Naturaleza del fuego: calor, temperatura y transferencia

TEMPERATURA I FONS DE CALOR

El foc és una reacció química d'oxidació d'una matèria combustible. Caracteristiques de la reacció:

• Altament exotèrmica.
• Despren energia en forma de calor i llum.
• Desprèn altres productes resultants de la reacció (CO2, H2O, etc.).
• La intensitat varia segons les substàncies que hi intervinguin.

Calor

• És l'intercanvi d'energia entre dos cossos que estan a diferent temperatura.
• Sempre va del cos calent al cos fred.
• Es mesura en Joules [J], calories [cal] i unitats derivades com (kJ, kcal, etc.)
• La relació entre les dues unitats és 1 cal = 4,18 J.
• Les fonts de calor més habituals són:

• Tèrmiques: la flama d'una espelma o d'un encenedor, etc.
• Mecàniques: fregament entre dos cossos, etc.
• Químiques: qualsevol reacció química exotérmica.
• Elèctriques: curtcircuits, endolls, etc.
• Nuclears: usades per a la generació d'energia.

Temperatura

De la calor surt la temperatura.

• És una magnitud física que mesura l'energia cinética mitjana de les molécules que té un cos.
• Indica si hi haurà transmissió d'energia d'un cos a un altre, però no la quantitat d'energia que emmagatzema un cos.
• Un cos amb més temperatura pot tenir menys energia que un de més fred (depèn de la calor específica del material).
• Indica el seu nivell calorífic.
• Expressa quantitativament les nocions de calor i fred.
• En el Sistema Internacional es mesura en Kelvin (K).- Es considera el zero absolut OK (-273 ℃) quan un cos no te temperatura, les molecules no es mouen, no té energia cinetica. És la temperatura més baixa a la que es pot arribar.
• Les unitats de temperatura són:

• Kelvin (K), correspon a l'escala científica o absoluta.
• Graus Celsius (C)
• Graus Fahrenheit (ºF), utilitzats en països anglosaxons.

Escala Solidificació H2O Vaporitcació H20 0 100 K 273 373 32 212 De a Relació Kelvin Celsius ℃ = K-273 Fahrenheit Celsius ℃ = (ºF - 32) * 0,5 Celsius Kelvin K = C + 273 Celsius Fahrenheit ºF= (℃ * 1,8) + 32

Conceptes relacionats amb calor i temperatura

• Capacitat calorífica Quantitat de calor necessaria per elevar la temperatura d'un cos en un 1ºC (no considera dimensions ni massa). Es mesura en J/K en el Sistema Internacional.
• Calor específica

• Propietat característica de cada material.
• Quantitat de calor necessaria per augmentar 1 ºK la temperatura d'aquell material.
• Indicador de quanta energia termica acumula el material.
• En una mateixa substância pot canviar segons l'estat d'agregació (líquid, sòlid o gasós).
• Les unitats en què s'expressa poden ser:

• SI: Joules per quilogram per grau kelvin [J/kg °K].
• Caloria per gram per grau [cal/g ℃].

• La calor específica de l'aigua en estat líquid és de:

• 4.180 J/kg. °℃ (4,18 J/g ℃).
• 1 cal/g ℃.

Solid Liquid Gas 0,5 cal/g ℃ 1 cal/g ℃ 0,5 cal/g ℃

Substância Calor específica (J/kg ℃) Aigua 4.180 Ferro 460 Coure 400 Sorra 840 Gel 2.100

. Calor latent És la quantitat de calor necessaria per produir un canvi d'estat a 1 kg de substancia. No hi ha canvi de temperatura.

• En mesura en J/kg en el SI.
• Habitualment s'expressa en: cal/g.

Canvi d'estat Cal/g KJ/kg Solid a Liquid 80 334 Líquid a Gas 540 2.257

• L'equilibri termic És la tendencia natural de la matèria a equilibrar les seves temperatures. La transmissió de calor es produeix sempre del cos calent al cos fred. Forma matematica: ET = m . Qe . AT ET: equilibri termic, Qe: calor específica de la substancia, m: massa de la substancia, AT: variació de temperatura.

