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Feuer ist nicht das, was du denkst

Wir alle kennen uns mit Feuer aus, und dennoch fällt es den meisten von uns schwer, genau zu beschreiben, was Feuer eigentlich ist. Wenn wir eine brennende Kerze, ein Holzfeuer im Kamin oder einen in Betrieb befindlichen Gasherd betrachten, sehen wir eine glühende Flamme und spüren die Hitze. Im Fernsehen oder im Internet sehen wir Bilder von Waldbränden und brennenden Gebäuden. Aufgrund solcher Erfahrungen kommt uns das Feuer bekannt vor und wir haben eine ziemlich gute Vorstellung davon, wie es sich verhält. Aber was genau ist Feuer?

Die Natur des Feuers beschreiben

Man könnte sagen, dass die Natur des Feuers seit Jahrtausenden eine brennende Frage ist. ;-) Feuer ist seit Beginn der Zivilisation bekannt, und daher ist das Streben, Feuer zu verstehen, so alt wie die Zivilisation selbst. Mehrere alte Zivilisationen betrachteten Feuer als eines der Grundelemente - mit anderen Worten, eine grundlegende Substanz, die nicht in Bestandteile zerlegt werden kann. Die alten Griechen betrachteten die vier Grundelemente als Erde, Wasser, Luft und Feuer. In dieser Denkrichtung sind alle anderen Substanzen auf der Erde einfach Mischungen der vier Grundelemente. Mehrere alte Zivilisationen in ganz Asien hatten sehr ähnliche Ideen.

Selbst heute, wenn Sie hundert zufällige Personen gebeten haben, zu beschreiben, was Feuer ist, könnten einige von ihnen es als Substanz beschreiben. Wenn Sie eine Flamme sehen, können Sie die Kanten deutlich erkennen - die scheinbare Oberfläche der Flamme. Wenn Feuer eine Oberfläche hat, können Sie davon ausgehen, dass es sich um eine Substanz handelt. Wenn ja, dann muss alles unter der Oberfläche der Flamme die Substanz sein, die Feuer genannt wird. Dies ist jedoch nicht korrekt. Feuer beinhaltet eine komplexe Mischung von Substanzen, die auf bestimmte Weise interagieren - und daher sollte jede vollständige Definition von „Feuer“ diese Substanzen erwähnen. Feuer ist jedoch keine eigenständige Substanz - oder überhaupt keine Substanz. Darüber hinaus können die Substanzen innerhalb eines Feuers außerhalb eines Feuers existieren.

Wenn Feuer keine Substanz ist, dann ist Feuer vielleicht eine Art von Energie. Diese Idee scheint ziemlich logisch. Wir können deutlich sehen und fühlen, dass Feuer sowohl Licht als auch Wärme abgibt. In gewisser Weise scheint Feuer mit Elektrizität vergleichbar zu sein - von der die meisten von uns wissen, dass sie eine Energieform ist. Sowohl Feuer als auch Elektrizität sind mächtig, etwas mysteriös, können großartige Arbeit für uns leisten und sind dennoch gefährlich, wenn sie außer Kontrolle geraten. Fast zwei Jahrhunderte lang, bevor Elektrizität weit verbreitet war, um Maschinen anzutreiben, wurden die großen Maschinen der industriellen Revolution hauptsächlich von Dampf angetrieben, der vom Feuer als Energiequelle abhing. Wenn Sie also 100 zufällige Personen bitten würden, das Feuer zu erklären, würden einige von ihnen es wahrscheinlich als eine Art Energie beschreiben. Und doch ist Feuer eigentlich keine Energieform - obwohl jede vollständige Definition von Feuer die Rolle von Energie im Feuer erklären muss.

Wenn Feuer also weder eine Substanz noch eine Energieform ist, was könnte es dann sein? In der Tat ist Feuer ein Prozess, und nur wenn wir ihn als einen Prozess beschreiben, können wir ihn vollständig verstehen. Dabei wird Energie, die in bestimmten Substanzen gespeichert ist, als Wärme und Licht freigesetzt, während die Substanzen selbst gleichzeitig in andere Substanzen umgewandelt werden. Mit anderen Worten, Feuer beinhaltet eine doppelte Umwandlung - eine Umwandlung von Substanzen und eine Umwandlung von Energie. Schauen wir uns das genauer an.

