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Feuer ist nicht das, was du denkst

Wir alle kennen uns mit Feuer aus, und doch 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 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 dem Beginn der Zivilisation bekannt, und deshalb ist das Streben, Feuer zu verstehen, so alt wie die Zivilisation selbst. Einige alte Zivilisationen betrachteten Feuer als eines der Grundelemente - mit anderen Worten, eine grundlegende Substanz, die nicht in Komponenten zerlegt werden kann. Die alten Griechen betrachteten die vier Grundelemente 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 Vorstellungen.

Selbst heute, wenn Sie hundert zufällige Personen fragen, was Feuer ist, können einige von ihnen es als Substanz bezeichnen. 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 als Feuer bezeichnet wird. Dies ist jedoch nicht korrekt. Bei Feuer handelt es sich um ein komplexes Stoffgemisch, das auf bestimmte Weise zusammenwirkt. Daher sollte in jeder vollständigen Definition von „Feuer“ auf diese Stoffe hingewiesen werden. Feuer ist jedoch keine bestimmte Substanz - oder überhaupt eine Substanz. Darüber hinaus können die Substanzen in einem Feuer 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 mancher Hinsicht scheint Feuer mit Elektrizität vergleichbar zu sein - die die meisten von uns als Energieform kennen. Sowohl Feuer als auch Elektrizität sind mächtig, etwas mysteriös, fähig, großartige Arbeit für uns zu leisten, und dennoch gefährlich, wenn sie außer Kontrolle geraten. Fast zwei Jahrhunderte lang, bevor Elektrizität zum Antrieb von Maschinen verwendet wurde, 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 Energieart bezeichnen. Und doch ist Feuer eigentlich keine Energieform - obwohl jede vollständige Definition des Feuers die Rolle der Energie im Feuer erklären muss.

Also, wenn Feuer weder eine Substanz noch eine Form von Energie ist, was könnte es dann möglicherweise sein? In der Tat ist Feuer ein Prozess, und nur wenn wir ihn als Prozess beschreiben, können wir ihn vollständig verstehen. Dabei wird Energie, die in bestimmten Stoffen gespeichert ist, als Wärme und Licht freigesetzt, während die Stoffe selbst gleichzeitig in andere Stoffe 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 Kraftstoff betrachtet. Dazu gehören 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 verschoben werden, um einen niedrigeren Energiezustand zu erzielen, wird die überschüssige Energie freigesetzt. Für viele Arten von Atomen ist der niedrigstmögliche Energiezustand, wenn dieses Atom mit Sauerstoffatomen verbunden ist. Dies gilt mit Sicherheit für Kohlenstoff und Wasserstoff - die bei weitem häufigsten Atome in den „Brennstoffen“, mit denen Feuerwehrleute üblicherweise zu tun haben. Daher ist das Vorhandensein von freiem Sauerstoff in der Regel eine wesentliche Voraussetzung für das Entstehen eines Feuers.

Der Prozess der Verbindung mit Sauerstoff wird Oxidation genannt, und deshalb beinhaltet Feuer Oxidation. Andererseits ist ein nasser, rostender Nagel auch ein Beispiel für Oxidation, und wir würden mit Sicherheit 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 kann, wodurch Energie freigesetzt wird, wann und wo immer sie benötigt wird. Und obwohl wir diesen Oxidationsprozess mit einem Ausdruck wie „Kalorienverbrennung“ bezeichnen, 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 zum Rosten von Eisen (und zur Korrosion anderer Metalle) führt, und die Oxidation mit mittlerer Geschwindigkeit, die bei der Metabolisierung unseres Körpers auftritt Zucker und Fette.