TRANSFERENCIA DE LA CALOR

En funció de les condicions del medi on es realitza la propagació de la calor, la transferencia d'aquest pot donar-se de 3 maneres diferents:

• Conducció
• Convecció
• Radiació

Conducció

Ford

• Transferencia de calor per contacte directe entre dos cossos que estan a diferent temperatura.
• Almenys un dels dos materials haurà de ser conductor (elevada conductivitat termica).
• El mecanisme de de transmissió de calor es basa en la Llei de Fourier, que diu que la taxa de transferència de calor serà:

• Proporcional a la secció del material: a major secció, més conductivitat.
• Proporcional a la diferencia de temperatura entre els extrems dels materials o entre materials: a major diferencia, més conductivitat.
• Proporcional a la densitat del material: a major densit at, mes conductivitat.

Model que representa el fluxe de calor Cos A Cos B Calor Major temperatura Menor temperatura En el dibuix veiem com la conducció pot ser la causa de propagació d'un incendi. El foc que teniem confinat en una habitació escalfa la biga d'acer, que pot arribar a grans temperatures i cremar els objectes que estan en contacte amb ella en altres habitacions. La paret pot ser molt aillant, però la calor passa per la biga com si fos una "autopista termica".

Convecció

• Es produeix en els fluids (liquids i gasos) i és degut al moviment de la matèria.
• Procés dels corrents de convecció, moviments circulars del fluid:

• Quan s'escalfa el fluid, disminueix la seva densitat i s'eleva.
• Mentre puja, va cedint calor per conducció i es va refredant.
• Aquest fluid més fred i més dens, torna a baixar.
• Per tant, les particules calentes pugen i les fredes baixen. D'aquesta manera s'estableix una convecció lliure natural, per canvis de densitat.

• Convecció forçada: bombes o ventiladors que provoquen aquests moviments.

5 min Combustió sobtada generalitzada IV Exterior 50 min (interior + combustió) Interior 35 min 5 min 15 min 5 min Combustió sobtada generalitzada III Exterior 45 min (interior + combustió) Interior 30 min 5 min 15 min 5 min Combustió sobtada generalitzada II Exterior 40 min (interior + combustió) Interior 25 min 5 min 15 min 5 min Combustió sobtada generalitzada I 15 min Exterior 35 min (interior + combustió) Interior 20 min 15 min Focus d'incendi Exterior 15 min (interior + combustió)

Radiació

• Emissió contínua d'energia transmesa en forma d'ones electromagnetiques des de la superfície d'un cos calent.
• Aquestes ones es poden propagar a través de l'espai/buit o de qualsevol medi material.
• La radiació absorbida varia depenent del material i el color.
• La calor emesa per radiació és petita si el cos calent té una temperatura baixa, però augmenta notablement a mesura que ho fa la temperatura del cos radiant.
• En focs de gran intensitat la radiació serà prou important per a crear focus secundaris. . La radiació pot propagar un incendi a grans distancies, afectant estructures veïnes que aparentment estan lluny del foc.
• L'exemple mes clar de transmissió de la calor per radiació la trobem al sol.
• Entre dos objectes a diferents temperatures i separats pel buit, hi haurà només transferencia de calor per radiació. Els altres dos metodes necessiten un medi físic o material per propagar- se.

Moltes vegades es poden donar tots tres tipus de propagació a la vegada: Conducció Convecció Radiació Aigua freda que baixa Aigua calenta que puja Per exemple, un foc en una planta baixa, el fum puja per convecció i escalfa els pisos superiors, propagant el foc a l'últim pis, molt lluny de l'origen del foc. 15 min

TEORIA DEL FOC

• La combustió és una reacció química d'oxidació-reducció exotérmica (reacció Red-Ox).
• Es dona entre un combustible i un comburent, habitualment l'O2 (di-oxigen).
• Basa el seu funcionament en una transferencia d'electrons entre els reactius de la reacció, provocant un canvi en els estats d'oxidació dels productes.