Brennbare Materialien plus Sauerstoff

Im Sprachgebrauch der Brandbekämpfung wird jedes brennbare Material - dh jede brennbare Substanz - als Brennstoff betrachtet. Dies umfasst viele bekannte Materialien wie Holz, Papier, Kunststoffe und die meisten Stoffe. Aus der Sicht eines Chemikers bedeutet der Ausdruck „brennbar“, dass die Bindungen zwischen den Atomen in der Substanz nicht den niedrigstmöglichen Energiezustand aufweisen. Wenn die Bindungen zwischen diesen Atomen herumgemischt werden sollten, um einen niedrigeren Energiezustand zu erzielen, würde die überschüssige Energie freigesetzt. Für viele Arten von Atomen ist der niedrigstmögliche Energiezustand, wenn dieses Atom mit Sauerstoffatomen verbunden ist. Dies gilt sicherlich für Kohlenstoff und Wasserstoff - bei weitem die häufigsten Atome in den „Brennstoffen“, mit denen Feuerwehrleute üblicherweise umgehen. Daher ist das Vorhandensein von freiem Sauerstoff normalerweise eine wesentliche Voraussetzung für das Auftreten eines Feuers.

Der Prozess der Verbindung mit Sauerstoff wird Oxidation genannt, und daher beinhaltet Feuer Oxidation. Andererseits ist ein nasser Nagel, der rostig wird, auch ein Beispiel für Oxidation, und wir würden sicherlich nicht sagen, dass der Nagel in Flammen steht. Oxidation tritt auch ständig in unserem eigenen Körper auf, und tatsächlich ist der Prozess lebenswichtig. Der Grund, warum wir Sauerstoff in unserer Luft benötigen, ist, dass unser Körper gespeicherte Zucker und Fette oxidieren und so Energie freisetzen kann, wann und wo immer sie benötigt wird. Und obwohl wir einen Ausdruck wie „Kalorien verbrennen“ verwenden könnten, um auf diesen Oxidationsprozess hinzuweisen, glauben wir sicherlich nicht, dass es tatsächlich ein Feuer in unseren Zellen oder in unserer Blutbahn gibt. Das Ergebnis ist, dass Oxidation mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auftreten kann - die schnelle Oxidation, die bei einem Brand auftritt, die extrem langsame Oxidation, die zu Eisenrost (und der Korrosion anderer Metalle) führt, und die Oxidation mittlerer Geschwindigkeit, die auftritt, wenn unser Körper metabolisiert Zucker und Fette.

Tatsächlich haben Feuer und der Stoffwechsel unserer Lebensmittel mehrere Gemeinsamkeiten. Das Wichtigste ist, dass die Brennstoffe hauptsächlich aus Materialien bestehen, die von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen (CC) und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen (CH) dominiert werden von Bindungen, die Substanzen charakterisieren, die von Lebewesen stammen. Sogar Kunststoffe lassen sich auf Lebewesen zurückführen, da sie normalerweise aus Erdölprodukten hergestellt werden, die die Überreste von Pflanzen sind, die vor langer Zeit lebten.

Wenn ein brennbares Material brennt, wurde die Energie, die es abgibt (Wärme und Licht), zuvor in seinen chemischen Bindungen gespeichert (auch Atombindungen genannt - die Bindungen zwischen den Atomen). In fast allen Fällen kann diese Energie auf das von Pflanzen durch Photosynthese eingefangene Sonnenlicht zurückgeführt werden. Pflanzen fangen die Energie des Sonnenlichts ein, indem sie es in chemische Energie umwandeln - mit anderen Worten, indem sie die Energie in chemischen Bindungen speichern. Anders ausgedrückt, Pflanzen nutzen die Energie des Sonnenlichts, um Kohlendioxid- und Wassermoleküle in Zuckermoleküle umzuwandeln. Später, wenn die Zuckermoleküle wieder in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt werden, wird die Energie freigesetzt. Zucker kann in Stärke oder Zellulose - den Hauptbestandteil von Holz und Papier - umgewandelt werden, ohne die gespeicherte Energie zu verlieren. Durch kompliziertere Prozesse können Zucker auch in Fette, Proteine, Kohlenwasserstoffe und andere Substanzen umgewandelt werden, die durch eine große Anzahl von CC- und CH-Bindungen gekennzeichnet sind. (Solche Materialien werden als organische Verbindungen bezeichnet.) Alle diese Substanzen behalten die gespeicherte chemische Energie, die der ursprüngliche Zucker einmal enthielt, und können daher unter den richtigen Umständen alle verbrennen.

