Майкл Фарадей - История свечи
По мере развития человеческого общества значение процессов горения все возрастало. От применения огня для чисто бытовых целей (приготовление пищи, обогревание жилища) человек перешел к использованию его в качестве источника получения механической работы в различного рода тепловых двигателях, прежде всего в паровых машинах. Стремление улучшить качество паровых машин дало толчок к возникновению науки о тепле - термодинамике. Правильное понимание основных законов, лежащих в основе процесса горения, способствовало в свою очередь дальнейшему росту энерговооруженности человеческого общества. Несмотря на то, что в последние; десятилетия был открыт и стал служить человеку новый вид энергии - ядерная энергия, роль химических источников энергии - угля, газа, нефти - не уменьшилась. В наше время химическая энергия применяется во всех отраслях народного хозяйства - от индивидуальных газовых плит до двигателей космических кораблей.
Хотя тепловая энергия и является самым первым видом энергии, которым научился пользоваться человек, наука о горении зародилась совсем недавно. Только в XVIII веке Ломоносов и Лавуазье отвергли ошибочный взгляд алхимиков, утверждавших, что вещества, способные гореть, содержат особое "вещество огня" - флогистон. В 1773 г. Лавуазье пришел к правильному пониманию горения как процесса соединения вещества с кислородом воздуха. Систематические же исследования процессов горения были начаты лишь в конце прошлого века, когда катастрофические взрывы в шахтах побудили ученых ряда стран заняться тщательным изучением режимов распространения пламени. Из-за слабого развития смежных областей науки (кинетики химических реакций, гидродинамики, теории процессов переноса) результаты этого периода развития учения о горении носят качественный характер и не связаны с процессами, происходящими на молекулярном уровне.
К середине нашего столетия появились новые стимулы к развитию науки о горении, связанные с требованиями ракетной техники. В последние десятилетия было выполнено много теоретических и экспериментальных работ, опирающихся на новейшие достижения механики жидкости и газа и кинетики химических реакций. Сегодня уже нарисована четкая и логичная схема многообразных явлений горения, на основе которой инженеры могут целенаправленно влиять, например, на скорость распространения пламени и предсказывать, как будет вести себя то или иное топливо в конкретных условиях горения.
Фарадей в своей "Истории свечи" говорит: "Явления, наблюдающиеся при горении свечи, таковы, что нет ни одного закона природы, который при этом не был бы так или иначе затронут". Хотя прошло уже более ста лет, и наука шагнула далеко вперед, эти слова остаются в силе.
Поскольку основу процесса горения составляет химическое превращение - разложение одних молекул вещества и образование других, при его изучении нужно знать законы протекания химических реакций, их механизм, скорость и т. д. Этими вопросами заснимается наука, называемая химической кинетикой.
В свою очередь химическая кинетика является одним из разделов химической физики - науки, пограничной между химией и новыми разделами физики, возникшими в начале XX века (квантовая механика, электронная теория атомов и молекул). Химическая физика занимается изучением химических проблем с помощью теоретических и экспериментальных физических методов. Таким образом, процесс горения, как и любое другое химическое превращение, может быть по-настоящему понят лишь на основе изучения строения атомов н молекул и реакций между ними. Квантовая теория строения атомов и молекул возникла лишь в XX веке, поэтому и химическая кинетика в частности, и теория быстропротекающих химических реакций при горении получают настоящее обоснование только в наши дни.
Химические реакции, идущие с большим выделением тепла, почти всегда вызывают возникновение различного рода физических явлений. В процессе горения происходит перенос тепла реагирующих веществ и продуктов горения из одного места в другое. В связи с этим исследование процессов горения возможно только при правильном учете не только химических, но и физических закономерностей. При этом те и другие процессы взаимозависимы - скорость химических реакций определяется процессами теплопередачи и диффузии вещества, и наоборот, температура, давление вещества и скорость его перемещения зависят от интенсивности химических реакций.
