Fuego - Flame

Llamas de carbón

Una llama (del latín flamma ) es la parte visible y gaseosa de un fuego . Es causada por una reacción química altamente exotérmica que tiene lugar en una zona delgada. Las llamas muy calientes son lo suficientemente calientes como para tener componentes gaseosos ionizados de densidad suficiente para ser considerados plasma .

Mecanismo

Zonas en la llama de una vela

El color y la temperatura de una llama dependen del tipo de combustible involucrado en la combustión, como, por ejemplo, cuando se acerca un encendedor a una vela. El calor aplicado hace que las moléculas de combustible en la cera de la vela se vaporicen (si este proceso ocurre en una atmósfera inerte sin oxidante , se llama pirólisis ). En este estado, pueden reaccionar fácilmente con el oxígeno del aire, que emite suficiente calor en la posterior reacción exotérmica para vaporizar aún más combustible, manteniendo así una llama constante. La alta temperatura de la llama hace que las moléculas de combustible vaporizadas se descompongan , formando varios productos de combustión incompleta y radicales libres , y estos productos reaccionan entre sí y con el oxidante involucrado en la reacción de la siguiente llama (fuego). Se pueden investigar todas las diferentes partes de la llama de una vela con una cuchara de metal fría: las partes superiores son vapor de agua, el resultado final de la combustión; las partes amarillas en el medio son hollín; justo al lado de la mecha de la vela hay cera sin quemar. Los orfebres usan las partes más altas de una llama con una cerbatana metálica para fundir oro y plata. La energía suficiente en la llama excitará los electrones en algunos de los intermedios de reacción transitorios, como el radical metilidino (CH) y el carbono diatómico (C 2 ), lo que da como resultado la emisión de luz visible a medida que estas sustancias liberan su exceso de energía (ver espectro). a continuación para obtener una explicación de qué especies de radicales específicas producen qué colores específicos). A medida que aumenta la temperatura de combustión de una llama (si la llama contiene pequeñas partículas de carbón no quemado u otro material), también lo hace la energía promedio de la radiación electromagnética emitida por la llama (ver Cuerpo negro ).

Se pueden usar otros oxidantes además del oxígeno para producir una llama. La quema de hidrógeno en cloro produce una llama y, en el proceso, emite cloruro de hidrógeno (HCl) gaseoso como producto de combustión. Otra de las muchas combinaciones químicas posibles es la hidracina y el tetróxido de nitrógeno, que es hipergólico y se usa comúnmente en los motores de cohetes. Se pueden usar fluoropolímeros para suministrar flúor como oxidante de combustibles metálicos, por ejemplo, en la composición de magnesio / teflón / vitón .

La cinética química que ocurre en la llama es muy compleja y típicamente involucra un gran número de reacciones químicas y especies intermedias, la mayoría de ellas radicales . Por ejemplo, un esquema de cinética química muy conocido, GRI-Mech, utiliza 53 especies y 325 reacciones elementales para describir la combustión de biogás .

Existen diferentes métodos para distribuir los componentes de combustión necesarios a una llama. En una llama de difusión , el oxígeno y el combustible se difunden entre sí; la llama se produce donde se encuentran. En una llama premezclada , el oxígeno y el combustible se premezclan de antemano, lo que da como resultado un tipo diferente de llama. Las llamas de las velas (una llama de difusión) operan a través de la evaporación del combustible que se eleva en un flujo laminar de gas caliente que luego se mezcla con el oxígeno circundante y se quema.

Color

Espectro de la llama azul (premezclada, es decir, combustión completa) de un soplete de butano que muestra la emisión de bandas de radicales moleculares y bandas de cisne . Tenga en cuenta que prácticamente toda la luz producida se encuentra en la región azul a verde del espectro por debajo de aproximadamente 565 nanómetros, lo que explica el color azulado de las llamas de hidrocarburos sin hollín.

El color de la llama depende de varios factores, siendo los más importantes la radiación de cuerpo negro y la emisión de banda espectral , y tanto la emisión de línea espectral como la absorción de línea espectral juegan papeles menores. En el tipo más común de llama, las llamas de hidrocarburos , el factor más importante que determina el color es el suministro de oxígeno y la extensión de la premezcla de combustible y oxígeno, que determina la velocidad de combustión y, por lo tanto, la temperatura y las rutas de reacción, produciendo así diferentes tonalidades de color. .

Los diferentes tipos de llama de un mechero Bunsen dependen del suministro de oxígeno. A la izquierda, un combustible rico sin oxígeno premezclado produce una llama de difusión de hollín amarillo; a la derecha, una llama pobre premezclada completamente con oxígeno no produce hollín y el color de la llama es producido por radicales moleculares, especialmente la emisión de bandas de CH y C2 .