Dies führt zu der ziemlich interessanten Schlussfolgerung, dass Brände aufgrund von Pflanzen existieren. So wie praktisch alles Leben auf der Erde von der Nahrungsenergie abhängt, die von photosynthetischen Pflanzen aufgenommen wird, hängt Feuer normalerweise von ähnlicher Pflanzenenergie ab, die in Form von Holz, Papier, Textilien, Kunststoffen und verschiedenen künstlichen organischen Verbindungen gespeichert ist, die aus Erdöl synthetisiert werden. Wenn Sie ein Feuer sehen - praktisch jedes Feuer - wurde die als Wärme und Licht freigesetzte Energie ursprünglich von Pflanzen aus dem Sonnenlicht eingefangen.

So wie Feuer und unser Körper ähnliche Brennstoffe verwenden, sind die Endprodukte beider Oxidationsarten ziemlich ähnlich. Wenn in unserem Körper unsere gespeicherte Energie (Zucker und Fette) vollständig metabolisiert wird, bleibt nichts außer Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) übrig. Dies liegt daran, dass Zucker und Fette nur drei Arten von Atomen enthalten - Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) -. Wenn Sie genügend zusätzlichen Sauerstoff bereitstellen, besteht der niedrigstmögliche Energiezustand darin, den gesamten Kohlenstoff umzuwandeln in Kohlendioxid und den gesamten Wasserstoff in Wasser. Bei fast allen Bränden besteht der Brennstoff auch hauptsächlich aus Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen, und daher führt eine vollständige Verbrennung auch hauptsächlich zur Erzeugung von Kohlendioxid und Wasser.

Feuer als Kettenreaktion

Wenn Feuer und Stoffwechsel unserer Lebensmittel so ähnlich sind, was unterscheidet dann genau diese beiden Arten der Oxidation? Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, was jeden Prozess antreibt. Der Stoffwechsel unserer Nahrung wird durch die internen Kontrollmechanismen unseres Körpers gesteuert, die durch verschiedene Enzyme vermittelt werden. Diese Enzyme wählen die Zeit und den Ort aus, an dem jedes Kraftstoffmolekül oxidiert wird. Darüber hinaus stellen die Enzyme sicher, dass der größte Teil der verfügbaren Energie aufgefangen und für wesentliche biochemische Reaktionen eingesetzt wird, anstatt als Wärme freigesetzt zu werden. Solche Prozesse ermöglichen es uns unter anderem, unsere Muskeln zu kontrollieren - aber alle Arten anderer Prozesse, die in unserem Körper ablaufen, erfordern auch den Einsatz von Energie. Im Gegensatz dazu erhält sich ein Feuer durch einen Kettenreaktionsprozess. Mit anderen Worten, das Feuer selbst erzeugt Bedingungen, die es dem Feuer ermöglichen, weiterzumachen - typischerweise auf schnelle, unkontrollierte Weise. In dieser Hinsicht ist ein Brand analog zu dem Prozess, der in einem Kernreaktor stattfindet, der sich auch durch eine Kettenreaktion selbst aufrechterhalten kann.

Wenn wir ein Feuer wachsen oder sich ausbreiten sehen, kann es ziemlich offensichtlich sein, dass eine Kettenreaktion auftritt. Ein Feuer kann wie eine hoch ansteckende Krankheit erscheinen, die sich durch direkten Kontakt durch eine anfällige Population brennbarer Gegenstände ausbreitet. Materialien, die noch kein „Feuer gefangen“ haben, gehen in Flammen auf, wenn sie von einer vorhandenen Flamme oder Glut berührt werden - als wäre das Feuer eine Epidemie. Weit weniger offensichtlich ist, dass alle Brände tatsächlich Kettenreaktionen sind. Sogar eine brennende Kerze ist eine Kettenreaktion, obwohl die Flamme dazu neigt, eine konstante Größe und an einem festen Ort zu bleiben.