Combustible Agent reductor s'oxida perd e- Comburent Agent oxidant es redueix guanya e

Segons el tipus de combustió trobem:

• Completa: el combustible reacciona fins al seu grau màxim d'oxidació. Es consumeix el 100%.
• Incompleta: no s'arriba al grau maxim d'oxidació, queda combustible com a producte de la reacció. Resultat: CO (monoxid de carboni i gasos inflamables.
• Estequiomètrica o teorica: quan s'utilitza la quantitat exacta de comburent en relació a la quantitat de combustible disponible. Es consumeix el 100% de combustible i comburent.

ELEMENTS QUE COMPONEN EL FOC

Triangle del foc -> Per tal que es produeixi la combustio calen tres elements:

• Combustible: qualsevol material que pugui cremar o reaccionar amb el comburent i entrar en combustió.
• Comburent: substância capaç d'oxidar el combustible en una combustió, generalment és l'oxigen.
• Energia o font d'ignició o activació: energia mínima necessaria que s'ha de subministrar a un combustible perquè s'iniciï la combustió en presencia d'un comburent.

COMBURENT CALOR COMBUSTIBLE

Si algun dels tres elements falla, no es produirà la combustió Tetraedre del foc > Per tal que la combustió es mantingui, és necessari un quart element:

• La reacció en cadena: compren les particules intermitges i molt energètiques de les reaccions de combustió que introdueixen noves particules de combustible i comburent en disponibilitat per a la combustió.

COMBURENT REACCIÓ EN CADENA COMBUSTIBLE CALOR

Combustible

És tota substancia solida, líquida o gasosa que es capaç de reaccionar amb un agent oxidant a partir d'una certa temperatura. És a dir, tota substancia que pot cremar o que pot reaccionar amb lʼoxigen.

PUNT CONSEQÜÈNCIA Punt de vaporització / ebullició Temperatura a la qual el combustible inicia l'emissió de vapors. Si són inflamables podran cremar. Punt d'inflamació (Flashpoint) Temperatura mínima a la qual el combustible emet suficients vapor que, en barrejar-se amb un comburent, s'inflamen mentre s'hi aplica un focus de calor. Si aquest focus s'enretira, la combustió s'atura. Punt d'ignició (Firepoint) Temperatura a la qual la velocitat de generació de vapors del combustible és tal que, un cop iniciada la combustió, aquesta es manté per si mateixa, sense la necessitat d'un focus de calor. Apareix la reacció en cadena. Punt d'autoinflamació Temperatura mínima a la qual un combustible, en presencia d'un comburent, pot produir la seva combustió espontània en absencia d'un focus de calor extern

Els gasos no tenen punt d'ignició ni punt d'inflamació, mentre hi hagi una proporció adequada de gas i d'oxigen (estiguini dintre del rang d'inflamabilitat), en aplicar una font d'ignició tindrà lloc la combustió, independentment de la temperatura que estigui el gas. Els liquids no cremen, ho fan els vapors que desprenen. En els solids passa quelcom semblant, el que veiem com a flama es deu als vapors combustibles que son alliberats per pirolisi.

Comburent

És tot agent oxidant capac de produir una reacció de combustió amb una substancia combustible, reduint-se. El comburent mes habitual es l'aire o l'oxigen que el compon. En condicions normals l'aire que ens envolta està format per:

• Nitrogen (N2): 78%.
• Oxigen - 02: 21%.
• Altres gasos inerts - Argó, CO2, Ozó ...: 1%.

-Son altres comburents a banda de l'O2: Halogens (Clor, Fluor, Brom), Peròxid d'hidrogen (Aigua oxigenada), Àcid nítric i nitrats organics, clorats i permanganats.