اصول و مبانی حریق

اصول و مبانی حریق

کوشش اساسی برای مقابله آتش سوزی‌های خانمانسوز، رفته رفته از چهارصد سال پیش در اروپا شروع شد. در اواسط قرن نوزدهم، ضرورت برخورد علمی با مساله آتش سوزی‌های صنعتی کاملاً احساس می‌شد. به علت آنکه ثابت شده بود که دیگر شرکتهای بیمه و واحدهای آتش نشانی به تنهایی نمی‌توانند با حریقهای خانمانسوز و صنعتی مبارزه کنند و باید به کمک دانشمندان به یک راه حل اساسی دست یافت در نتیجه، برمبنای روشهای علمی، برای حل مسئله پیچیدهُ آتش سوزی صنایع، راه حلهای مناسبی ارایه گردید. در کشورهای پیشرفته، از یافته‌های این علم برای توسعه و تکامل ادارات آتش نشانی شهری نیز استفاده شد. به خصوص با تأسیس اداراتی برای پیشگیری از بروز حریق و نظارت بر رعایت مقررات حفاظت ساختمانی در برابر حریق، ادارات آتش نشانی درسازمانی که بیشتر منتظر وقوع آتش سوزی بود تا صرفاً با آن مقابله کند، به سازمان حفاظت از حریق تبدیل شد و در نهایت منجر به ایجاد دانش تحصیلی مهندسی حفاظت از حریق در اروپا گردید. در ایران پس از حدود هشتاد سال سابقه در آتش نشانی و دوره‌های آموزشی حرفه ای آتش نشانی، برای اولین بار مدرسه آتش نشانی به همت مسئولین محترم سازمان آتش نشانی تهران تأسیس و راه اندازی شده است. دراین جزوه از سری جزوات تدوین شده جهت دبیرستان ایمنی و آتش نشانی سعی شده است که تعاریف اصول اساسی مربوط به خواص اجسام، مخصوصاً در ارتباط با آتش سوزی و اطفاء به اختصار شرح داده شود.

امپدوکلس  دانشمند یونانی در نظریه عناصر اربعه ابراز داشت که جهان از چهار ماده یا عنصر تشکیل شده و این چهار عنصر که وی آنها را ریشه همه چیز میدانست عبارت بودند از: خاک، هوا، آب و آتش .

افلاطون عقیده داشت اجسام مختلف همگی از عناصر اربعه تشکیل شده اند. آتش برای اجسام سماوی و ملکوتی، هوا برای موجودات بالدار و آب برای آبزیان و خاک.  به عقیده وی اجسام سماوی نه تنها ملکوتی بودند بلکه روح نیز داشتند. ارسطو نیز به نظریه عناصر اربعه عقیده داشت. او درخصوص این که چرا آتش همیشه رو به بالا زبانه
می‌کشد، چنین پاسخ می‌داد ” جایگاه طبیعی شعله آتش در فلکی بر فراز ماست، آتش رو به بالا زبانه می‌کشد چون می‌خواهد به سرای طبیعی خود باز گردد ” .این عقاید همچنان ادامه داشت تا اواسط قرن هفدهم که با پیشرفت علم، نظریه عناصر اربعه مردود شد. اما درک این که آتش واقعاً چیست  به قرن هفدهم و هجدهم در زمان پیدایش علم شیمی باز می‌گردد.

رابرت هوک عقیده داشت در هوا یک حلاّل وجود دارد که موجب احتراق می‌شود. او مدعی بود چون شورة باروت در آب می‌سوزد، باید دارای چیزی باشد که درهوا هم هست. جان میو در سال 1679 م، ضمن آزمایشی نشان داد که هم درتنفس و هم دراحتراق، چیزی از هوا مصرف می‌شود.

یوهان بشر اقتصاددان و شیمیدان آلمانی در سال 1669م، با چاپ کتابی به نام فیزیک زیرزمین، نتایج مطالعات خود را در زمینة شیمی فلزات وکانیها منتشر کرد. بشر تمام کانیها و فلزات را مرکب از سه کیفیت می‌دانست. ترالا پیدا یا جزء شفاف قابل تبدیل به شیشه، ترامرکورالیس یا جزء سبک و فرار و تراپینگوییس جزء آذرین، چرب و قابل احتراق . او عقیده داشت، موادی که قابل احتراق هستند تراپینگوییس دارند.

گئورگ اشتال، پزشک آلمانی نظرات بشر را دنبال کرد. او به جای ترامرکورالیس، نظریة فلوژیستون را معرفی کرد. طبق این نظریه، اجسام قابل اشتعال، فلوژیستون دارند که هنگام اشتعال، این ماده از جسم می‌گریزد.

