch cháy được phát hiện đầu tiên với sự có mặt của hệ thực vật trên cạn vào Ordovic giữa, 470 triệu năm về trước,[9] cho phép sự tích tục ôxy trong khí quyển như chưa từng có trước đó, khi các đám cây mới bơm nó ra ngoài ở dạng chất thải. Khi hàm lựong này vượt trên 13%, nó có thể tạo ra các đám cháy rừng.[10] Cháy rừng được ghi nhận trong các hóa thách Silur muộn, 420 triệu năm về trước, từ các hóa thạch của thực vật tạo than.[11][12] Ngoài một khoảng trống gây tranh cãi trong Devon muộn, than được bảo tồn như chưa bao giờ có trước đó.[12] Mức độ ôxy trong khí quyển có liên quan chặt chẻ với tỉ lệ than: ôxy rõ ràng là yếu tố chính gây ra cháy rừng rất nhiều.[13] Đám cháy cũng có thể bùng phát khi cỏ phát tán mạnh và trở thành thành phần chủ yếu của nhiều hệ sinh thái vào khoảng 6  -  7 triệu năm về trước;[14] vật liệu mồi lửa này tạo các đám cháy khô làm cho lửa lan rộng nhanh chóng.[13] Những đám cháy lan rộng có thể bắt đầu một quá trình phản hồi tích cực, nhờ đó mà họ đã tạo ra một khí hậu ấm áp hơn, khô hơn và dễ cháy hơn.[13]

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Glossary of Wildland Fire Terminology. National Wildfire Coordinating Group. Tháng 11 năm 2009. Truy cập ngày 18 tháng 12 năm 2008 
  2. ^ Helmenstine, Anne Marie. “What is the State of Matter of Fire or Flame? Is it a Liquid, Solid, or Gas?”. About.com. Truy cập ngày 21 tháng 1 năm 2009 
  3. ^ Lentile, et al., 319
  4. ^ https://www.youtube.com/watch?v=fuFftT6ZR4k
  5. ^ http://io9.com/5779127/how-does-fire-behave-in-zero-gravity
  6. ^ Spiral flames in microgravity, National Aeronautics and Space Administration, 2000.
  7. ^ CFM-1 experiment results[[]][liên kết hỏng], National Aeronautics and Space Administration, April 2005.
  8. ^ LSP-1 experiment results[[]][liên kết hỏng], National Aeronautics and Space Administration, April 2005.
  9. ^ Wellman, C. H.; Gray, J. (2000). “The microfossil record of early land plants”. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 355 (1398): 717–31; discussion 731–2. doi:10.1098/rstb.2000.0612. PMC 1692785. PMID 10905606. 
  10. ^ Jones, Timothy P.; Chaloner, William G. (1991). “Fossil charcoal, its recognition and palaeoatmospheric significance”. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 97 (1–2): 39–50. doi:10.1016/0031-0182(91)90180-Y. 
  11. ^ Glasspool, I.J.; Edwards, D.; Axe, L. (2004). “Charcoal in the Silurian as evidence for the earliest wildfire”. Geology 32 (5): 381–383. doi:10.1130/G20363.1. 
  12. ^ a ă Scott, AC; Glasspool, IJ (2006). “The diversification of Paleozoic fire systems and fluctuations in atmospheric oxygen concentration”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 103 (29): 10861–5. doi:10.1073/pnas.0604090103. PMC 1544139. PMID 16832054. 
  13. ^ a ă â Bowman, D. M. J. S.; et, al. (2009). “Fire in the Earth system”. Science 324 (5926): 481–4. Bibcode:2009Sci...324..481B. doi:10.1126/science.1163886. PMID 19390038. 
  14. ^ Retallack, Gregory J. (1997). “Neogene expansion of the North American prairie”. PALAIOS 12 (4): 380–90. doi:10.2307/3515337. 

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]

Phương tiện liên quan tới Fire tại Wikimedia Commons