En un laboratorio en condiciones normales de gravedad y con una entrada de aire cerrada, un mechero Bunsen arde con una llama amarilla (también llamada llama de seguridad) con una temperatura máxima de aproximadamente 2000 K (3100 ° F). El amarillo surge de la incandescencia de partículas de hollín muy finas que se producen en la llama. Cuando se abre la entrada de aire, se produce menos hollín. Cuando se suministra suficiente aire, no se produce hollín y la llama se vuelve azul. (La mayor parte de este azul había sido oscurecido previamente por las emisiones de color amarillo brillante). El espectro de una llama de butano premezclada (combustión completa) a la derecha muestra que el color azul surge específicamente debido a la emisión de radicales moleculares excitados en la llama, que emiten la mayor parte de su luz está muy por debajo de ≈565 nanómetros en las regiones azul y verde del espectro visible.

La parte más fría de una llama de difusión (combustión incompleta) será roja, pasando a naranja, amarillo y blanco a medida que aumenta la temperatura, como lo demuestran los cambios en el espectro de radiación del cuerpo negro. Para la región de una llama dada, cuanto más cerca del blanco en esta escala, más caliente es esa sección de la llama. Las transiciones suelen ser evidentes en los incendios, en los que el color emitido más cercano al combustible es el blanco, con una sección naranja sobre él, y las llamas rojizas son las más altas de todas. Una llama de color azul solo emerge cuando la cantidad de hollín disminuye y las emisiones azules de los radicales moleculares excitados se vuelven dominantes, aunque el azul a menudo se puede ver cerca de la base de las velas, donde el hollín en el aire está menos concentrado.

Se pueden impartir colores específicos a la llama mediante la introducción de especies excitables con líneas de espectro de emisión brillantes . En química analítica, este efecto se utiliza en pruebas de llama para determinar la presencia de algunos iones metálicos. En pirotecnia , los colorantes pirotécnicos se utilizan para producir fuegos artificiales de colores brillantes.

Temperatura

Una prueba de llama para el sodio . Tenga en cuenta que el color amarillo en esta llama de gas no surge de la emisión del cuerpo negro de partículas de hollín (ya que la llama es claramente una llama de combustión completa premezclada azul) sino que proviene de la emisión de la línea espectral de átomos de sodio, específicamente la muy intensa líneas D de sodio.

Al observar la temperatura de una llama, hay muchos factores que pueden cambiar o aplicarse. Uno importante es que el color de una llama no necesariamente determina una comparación de temperatura porque la radiación de cuerpo negro no es lo único que produce o determina el color visto; por lo tanto, es solo una estimación de la temperatura. Otros factores que determinan su temperatura son:

  • Llama adiabática ; es decir, sin pérdida de calor a la atmósfera (puede diferir en ciertas partes)
  • Presión atmosférica
  • Porcentaje de contenido de oxígeno de la atmósfera.
  • El tipo de combustible utilizado (es decir, depende de qué tan rápido ocurre el proceso; qué tan violenta es la combustión)
  • Cualquier oxidación del combustible.
  • La temperatura de la atmósfera se relaciona con la temperatura de la llama adiabática (es decir, el calor se transferirá a una atmósfera más fría más rápidamente)
  • Cuán estequiométrico es el proceso de combustión (una estequiometría 1: 1) suponiendo que no haya disociación tendrá la temperatura de llama más alta; el exceso de aire / oxígeno lo reducirá al igual que la falta de aire / oxígeno

En los incendios (particularmente en los incendios de casas), las llamas más frías suelen ser rojas y producen la mayor cantidad de humo. Aquí el color rojo comparado con el típico color amarillo de las llamas sugiere que la temperatura es más baja. Esto se debe a que hay una falta de oxígeno en la habitación y, por lo tanto, hay una combustión incompleta y la temperatura de la llama es baja, a menudo solo de 600 a 850 ° C (1,112 a 1,562 ° F). Esto significa que se forma mucho monóxido de carbono (que es un gas inflamable) que es cuando existe mayor riesgo de contracorriente . Cuando esto ocurre, los gases combustibles en o por encima del punto de inflamación de la combustión espontánea se exponen al oxígeno, el monóxido de carbono y los hidrocarburos sobrecalentados se combinan, y se producen temperaturas temporales de hasta 2.000 ° C (3.630 ° F).