با ابراز نظریة فلوژیستون، مطالعة احتراق و گازها همچنان توسط شیمیدانها دنبال شد.در این زمینه جوزف بلک، مهمترین پژوهش‌ها را انجام داد. بلک پزشک جوانی بود که برای بررسی برخی روشهای درمانی، آزمایش هایی را انجام می‌داد. وی ضمن یکی از این
آزمایش‌ها دریافت، هوا یک ماده واحد نیست، بلکه از بیش از یک ماده تشکیل می‌شود. او این نظریه خود را در سال 1756 منتشر کرد.

هنری کاوندیش، پژوهش هایی انجام داد تا مواد تشکیل دهندة هوا را شناسایی کند. او دریافت که از تأثیر اسید بر روی فلز، هوای قابل اشتعال آزاد می‌شود و نتیجه گرفت که این هوا از خود فلز سرچشمه می‌گیرد.

کاوندیش در سال 1766م، ضمن انتشار نتایج پژوهش‌های خود، این هوا را هوای قابل اشتعال نامید، در واقع برمبنای نتایج او سه نوع هوا وجود داشت هوا، هوای ثابت وهوای قابل اشتعال، جوزف پریستلی برای پیگیری این موضوع دست به انجام آزمایش‌های مختلفی زد. وی ضمن این آزمایش ها، هواهای مختلف، از جمله هوای شوره ای، هوای فلوژیستونی، هوای اسیدی وهفت هوای دیگر را فراهم کرد. او ضمن آزمایش‌های دیگری دریافت که در اثر تنفس، از حجم هوا به میزان یک پنجم کاسته می‌شود. همچنین وی کشف کرد که گیاهان می‌توانند هوایی را که یک موش تنفس کرده و یا هوایی را که سوختن یک شمع تغییر داده، احیاء کنند.

وی در سال 1774م، با استفاده از نور آفتاب که توسط یک ذره بین متمرکز شده بود، اکسید قرمز جیوه را حرارت داد. در نتیجه هوایی بی رنگ به دست آورد، که گرچه در آب حل نمی‌شد ولی شمع در آن با درخشش بسیاری می‌سوخت. این را می‌توان مهمترین کشف پریستلی نامید. او این هوا را هوای بی فلوژیستون شده نامید. در سال 1781 م، او مخلوطی از هوای قابل اشتعال و هوای بی فلوژیستون شده را در یک بطری با جرقه ای منفجر ساخت و در نتیجة این کار شبنم به دست آورد. در این مورد او فقط اظهار داشت که « هوای معمولی وقتی فلوژیستون می‌شود، رطوبتش را نگه می‌دارد ».

بعدها کاوندیش این آزمایش را تکرار کرد و متوجه شد شبنم، همان آب خالص است، بر این مبنا نتیجه گرفت که هوای بی فلوژیستون شده  در واقع چیزی به جز آب بی فلوژیستون شده نیست. اکنون، رابطه ای میان آب و اجزای هوا پیدا شده بود، اما تصویر کلی هنوز مبهم بود .

لازم به تذکر است، قبلاً در سال1772 م، یک داروساز سوئدی به نام کارل شیل مدعی شده بود که هوا دو نوع می‌باشد. یک نوع که به احتراق کمک می‌کند ( هوای محرق) و نوع دیگر که از احتراق جلوگیری می‌کند. نتایج کار شیل تا سال 1777 و ترجمة انگلیسی آن تا سال 1780 م منتشر نشد.

به هرحال، سرانجام این لاوازیه بود که می‌بایست مسأله را حل کند. آنتوان لوران لاوازیه ابتدا با کوشش فکری بسیار نظریة فلوژیستون را  مردود شناخت و به دور افکند. سپس کشف کرد هوا  مرکب از لااقل دو گاز با اوزان متفاوت است. وی درسال 1779م ادعا کرد قسمت قابل احتراق هوا، جزء متشکلة همه اسیدها است. او این گاز را اکسیژن، ترکیب آن را بااجسام اکسید و این فرآیند را اکسیداسیون نامید.

با این کشف، فرآیند اشتعال یا احتراق نیز مشخص شد. در این فرآیند، اکسیژن بسرعت با مادة سوختنی ترکیب می‌شود. در واقع تفاوت بین اشتعال و اکسیداسیون ( مثل زنگ زدگی فلزات)، همین سرعت واکنش می‌باشد.

