Lửa chiếm một vị trí độc nhất trong tự nhiên. Bản thân nó không phải là vật chất, nhưng nó liên quan đến phản ứng của các loại vật chất khác nhau để tạo ra năng lượng dưới dạng nhiệt và ánh sáng. Nó có thể là một tác nhân hủy diệt, đặc biệt là khi không được kiểm soát, nhưng nó cũng phục vụ nhiều chức năng có lợi. Trong lịch sử địa chất sơ khai , có vẻ như các đám cháy bắt đầu từ sét đánh và phun trào núi lửa đã định hình Trái đất và giúp chuẩn bị môi trường để sinh sống bởi sự đa dạng rất lớn của các dạng sống. Thậm chí ngày nay, cháy rừng định kỳ và cháy dàn trải rừng là một phần của chu kỳ hủy diệt và đổi mới phát triển của tự nhiên.
Con người, trong số tất cả các loài trên Trái đất, có khả năng kiểm soát lửa độc đáo. Dựa trên khả năng này, lửa đã đóng một vai trò to lớn trong sự phát triển của nền văn minh nhân loại. Những tiến bộ khoa học và công nghệ của con người, cũng như cuộc sống hàng ngày của họ, phụ thuộc vào việc sử dụng lửa được kiểm soát. Lửa được sử dụng để nấu thức ăn, sưởi ấm nhà, hoạt động của động cơ, luyện kim, tạo ra điện và điều khiển mọi quy trình công nghiệp.
Các nhà triết học cổ đại coi lửa là một trong những “yếu tố” cơ bản của tự nhiên, trong khi các nhà tư tưởng tôn giáo coi sức nóng và ánh sáng của lửa là phép ẩn dụ cho tình yêu và sự thật của Chúa, tương ứng. Một ngọn lửa bập bùng là một điều của vẻ đẹp và niềm đam mê bất tận.
Vậy Lửa là gì?
Khi chúng ta thấy một mảnh gỗ đang cháy, với ngọn lửa nhảy vọt và khói bốc lên, chúng ta nói rằng gỗ đang “bốc cháy”. Nhưng lửa là gì? Nói chung, lửa là một phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao, trong đó nhiên liệu phản ứng nhanh với chất oxy hóa để tạo ra nhiệt , ánh sáng và nhiều loại sản phẩm. Nói cách khác, lửa không phải là vật chất, mà là sự tương tác của một số dạng vật chất (như hydrocarbon và oxy ) ở nhiệt độ tương đối cao để tạo ra các dạng vật chất khác (như carbon dioxide và nước ) và năng lượng (nhiệt và ánh sáng).
Nhiên liệu có thể là chất rắn (như gỗ hoặc giấy ), chất lỏng (như dầu hoặc xăng ) hoặc khí (như hydro hoặc khí tự nhiên ). Các tác nhân oxy hóa thường là oxy . Xăng và khí tự nhiên chủ yếu bao gồm các phân tử hydrocarbon, trong khi gỗ và giấy có chứa carbohydrate chuỗi dài (như cellulose ). Khi những nhiên liệu này được đốt cháy trong oxy, các sản phẩm chính là carbon dioxide, hơi nước và các hạt carbon . Nếu nhiên liệu chứa nitơ và lưu huỳnh ,oxit của các nguyên tố này cũng được sản sinh.
Một số đám cháy xảy ra trong trường hợp không có oxy. Ví dụ, hydro có thể đốt cháy trong clo để tạo ra hydro clorua (HCl). Các kết hợp khác có thể tạo ra ngọn lửa bao gồm hydro và flo hoặc hydrazine và nitơ tetroxide.