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

Wenn ein brennbares Material brennt, wurde die Energie, die es abgibt (Wärme und Licht), zuvor in seinen chemischen Bindungen gespeichert (auch als Atombindungen bezeichnet - die Bindungen zwischen den Atomen). In fast allen Fällen kann diese Energie auf das Sonnenlicht zurückgeführt werden, das durch den Photosyntheseprozess von Pflanzen eingefangen wird. Pflanzen fangen die Energie des Sonnenlichts ein, indem sie sie in chemische Energie umwandeln, dh die Energie in chemischen Bindungen speichern. 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 zu Stärke oder Cellulose - dem Hauptbestandteil von Holz und Papier - umgewandelt werden, ohne die gespeicherte Energie zu verlieren. Durch kompliziertere Verfahren können Zucker auch in Fette, Proteine, Kohlenwasserstoffe und andere Substanzen umgewandelt werden, die durch eine große Anzahl von C-C- und C-H-Bindungen gekennzeichnet sind. (Solche Materialien werden organische Verbindungen genannt.) Alle diese Substanzen behalten die gespeicherte chemische Energie bei, die der ursprüngliche Zucker einmal enthielt, und können daher unter den richtigen Umständen alle verbrennen.

Dies führt zu der interessanten Schlussfolgerung, dass es aufgrund von Pflanzen Brände gibt. 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 synthetisch hergestellten organischen Verbindungen aus Erdöl gespeichert wird. Wenn Sie ein Feuer sehen - praktisch jedes Feuer -, wurde die Energie, die als Wärme und Licht freigesetzt wurde, ursprünglich von Pflanzen aus dem Sonnenlicht aufgenommen.

So wie Feuer und unser Körper ähnliche Brennstoffe verwenden, sind die Endprodukte beider Oxidationsarten ziemlich ähnlich. Wenn unsere gespeicherte Energie (Zucker und Fette) in unserem Körper vollständig verstoffwechselt wird, bleibt außer Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) nichts übrig. Das liegt daran, dass Zucker und Fette nur drei Arten von Atomen enthalten - Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) - und 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 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 von 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 den Zeitpunkt und den Ort aus, an dem jedes Kraftstoffmolekül oxidiert wird. Darüber hinaus sorgen die Enzyme dafür, dass der größte Teil der verfügbaren Energie aufgefangen und für wichtige biochemische Reaktionen verwendet wird, anstatt als Wärme freigesetzt zu werden. Solche Prozesse ermöglichen es uns unter anderem, unsere Muskeln zu kontrollieren - aber alle Arten von anderen Prozessen, die in unserem Körper ablaufen, erfordern auch den Einsatz von Energie. Im Gegensatz dazu hält sich ein Feuer durch einen Kettenreaktionsprozess. Mit anderen Worten, das Feuer selbst erzeugt Bedingungen, die es dem Feuer ermöglichen, sich fortzusetzen - typischerweise auf eine 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 mit einer anfälligen 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. 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 Kerzenleuchter über den Docht in die Luft und in die Flamme und über die Flamme hinaus nach oben 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 bekommt. 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 eine Ansammlung von flüssigem Wachs an der Basis des freiliegenden Dochtes.

2) Während 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 feindselige Handlung ist uns in anderen Zusammenhängen vertraut. 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) Durch die starke Hitze der Flamme am oberen Ende des Dochtes verdampft das flüssige Wachs in der Luft, 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 durch die Flamme erwärmt wird, wird so heiß, dass es einer Verbrennung unterliegt. Mit anderen Worten, die Wachsmoleküle oxidieren schnell und setzen Wärme und Licht frei. Wenn die Verbrennung abgeschlossen ist, verbleiben nur Kohlendioxid- und Wassermoleküle. Ansonsten bleiben auch Rußpartikel (unvollständig verbranntes Material) zurück. Ruß ist größtenteils amorpher Kohlenstoff, der eine große Anzahl von C-C-Bindungen enthält, die nicht oxidiert wurden.