اشتعال ناخواسته و یا خارج از کنترل، آتش سوزی یا حریق نامیده می‌شود، برای ایجاد آتش سوزی، سه عامل اصلی مورد نیاز می‌باشد.

1- مادة قابل اشتعال ( سوخت)،

2- حجم معینی از اکسیژن،

 
  

3- حرارت کافی، در علم آتش نشانی این سه عامل را به صورت سه ضلع یک مثلث نشان می‌دهند که به مثلث آتش معروف است.

مثلث آتش نه تنها عوامل ایجاد آتش را نشان می‌دهد، بلکه راههای فرونشاندن آن را نیز مشخص می‌کند. به بیان روشنتر، چنانچه هر یک از اضلاع مثلث آتش شکسته شود ( یک عامل حذف گردد)، حریق از بین خواهد رفت. براین مبنا، سه روش اصلی و اساسی  آتش نشانی ابداع گردید. این روشها عبارتند از: محدود کردن سوخت ( جداسازی )، محدود کردن اکسیژن ( خفه کردن ) و محدود کردن حرارت ( سرد کردن ) با گذشت زمان تئوری مثلث آتش دستخوش دگرگونی‌های زیادی شد به صورتی که اکنون علاوه بر تئوری مثلث آتش، تئوریهای دیگری مانند مربع آتش، هرم آتش و پنج ضلعی آتش وجود دارند.

احتراق :

عبارت است از ترکیب یک ماده قابل سوخت با اکسیژن و در نتیجه مقداری از مولکولها به مولکولهای دیگر و اتمهای سازنده خود تبدیل می‌گردند و درحقیقت احتراق یک واکنش اکسیداسیون حرارت زا می‌باشد که به واکنشهای زنجیره ای معروف می‌باشد.

شعله:

یک واکنش احتراقی است که حرارت و نور را به محیط اطـراف انتشـار می‌دهد. مـاهیت واقعـی انتشار شعله کاملاً درک نشده است. شعله‌ها ساختارهای متغیر و گوناگونی دارند که به نوع گاز یا بخاری که می‌سوزد بستگی دارد. مناطق مختلف شعله، غالباً به وسیله نوعی از واکنشها که در هر منطقه ادامه دارد مشخص می‌شوند. اغلب شعله‌ها نیازمند اکسیژن هستند.

شعله وری : یک مخلوط  سوختنی اکسیدی که انرژی کافی آزاد می‌کند واجازه        می دهدکه شعله به ناحیه آتش نگرفته گسترش یابد شعله وری نامیده می‌شود.

درجه حرارت اشتعال :

الف) نقطه شعله زنی : عبارت از درجه حرارتی است که آن جسم بخارات کافی جهت تشکیل یـک مخلوط قابل اشتعال با هوا در سطح خود تولید کند و در صورت وجود منبع آتش زنه برای یک لحظه شعله موقت ایجاد شده، ولی ادامه و گسترش نخواهد داشت.

توجه: نقطه شعله زنی مختص مایعات و برخی جامدات که حالت تصعید دارند مثل نفتالین می‌باشد.

 

ب) نقطه آتش :

      پایین‌ترین درجه حرارتی که یک سوخت تولید بخارات کافی جهت اشتعال و ادامه اشتعال بنماید را نقطه ‌آتش گویند. نقطه آتش معمولاً چند درجه حرارت بالاتر از نقطه     شعله زنی است. در تعریفی دیگر، نقطه آتش عبارت است از پایین‌ترین درجه حرارت، به گونه ای که حرارت ایجاد شده از احتراق بخار مشتعل، توان تولید بخار کافی جهت ادامه احتراق داشته باشد. 

ج ) درجه حرارت خود سوزی :

پایین‌ترین درجه حرارتی است که در آن ماده به خودی خود مشتعل می‌شود. یعنی ماده بدون نزدیک شدن به شعله یا منبع دیگر جرقه زنی، خود به خود خواهد سوخت و این بدان معنا است که در شرایطی خاص بعضی از مواد به خودی خود ایجاد حریق می‌نمایند.