Nó cần một tia lửa để bắt đầu một ngọn lửa. Theo thuật ngữ khoa học, nhiên liệu, khi được bao quanh bởi tác nhân oxy hóa, cần phải được nung nóng cho đến khi đạt đến nhiệt độ gọi là điểm đánh lửa. Mặc dù có vẻ như là một khuyết tật đối với người cố gắng đốt lửa mà không có nguồn phát ra tia lửa, nhưng yêu cầu này có tác dụng bảo vệ, xem xét sẽ nguy hiểm như thế nào nếu hầu hết nhiên liệu có thể bốc cháy chỉ bằng cách tiếp xúc với không khí ở nhiệt độ thường . (Một số nhiên liệu cực kỳ dễ cháy có nhiệt độ bắt lửa thấp và do đó được lưu trữ trong các thùng chứa kín khí cách xa oxy.)
Ở nhiệt độ đánh lửa, một số nhiên liệu được chuyển thành khí dễ cháy, sau đó phản ứng với khí oxy xung quanh. Sau khi bắt đầu, ngọn lửa thường tạo ra đủ nhiệt để tự duy trì cho đến khi hết nhiên liệu hoặc oxy. Nhưng nếu nhiệt sinh ra từ quá trình đốt cháy không giữ được nhiệt độ ở hoặc trên điểm đánh lửa, ngọn lửa sẽ tắt.
Một số hóa chất gọi là chất tăng tốc có thể được sử dụng để truyền lửa nhanh hơn hoặc đốt nóng hơn. Các chất tăng tốc phổ biến là nhiên liệu dựa trên hydrocarbon, bao gồm xăng, nhiên liệu diesel , dầu hỏa, nhựa thông và butan .
Để dập lửa, người ta phải thực hiện ít nhất một trong hai điều sau: (1) Làm mát vật chất phản ứng cho đến khi nhiệt độ xuống dưới điểm đánh lửa, hoặc (2) ngăn không cho oxy (hoặc chất oxy hóa khác) tiếp xúc với nhiên liệu . Làm mát phản ứng thường được thực hiện bằng cách đổ nước lạnh vào chất cháy. Ngoài ra, người ta có thể sử dụng bình chữa cháy để phun vật liệu không cháy vào nhiên liệu, từ đó làm cắt nguồn cung cấp oxy. Một loại thay thế thứ ba loại bỏ nhiên liệu khỏi vị trí đốt cháy thường không thực tế, vì nhiên liệu có thể quá nóng hoặc khó di chuyển.
Trên Trái Đất, trọng lực xác định cách ngọn lửa bùng cháy. Tất cả các khí nóng trong ngọn lửa nóng hơn và loãng hơn nhiều so với không khí xung quanh, do đó, chúng sẽ di chuyển dần về phía áp suất thấp hơn. Đây là lý do tại sao lửa thường lan lên phía trên, và đó cũng là lý do tại sao ngọn lửa luôn có “đầu ngọn” khi cháy. Nếu bạn đã thắp sáng ngọn lửa trong một môi trường không trọng lực, ví dụ như bên trong tàu con thoi ngoài không gian, ngọn lửa sẽ tạo thành hình cầu
Sự Hình Thành Của Lửa
Lửa nóng vì năng lượng nhiệt (trong trường hợp này là nhiệt) được giải phóng khi liên kết hóa học bị phá vỡ và hình thành trong phản ứng đốt cháy. Đốt cháy biến nhiên liệu và oxy thành carbon dioxide và nước.
Năng lượng thật sự cần thiết để bắt đầu phản ứng, phá vỡ liên kết trong nhiên liệu và giữa các nguyên tử oxy, nhưng nhiều năng lượng được giải phóng khi các nguyên tử liên kết với nhau thành carbon dioxide và nước.
Nhiên liệu + Oxy + Năng lượng → Carbon Dioxide + Nước + Năng lượng nhiều hơn
Cả ánh sáng và nhiệt đều được giải phóng dưới dạng năng lượng. Ngọn lửa là bằng chứng hữu hình của năng lượng này. Ngọn lửa bao gồm chủ yếu là khí nóng.
Than hồng phát sáng vì vật chất này đủ nóng để phát ra ánh sáng sợi đốt (giống như đầu đốt bếp), trong khi ngọn lửa phát ra ánh sáng từ các khí bị ion hóa (như bóng đèn huỳnh quang).