Конечно, со времен Фарадея открыто много нового, в частности, новый вид превращения вещества - ядерные реакции. Хотя в обычном горении ядра атомов не изменяются и, казалось бы, эти явления природы не имеют отношения к горению, следует все-таки отметить, что в настоящее время можно говорить о возможности и существования горения на ядерном уровне. К нему, конечно, следует отнести процесс энерговыделения на Солнце и других звездах. Решение проблемы управляемого термоядерного синтеза, к которой приложено много усилий со стороны ученых высокоразвитых стран, сводится в конечном счете к созданию условий, при которых ядерный очаг станет самоподдерживающимся (высокие плотности вещества и сверхвысокие температуры - десятки миллионов градусов), и к возможности регулировать скорость горения на желаемом уровне. Однако это предмет особого разговора. Мы будем рассматривать только химическое горение.
Начиная исследовать какое-либо явление, обычно обращают внимание на основные его особенности. Понимание деталей можно отложить и на будущее. Поступим и мы так же.
Процесс горения, как правило, связан с выделением тепла и света. И в пламени горящей спички и в камере сгорания космической ракеты выделение энергии приводит к возникновению высоких температур - порядка одной-двух тысяч градусов. Таким образом, непременным условием существования горения является участие в процессе веществ, реакция между которыми экзотермична, т.е. идет с выделением тепла. В процессе перестройки молекул их внутренняя, химическая энергия переходит в тепловую энергию, т.е. кинетическую энергию движения.
Одна из особенностей явления горения знакома каждому, кто хоть раз пытался разжечь костер на ветру или под дождем. Довольно просто (при достаточном количестве дров) поддерживать огонь в костре и под проливным дождем. Совсем другое дело его разжечь - обязательно нужно создать достаточно большой очаг пламени, который, оставленный на мгновенье без внимания, не погас бы. Когда такой очаг создан, он начинается сначала медленно, а потом все быстрее и быстрее разгораться и увеличиваться, охватывая в конце концов все топливо, собранное в костре. Выражаясь на языке науки о горении, существуют некоторые критические условия зажигания или воспламенения. Если эти условия выполнены, горение поддерживает себя само. В противном случае происходит потухание.
Все разнообразные и часто очень хитроумные способы разжигания костра "с одной спички" сводятся к умению так расположить дрова и вспомогательный материал - бересту, сухие щепочки,- чтобы величина пламени горящей спички превышала критический размер, необходимый для воспламенения.
Наконец, важная особенность явления горения - способность его к пространственному распространению. Вспомним лесные и степные пожары. Недаром для охраны больших массивов леса создана специальная служба слежения. С вертолетов и самолетов регулярно осматриваются большие площади лесов, а при необходимости высаживается и парашютный десант. Основное - вовремя заметить очаг пожара. Иначе он быстро захватывает большую территорию, и борьба с ним многократно усложняется. В ветреную погоду скорости распространения лесных пожаров достигают десятков километров в час.
Это свойство горения применяется и на практике. Во взрывном деле раньше широко употреблялся огнепроводный, или бикфордов, шнур. Он представляет собой пропитанную селитрой нитку, заключенную наподобие фитиля в пороховую трубку. Горение распространяется по такому шнуру со скоростью сантиметра в секунду. Шнур длиной, например, в шестьдесят сантиметров приводит к взрыву присоединенного к нему заряда ровно через минуту.
В конце концов и горение свечи тоже пример пространственного распространения пламени сверху вниз. Все эти особенности горения тесно связаны с законами протекания химических реакций. Поэтому мы с них и начнем.
II
Все многообразие окружающих нас тел обусловлено существованием всего ста с небольшим разных типов атомов. Их различные комбинации образуют и очень простые молекулы (кислород, вода, углекислый газ), и молекулы-гиганты, построенные из очень большого числа атомов (например, белки или высокомолекулярные соединения-полимеры). Слово "гиганты" в отношении молекул следовало бы, конечно, взять в кавычки: ведь по сравнению с окружающими нас предметами молекулы малы.