Temperaturas comunes

Esta es una guía aproximada de las temperaturas de la llama para varias sustancias comunes (en aire a 20 ° C (68 ° F) a 1 atm. De presión):

Material quemado Temperatura de la llama
Butano ~ 300 ° C (~ 600 ° F) [una llama fría en baja gravedad)
Fuego de carbón 750–1,200 ° C (1,382–2,192 ° F)
Metano (gas natural) 900–1,500 ° C (1,652–2,732 ° F)
Llama del mechero Bunsen 900–1,600 ° C (1,652–2,912 ° F) [dependiendo de la válvula de aire, abrir o cerrar.]
Llama de vela ≈1,100 ° C (≈2,012 ° F) [mayoría]; los puntos calientes pueden estar entre 1.300 y 1.400 ° C (2.372-2.552 ° F)
Soplete de propano 1200–1,700 ° C (2,192–3,092 ° F)
Pico de llama de backdraft 1,700–1,950 ° C (3,092–3,542 ° F)
Magnesio De 1.900 a 2.300 ° C (de 3.452 a 4.172 ° F)
Antorcha de hidrógeno Hasta ≈2,000 ° C (≈3,632 ° F)
Gas MAPP 2.020 ° C (3.668 ° F)
Soplete / soplete de acetileno Hasta ≈2,300 ° C (≈4,172 ° F)
Oxiacetileno Hasta 3300 ° C (5972 ° F)
Material quemado Max. temperatura de la llama (en el aire, llama de difusión)
Grasa animal 800–900 ° C (1,472–1,652 ° F)
Queroseno 990 ° C (1.814 ° F)
Gasolina 1.026 ° C (1.878,8 ° F)
Madera 1.027 ° C (1.880,6 ° F)
Metanol 1.200 ° C (2.192 ° F)
Carbón (tiro forzado) 1.390 ° C (2.534 ° F)

Temperatura más alta

El dicianoacetileno , un compuesto de carbono y nitrógeno con fórmula química C 4 N 2, arde en oxígeno con una llama blanca azulada brillante a una temperatura de 5260  K (4990 ° C; 9010 ° F) y hasta 6000 K (5730 ° F). C; 10,340 ° F) en ozono . Esta alta temperatura de llama se debe en parte a la ausencia de hidrógeno en el combustible (el dicianoacetileno no es un hidrocarburo), por lo que no hay agua entre los productos de combustión.

El cianógeno , con la fórmula (CN) 2 , produce la segunda llama natural más caliente conocida con una temperatura de más de 4.525 ° C (8.177 ° F) cuando se quema en oxígeno.

Llamas frías

A temperaturas tan bajas como 120 ° C (248 ° F), las mezclas de aire y combustible pueden reaccionar químicamente y producir llamas muy débiles llamadas llamas frías. El fenómeno fue descubierto por Humphry Davy en 1817. El proceso depende de un delicado equilibrio de temperatura y concentración de la mezcla que reacciona, y si las condiciones son las adecuadas, puede iniciarse sin ninguna fuente de ignición externa. Las variaciones cíclicas en el equilibrio de los productos químicos, particularmente de los productos intermedios en la reacción, dan oscilaciones en la llama, con una variación de temperatura típica de aproximadamente 100 ° C (212 ° F), o entre "frío" y encendido total. A veces, la variación puede provocar una explosión.

En microgravedad

En gravedad cero , la convección no aleja los productos de combustión calientes de la fuente de combustible, lo que da como resultado un frente de llama esférico.

En el año 2000, los experimentos de la NASA confirmaron que la gravedad juega un papel indirecto en la formación y composición de las llamas. La distribución común de una llama en condiciones normales de gravedad depende de la convección , ya que el hollín tiende a subir hasta la parte superior de una llama (como en una vela en condiciones normales de gravedad), volviéndola amarilla. En un entorno de microgravedad o gravedad cero , como en órbita, la convección natural ya no se produce y la llama se vuelve esférica, con una tendencia a volverse más azul y más eficiente. Hay varias explicaciones posibles para esta diferencia, de las cuales la más probable es la hipótesis de que la temperatura está distribuida de manera suficientemente uniforme como para que no se forme hollín y se produzca una combustión completa. Los experimentos de la NASA revelan que las llamas de difusión en microgravedad permiten que se oxide completamente más hollín después de su producción que las llamas de difusión en la Tierra, debido a una serie de mecanismos que se comportan de manera diferente en microgravedad en comparación con las condiciones normales de gravedad. Estos descubrimientos tienen aplicaciones potenciales en la ciencia aplicada y la industria privada, especialmente en lo que respecta a la eficiencia del combustible.

Llamas termonucleares

Las llamas no necesitan ser impulsadas únicamente por la liberación de energía química. En las estrellas, los frentes de combustión subsónicos impulsados ​​por la combustión de núcleos ligeros (como carbono o helio) a núcleos pesados ​​(hasta el grupo del hierro) se propagan en forma de llamas. Esto es importante en algunos modelos de supernovas de Tipo Ia . En las llamas termonucleares, la conducción térmica domina sobre la difusión de especies, por lo que la velocidad y el grosor de la llama están determinados por la liberación de energía termonuclear y la conductividad térmica (a menudo en forma de electrones degenerados ).

Ver también

Referencias

enlaces externos