Ánh sáng lò sưởi là một dấu hiệu rõ ràng của phản ứng đốt cháy, nhưng năng lượng nhiệt (nhiệt) cũng có thể là vô hình.
Tóm lại: Lửa nóng vì năng lượng dự trữ trong nhiên liệu được giải phóng đột ngột. Năng lượng cần thiết để bắt đầu phản ứng hóa học ít hơn nhiều so với năng lượng được giải phóng.
Điều cốt lõi: Tại sao lửa nóng?
- Lửa luôn nóng, bất kể nhiên liệu được sử dụng.
- Mặc dù quá trình đốt cháy đòi hỏi năng lượng kích hoạt (đánh lửa), nhiệt lượng tỏa ra vượt quá năng lượng cần thiết.
- Phá vỡ liên kết hóa học giữa các phân tử oxy sẽ hấp thụ năng lượng, nhưng quá trình hình thành liên kết hóa học cho các sản phẩm (carbon dioxide và nước) giải phóng nhiều năng lượng hơn.
Nhiệt Độ Của Lửa Là Bao Nhiêu
Không có nhiệt độ duy nhất cho lửa vì lượng năng lượng nhiệt được giải phóng phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm thành phần hóa học của nhiên liệu, lượng oxy có sẵn và phần ngọn lửa được đo.
Một đám cháy gỗ có thể vượt quá 1100°C, nhưng các loại gỗ khác nhau bị đốt cháy ở nhiệt độ khác nhau.
Ví dụ, gỗ thông tạo ra nhiệt lượng gấp hơn hai lần so với linh sam hoặc liễu và gỗ khô cháy nóng hơn gỗ xanh.
Propan trong không khí cháy ở nhiệt độ tương đương (1980°C), nhưng oxy cháy nóng hơn nhiều (2820°C). Các nhiên liệu khác như acetylene trong oxy (3100°C) đốt nóng hơn bất kỳ loại gỗ nào.
Màu của lửa là một thước đo sơ bộ về độ nóng của nó. Lửa đỏ sâu ở khoảng 600-800°C, vàng cam ở khoảng 1100°C, và ngọn lửa trắng vẫn nóng hơn, dao động từ 1300-1500°C.
Một ngọn lửa màu xanh là ngọn lửa nóng nhất trong tất cả, dao động từ 1400-1650°C. Ngọn lửa khí màu xanh của đầu đốt Bunsen nóng hơn nhiều so với ngọn lửa màu vàng từ một cây nến sáp!
Phần nóng nhất của ngọn lửa
Phần nóng nhất của ngọn lửa là điểm cháy tối đa, là phần màu xanh của ngọn lửa (nếu ngọn lửa đốt nóng). Tuy nhiên, hầu hết các sinh viên thực hiện các thí nghiệm khoa học được yêu cầu sử dụng đỉnh ngọn lửa.
Tại sao? Vì nhiệt tăng, nên đỉnh của ngọn lửa là điểm thu năng lượng tốt. Ngoài ra, hình nón của ngọn lửa có nhiệt độ khá phù hợp. Một cách khác để đánh giá vùng nhiệt độ cao nhất là tìm phần sáng nhất của ngọn lửa.
Để hình thành một ngọn lửa, chúng ta phải xem xét khá nhiều yếu tố
Những chất cháy khác nhau sẽ bắt lửa và cháy ở những nhiệt độ khác nhau. Chúng cần một lượng nhiệt nhất định để có thể chuyển các chất từ dạng ban đầu thành dạng hơi, và thêm lượng nhiệt nữa để có thể bắt đầu phản ứng với oxy. Lượng nhiệt cần thiết phụ thuộc vào bản chất của phân tử tạo nên loại nhiên liệu đó. Người ta thường chia thành 2 ngưỡng nhiệt độ: một là nhiệt độ đánh lửa thử nghiệm, là mức nhiệt độ cần thiết để biến nhiên liệu thành dạng khí có khả năng cháy khi gặp tia lửa điện. Và mức thứ hai, nhiệt độ đánh lửa vượt thử nghiệm, cao hơn rất nhiều so với mức một, ở nhiệt độ này, nhiên liệu sẽ lập tức cháy mà không cần đến tia lửa điện.