Die Kettenreaktion in einer Kerzenflamme kann mit einem Förderband verglichen werden. Es gibt einen ständigen Materialzug, der vom Kerzenhalter durch den Docht nach oben in die Luft und die Flamme und über die Flamme hinaus läuft. Das Material, das hell in der Flamme leuchtet, hat nur einen kurzen Moment der Brillanz und wird dann nach oben und weg gedrückt, ersetzt durch anderes Material, das dann seinen eigenen Moment der Brillanz erhält. Ohne das Förderband, das die Kettenreaktion speist, würde die Flamme sofort verschwinden.

Die Kettenreaktion einer Kerzenflamme kann in mehrere Schritte unterteilt werden:

1) Die Hitze der Flamme schmilzt einen Teil des Kerzenwachses und bildet einen Pool aus flüssigem Wachs an der Basis des freiliegenden Dochtes.

2) Wenn das Wachs aus den oberen Teilen des Dochtes verdunstet (in Schritt 3 unten), bewegt sich das flüssige Wachs durch den Docht nach oben, um es zu ersetzen. Diese Dochtwirkung ist uns in anderen Zusammenhängen bekannt. Wenn wir zum Beispiel ein Papiertuch so halten, dass eine Ecke davon eine Wasserpfütze berührt, steigt Wasser durch die Fasern des Papiers und benetzt das Handtuch.

3) Die intensive Hitze der Flamme am oberen Ende des Dochtes bewirkt, dass das flüssige Wachs in die Luft verdunstet, wo es sich mischt und mit Sauerstoffmolekülen in Kontakt kommt.

4) Das gasförmige Luft / Wachs-Gemisch, das durch den vertikalen Luftstrom nach oben gezogen und von der Flamme erwärmt wird, wird so heiß, dass es verbrannt wird. Mit anderen Worten, die Wachsmoleküle werden schnell oxidiert und setzen Wärme und Licht frei. Wenn die Verbrennung abgeschlossen ist, bleiben nur Kohlendioxid- und Wassermoleküle übrig. Ansonsten bleiben auch Rußpartikel (unvollständig verbranntes Material) zurück. Ruß ist meist amorpher Kohlenstoff, der eine große Anzahl von CC-Bindungen enthält, die nicht oxidiert wurden.

5) Wenn diese glühende Gasmischung nach oben gezogen wird - angetrieben durch die Tatsache, dass die heißen Gase viel weniger dicht sind als die kühlere Luft, die die Flamme umgibt -, werden die Gase bald zu kühl, um zu glühen, obwohl der Aufwärtsstrom der Gase weit anhält über der sichtbaren Kerzenflamme.

Dieser mehrstufige Prozess ist eine Kettenreaktion, da die in Schritt 4 freigesetzte Wärme alle anderen Schritte antreibt, ein Förderband aus gasförmigem Brennstoff zum Verbrennen erzeugt und dann das verbrannte Material aus dem Weg schiebt. Ebenso ist die Flamme eines Gasherds auch eine Kettenreaktion, obwohl sie weniger Schritte aufweist, da der Brennstoff bereits ein Gas ist. Weniger offensichtlich ist ein Kaminfeuer in einem Kamin auch eine Kettenreaktion, da die Hitze des Feuers dazu führt, dass sich das Holz in brennbare Gase zersetzt, die sich mit Luftsauerstoff vermischen und dann verbrennen. (Diese hitzebedingte Zersetzung in Gase wird als Pyrolyse bezeichnet.) Die Flammen, die über den Baumstämmen tanzen, zeigen die Orte, an denen die Verbrennung von Gasen stattfindet. Eine blaue Flamme (z. B. auf einem Gasherd) zeigt normalerweise eine vollständige Verbrennung an, während eine gelbe Flamme eine unvollständige Verbrennung anzeigt. Eine unvollständige Verbrennung bedeutet, dass nicht der gesamte Kohlenstoff vollständig zu Kohlendioxid oxidiert wird. Stattdessen wird ein Teil davon in andere Materialien auf Kohlenstoffbasis wie Rußpartikel umgewandelt. Die kräftige gelbe Farbe einer typischen Flamme kommt von den winzigen Rußstücken, wenn sie so weit erhitzt werden, dass sie gelb leuchten.