5) Da dieses glühende Gasgemisch 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 kalt, um zu glühen, obwohl der Gasstrom nach oben 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 Kraftstoff zum Verbrennen erzeugt und dann das verbrannte Material aus dem Weg drückt. Ebenso ist die Flamme an einem Gasherd eine Kettenreaktion, obwohl sie weniger Stufen hat, weil der Brennstoff bereits ein Gas ist. Weniger offensichtlich ist ein Kaminfeuer auch eine Kettenreaktion, da die Hitze des Feuers das Holz in brennbare Gase zerlegt, die sich mit Sauerstoff in der Luft mischen und dann verbrennen. (Diese durch Wärme hervorgerufene Zersetzung in Gase wird als Pyrolyse bezeichnet.) Die Flammen, die über den Stämmen tanzen, zeigen die Orte, an denen die Verbrennung von Gasen stattfindet. Eine blaue Flamme (wie bei einem Gasherd) zeigt normalerweise eine vollständige Verbrennung an, während eine gelbe Flamme eine unvollständige Verbrennung anzeigt. Unvollständige Verbrennung bedeutet, dass nicht der gesamte Kohlenstoff vollständig zu Kohlendioxid oxidiert ist. Stattdessen wird ein Teil davon in andere Materialien auf Kohlenstoffbasis umgewandelt, beispielsweise Rußpartikel. Die starke gelbe Farbe in einer typischen Flamme kommt von den winzigen Rußstücken, wenn sie bis zu dem Punkt erhitzt werden, an dem sie gelb leuchten.

Das Ergebnis ist, dass Feuer - ein Prozess, der mehrere Schritte umfasst - mehr als eine Flamme ist. In der Flamme spielt sicherlich der Schlüssel des Prozesses eine Rolle - 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 die vertikale Strömung von Gasen und Rauch über der Flamme spielt eine wichtige Rolle und führt die verwendeten Materialien schnell ab.

Der Energiebuckel

Die subtile Frage dahinter ist natürlich, wie brennbare Materialien überhaupt existieren könnten. Der Übergang von einem energiereichen zu einem energiearmen Zustand ist so natürlich und automatisch wie das 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 müssen Sie sie mit einer Flamme berühren, bevor sie anfangen zu brennen?

Die Antwort ist, dass dabei ein Energiebuckel entsteht. Obwohl die Atombindungen im unverbrannten Brennstoff viel mehr Energie enthalten als die Bindungen in den verbrannten Materialien, müssen Sie zuerst die bestehenden Bindungen aufbrechen - und dies erfordert Energie. Um den Buckel zu überwinden, muss daher genügend Energie in das System gesteckt werden, um die Bindungen zu lösen. Danach fließt der Prozess „bergab“ in den Zustand niedrigerer Energie. In dieser Hinsicht kann das Feuer mit einem Siphon verglichen werden. Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei Wannen Wasser nebeneinander, eine einige 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 oberen in die untere Wanne, da es zuerst die Seiten der oberen Wanne erklimmen müsste. Wenn Sie jedoch die beiden Wannen mit einem Siphon verbinden, dh einem mit Wasser gefüllten Rohr, fließt das Wasser von der oberen Wanne über den Wannenrand und dann nach unten in die untere Wanne. Der äquivalente Siphoneffekt für Feuer besteht darin, dass brennbare Materialien bis zu ihren Verbrennungspunkten erhitzt werden müssen, um über den Buckel zu gelangen und in den Zustand niedrigerer Energie abzufließen.

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

Zusammenfassung

Jetzt können wir endlich "Feuer" definieren. Feuer ist ein Kettenreaktionsprozess, bei dem Substanzen, die in ihren chemischen Bindungen gespeicherte Energie enthalten, Sauerstoff und hohen Wärmemengen ausgesetzt werden. Dabei werden alle Substanzen, die sich noch nicht in einem gasförmigen Zustand befinden, in Gase umgewandelt und dieser gasförmige Brennstoff wird schnell oxidiert Freisetzung der gespeicherten Energie als Wärme und Licht, wodurch die Kettenreaktion fortgesetzt wird.