Kích cỡ của chất đốt cũng ảnh hưởng nhiều đến việc chúng cháy nhanh hay không. Một thân cây to sẽ có khả năng hấp thụ nhiều nhiệt hơn, sẽ cần lượng nhiệt lớn hơn để đốt cháy chúng. Ngược lại, một mẩu gỗ cỡ que diêm sẽ cháy dễ dàng vì chúng được làm nóng lên rất nhanh.
Lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy các loại nhiên liệu cũng phụ thuộc nhiều vào lượng năng lượng chúng toả ra và tốc độ cháy của chúng. Cả hai yếu tố này, đều phụ thuộc nhiều vào cấu tạo của loại chất đốt. Một vài hợp chất phản ứng với oxy rất nhanh và mạnh, chúng toả ra một lượng nhiệt lớn. Với một vài loại khác, thì lại chỉ toả ra lượng nhiệt nhỏ. Tương tự, tốc độ phản ứng của chất đốt với oxy có thể nhanh hoặc chậm, như trong ví dụ về than củi ở trên.
Hình dạng của loại chất đốt cũng làm ảnh hưởng đến tốc độ cháy. Những mảnh mỏng sẽ cháy nhanh hơn những mảnh lớn do diện tích tiếp xúc của chúng với oxy lớn hơn. Ví dụ, một mảnh gỗ dẹt, hoặc một tờ giấy sẽ cháy nhanh hơn một khối gỗ có cùng khối lượng, do mảnh gỗ và tờ giấy có diện tích tiếp xúc với không khí lớn hơn.
Và từ đó, bạn có thể thấy, lửa từ những loại nhiên liệu khác nhau, giống như những loài vật khác nhau vậy, chúng có những đặc điểm khác nhau. Dựa vào đó, các chuyên gia có thể xác định được ngọn lửa bắt nguồn như thế nào khi quan sát chúng và xem chúng ảnh hưởng sang môi trường xung quanh như thế nào. Ngọn lửa từ những loại nhiên liệu dễ cháy sẽ gây tác hại nhiều hơn so với loại nhiên liệu cháy chậm và toả ít nhiệt năng.
Vậy, cuối cùng, chúng ta kết luận được lửa không phải dạng vật chất hay dạng năng lượng thông thường, nó là quá trình oxy hóa nhanh chóng của một vật liệu trong phản ứng hóa học tỏa nhiệt, giải phóng ra nhiệt, ánh sáng, và các sản phẩm phản ứng khác. Ngoài ra, ngọn lửa là một phần biểu hiện thấy được (phát ra ánh sáng) của sự cháy. Nó tạo ra từ các phản ứng hóa học có sự tỏa nhiệt cao (cháy, phản ứng oxy hóa tự duy trì) diễn ra trong môi trường hẹp.
Ngọn lửa nóng nhất và thú vị nhất
Ngọn lửa nóng nhất từng được sản xuất là ở 4990°C. Ngọn lửa này được hình thành bằng cách sử dụng dicyanoacetylene làm nhiên liệu và ozone làm chất oxy hóa.
Cool fire (lửa mát – là những ngọn lửa có nhiệt độ cực đại dưới 400°C) cũng có thể được thực hiện.
Ví dụ, một ngọn lửa khoảng 120°C có thể được hình thành bằng cách sử dụng hỗn hợp nhiên liệu không khí quy định.
Tuy nhiên, do cool fire gần như không qua điểm sôi của nước, loại lửa này khó duy trì và dễ dàng thoát ra ngoài.
Bài viết đến đây là hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về chủ đề này thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!
