Физико-химические основы горения и взрыва
Для того чтобы успешно и правильно бороться с огненной стихией, нужно хорошо знать, что она собой представляет, как формируется, развивается.
Горение вещества происходит, если в наличии имеются горючее, окислитель и источник зажигания. Эти условия неразделимы, и если лишь одно устранить или хотя бы прервать их взаимосвязь, горение не возникает или быстро прекратится. Например, в соответствии с законами химической кинетики скорость гомогенных реакций (горючее и окислитель находятся в одной фазе и хорошо перемешаны друг с другом) зависит главным образом от концентрации компонентов, а гетерогенных (твердые горючие материалы в среде окислителя) - от состояния и поверхности вещества. Однако, если источник зажигания не обеспечивает достаточно интенсивного теплового потока, горючие системы не воспламеняются.
С точки зрения возможности возникновения пожара (загорания) в первую очередь следует принимать во внимание горючесть как способность вещества самостоятельно гореть после удаления источника зажигания.
Особую группу составляют легковоспламеняющиеся вещества, которые могут быть жидкими или твердыми. К последним относятся из Типовых перечней красный фосфор, фенол. В быту причиной пожара могут быть целлулоид, бумага, торф, полистирол, древесные стружки. К разряду трудногорючих из Типовых перечней относятся черенковая сера, щелочные металлы (литий и натрий), а среди бытовых предметов - изделия из пластиков на основе фенол-формальдегидных смол (розетки, выключатели), поливинилхлорид, подвергнутая специальной обработке древесина и пр.
Для оценки пожарной опасности веществ Всесоюзным научно-исследовательским институтом противопожарной обороны (ВНИИ ПО) МВД СССР разработана система показателей: для газов - 7, жидкостей - 27, твердых материалов - 4. Практически для газов в первую очередь обращают внимание на область воспламенения газовоздушной смеси, для жидкостей - на температурные пределы воспламенения и для твердых - температуру воспламенения в воздухе. При этом учитывают, что горят не конденсированные вещества, а их паровая фаза, хорошо перемешанная с кислородом воздуха (окислитель) и образовавшая таким путем горючую систему.
Та минимальная (максимальная) массовая доля (%) горючих паров или газов в системе, при которой становится возможным воспламенение смеси и последующее распространение горения по всему ее объему, называется нижним (верхним) концентрационным пределом воспламенения (ГОСТ 13919-68 «Газы горючие. Метод определения пределов воспламенения»). Этим показателем руководствуются при оценке возможности загорания паров органических жидкостей в различных условиях хранения и обращения с ними. Чем шире диапазон между пределами, тем более опасным (в первом приближении) в отношении пожара может считаться вещество.
Определяемая по ГОСТ 13920-68 «Нефтепродукты. Метод определения температуры самовоспламенения паров в воздухе» температура является характеристикой возможности самозагорания вещества вследствие экзотермических процессов, развивающихся под действием кислорода воздуха. Особо опасны продукты реакции, являющиеся пероксидами, которые легко разлагаются, образуя свободные радикалы и существенно снижая тем самым температуру самовоспламенения. Так, у диэтилового эфира она (при наличии в веществе гидропероксида) настолько низка, что самовоспламенение разлитой жидкости может возникнуть уже при комнатной температуре. В зависимости от объема вещества, условий тепло- и массообмена, вида примесей этот показатель меняется очень резко.
Немаловажную роль для оценки склонности веществ к горению играют температурные пределы воспламенения (ГОСТ 12.1.021-80 «ССБТ. Пожарная безопасность. Методы определения температуры вспышки в открытом тигле и температуры воспламенения). Этот показатель соотносится с концентрированными пределами воспламенения и определяется температурой, при которой достигается верхний или нижний концентрационный предел. Учитывать показатель следует при организации хранения веществ и уборке разливов.
Горение веществ может быть полным и неполным. Поскольку процесс этот чрезвычайно сложен и сочетает окислительно-восстановительные реакции, диффузию окислителя в очаг пожара и продуктов горения из очага, а также другие факторы, чаще всего происходит неполное сгорание, признаком чего являются дымы, окрашенные в темный или черный цвет частичками различных веществ. При избытке окислителя горючие пары смешиваются с ним. Тогда идет полное сгорание (например, этанола над фитилем спиртовки).
В общем случае горение вещества, находящегося в конденсированном состоянии, складывается из следующих стадий:
1. Высокую температуру имеет только источник воспламенения, сам предмет нагрет ненамного выше окружающей среды.
2. Участок предмета возле источника воспламенения нагрет настолько, что из него начинают выделяться горючие пары: возникает открытое пламя. В зону горения устремляется поток воздуха. Начинается газообмен, обеспечивающий устойчивое горение. Под воспламенившимся участком предмет прогревается все глубже и глубже. Загорание постепенно переходит в пожар.
3. Весь предмет прогрет до температуры, обеспечивающей обильное выделение горючих газов и паров (фактически достигнуты нижний температурный и концентрационный пределы воспламенения). Горение установилось и уже не зависит от источника воспламенения. Медленно нагревается воздух в верхней части помещения.
4. Зона горения расширяется, температура воздуха поднимается выше 300 °С, окружающие предметы настолько нагреваются, что и из них начинают выделяться горючие пары. Возникает светящийся факел, пламя заполняет практически все помещение.
5. Разрушаются остекление, перегородки и несущие конструкции зданий. Температура достигает 500 °С, очень много дыма.