Das Ergebnis ist, dass Feuer - ein Prozess, der mehrere Schritte umfasst - mehr als eine Flamme ist. In der Flamme findet sicherlich der Hauptteil des Prozesses statt - die schnelle Verbrennung des gasförmigen Luft / Kraftstoff-Gemisches. Mit anderen Worten, die Flamme ist die Zone, in der der Brennstoff oxidiert wird und Wärme und Licht freisetzt. Der Bereich unter der Flamme ist aber auch ein wesentlicher Bestandteil des Prozesses, da hier das Brennstoff / Luft-Gemisch aufbereitet und der Flamme zugeführt wird. Auch der vertikale Strom von Gasen und Rauch über der Flamme spielt eine wichtige Rolle und führt die verwendeten Materialien schnell weg.

Der Energiehöcker

Die subtile Frage dahinter ist natürlich, wie brennbare Materialien überhaupt existieren könnten. Der Übergang von einem Hochenergiezustand in einen Niedrigenergiezustand ist so natürlich und automatisch wie Wasser, das einen Hügel hinunter fließt. Wenn die in organischen Molekülen enthaltene Energie so groß ist, warum oxidieren diese Materialien dann nicht sofort, wenn sie dem Luftsauerstoff ausgesetzt werden? Warum zersetzen sich Materialien wie Holz, Papier und Kunststoff nicht spontan in Kohlendioxid und Wasser? Warum musst du sie mit einer Flamme berühren, bevor sie anfangen zu brennen?

Die Antwort ist, dass es dabei einen Energie-Buckel gibt. Obwohl die Atombindungen im unverbrannten Brennstoff viel mehr Energie enthalten als die Bindungen in den verbrannten Materialien, müssen Sie zuerst die vorhandenen Bindungen aufbrechen - und dies erfordert Energie. Um den Buckel zu überwinden, müssen Sie daher genügend Energie in das System einbringen, um die Bindungen zu lösen. Danach fließt der Prozess bergab in den Zustand niedrigerer Energie. In dieser Hinsicht kann Feuer mit einem Siphon verglichen werden. Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei Wasserwannen nebeneinander, eine mehrere Fuß höher als die andere. Das Wasser in der unteren Wanne hat einen niedrigeren Energiezustand (in Bezug auf die Schwerkraft) als das Wasser in der oberen Wanne. Das Wasser springt jedoch nicht automatisch von der höheren zur niedrigeren Wanne, da es zuerst die Seiten der höheren Wanne hochklettern müsste. Wenn Sie die beiden Wannen jedoch mit einem Siphon verbinden, dh einem mit Wasser gefüllten Schlauch, fließt das Wasser von der höheren Wanne über den Wannenrand nach oben und dann zur unteren Wanne. Der äquivalente Siphoneffekt für Feuer besteht darin, dass brennbare Materialien bis zu ihren Verbrennungspunkten erwärmt werden müssen, um über den Buckel zu gelangen und in den Zustand niedrigerer Energie zu fließen.

Feuer braucht also Wärme, um die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten - und das Feuer selbst liefert die Wärme. Dies erklärt, warum Feuerwehrleute sagen, dass Feuer drei Zutaten benötigt - Brennstoff, Sauerstoff und Wärme - und wenn Sie eine der drei eliminieren, können Sie das Feuer löschen. Das Sprühen von Wasser auf ein Feuer greift in erster Linie die Wärmekomponente an, hauptsächlich weil verdunstendes Wasser viel Wärme aus dem heraussaugt, was es berührt. (Aus diesem Grund kühlt die Verdunstung des Schweißes Ihre Haut ab.) Sie können ein Feuer aber auch löschen, indem Sie ihm Sauerstoff entziehen oder die Kraftstoffquelle entfernen.

Zusammenfassung

Jetzt sind wir endlich bereit, „Feuer“ zu definieren. Feuer ist ein Kettenreaktionsprozess, bei dem Substanzen, die in ihren chemischen Bindungen gespeicherte Energie enthalten, Sauerstoff und hoher Wärme ausgesetzt sind, wodurch Substanzen, die sich noch nicht in einem gasförmigen Zustand befinden, in Gase umgewandelt werden und dieser gasförmige Brennstoff dann einer schnellen Oxidation unterzogen wird Dabei wird die gespeicherte Energie als Wärme und Licht freigesetzt, wodurch die Kettenreaktion fortgesetzt wird.