د ) احتراق خودبخود «خودسوزی» :

برخی از مواد خصوصاً مواد آلی که ریشه کربنی دارند ممکن است در درجه حرارت محیط با اکسیژن واکنش نشان دهند، ترکیباتی مانند روغن بزرک که دارای پیوندهای مضاعف کربن ـ کربن هستند برای این نوع واکنش بسیار مستعد هستند. اگر ماده سوختنی عایق خوبی برای حرارت باشد، حرارت ایجاد شده در چنین واکنشی نمی‌تواند از آن خارج شده و جذب محیط اطراف می‌شود و در نتیجه درجه حرارت ماده بالا می‌رود و واکنش بیشتر می‌شود و این عمل ادامه  می‌یابد تا زمانی که درجه حرارت آن به درجه حرارت افروزش  و اشتعال برسد و در نتیجه احتراق واقعی صورت پذیرد. تاُثیر باکتری روی بعضی مواد آلی              سبب افزایش درجه حرارت آنها می‌شود و برخی مواقع احتراق صورت می‌گیرد. احتراق در روغن هایی که در صنعت نساجی به کار می‌روند یا در انبارهای علوفه و زغال که بدیهی است عایق حرارتی عامل مهمی در این نوع احتراق می‌باشد. حلقه اتصال عرضی اتمها  Linking  Cross خصوصاً در پلاستیک درمولکولهای جسم مرکب که در برخی پلاستیکها موجود است می‌تواند منجر به شعله وری خودبخود گردد.

درجه حرارت اشتعال به عوامل زیر بستگی دارد :

الف - درصد بخارات تولید شده از ماده قابل اشتعال در محیط ( فشار بخار) .

ب - مقدار درصد اکسیژن موجود در محیط.

ج - نوع منبع آتش زنه و مدت زمانی که جسم قابل اشتعال در مجاورت آن منبع قرار داشته است .

د - شکل و حجم محلی که بخارات در آن قرار دارد( فشار محیط ) .

هـ وجود کاتالیزور واکنش در محیط ( تسربع کننده و کند کننده) .

حدود اشتعال یا انفجار

گاز یا بخار قابل اشتعال در هوا در صورتی که ترکیب آنها در  حد معینی قرار بگیرد خواهد سوخت، یعنی زمانی که یک گاز یا بخار مشتعل می‌گردد که با هوای کافی مخلوط شده و نسبت قابل اشتعال یا انفجار را بوجود آورده باشد.  این قابلیت بستگی به درصد اختلاط آن با هوا دارد. اگر سوخت خیلی زیاد یا خیلی کم باشد افروزش یا انفجار انجام نخواهد شد و در این صورت گفته می‌شود که مخلوط پایین‌تر یا بالاتر از حدود اشتعال یا انفجار خود است و این حدود را بالاترین و پایین‌ترین حد قابلیت اشتعال می‌نامند. پایین‌ترین حد اشتعال یا انفجار عبارت است از کمترین حد تراکم که باعث شعله یا انفجار گردد و همچنین بالاترین حد اشتعال عبارت است از بیشترین حد تراکم ( بالاترین حد تراکم گاز یا بخار ) که باعث ایجاد شعله یا انفجار گردد.

مراحل احتراق :

مراحل احتراق یا چگونگی سوختن یک ماده همیشه یکسان ویک شکل نیست.
سوختهای مختلف نیز هر یک با مشخصاتی خاص بر توسعه حریق اثر می‌کنند اما وضـع درجه حرارت نسبت به زمان همواره به این شکل است که از نقطه اشتعال آغاز می‌شود، به تدریج تحت شرایطی بالا می‌رود، با رسیدن به حد نهایی غالباً تا حدودی ثابت می‌ماند و پس از کم شدن مقدار سوخت، سیر نزولی را طی می‌کند.

مهم اینجاست که بالارفتن درجه حرارت به مقدار سوخت بستگی ندارد و تابع شرایط فیزیکی و شیمیایی آن است.

در شکل زیر مراحل مختلف احتراق مربوط به نمونه سوختی مشخص در یک حریق آزمایش توسط منحنی زمان درجه حرارت نشان داده شده است.

مرحله ای که آتش رشد می‌یابد مقطعی حساس است و از لحاظ بکارگیری اقدامات موثر مبارزه با حریق اهمیت اساسی دارد. باید بتوان خیلی زود از وجود آتش مطلع شد تا زمان مورد نیاز برای فرار اشخاص و فعالیت مأموران آتش نشانی هدر نرود.

مرحله 1ـ اشتعال اولیه : در این لحظه آتش بروز کرده است.

مرحله 2ـ رشد آتش : این مرحله از چند دقیقه تا چند ساعت ممکن است متفاوت باشد در اوایل این مرحله معمولاً سوخت  کند می‌سوزد وتولید دود وگاز می‌کند.

مرحله 3ـ پیشروی شعله : در این مرحله آتش به اغلب مواد سوختنی سرایت کرده و درجه حرارت سریعاً افزایش می‌یابد.

مرحله4 ـ اوج احتراق : آتش به حداکثر شدت خود رسیده و مواد سوختنی براحتی در حال احتراق هستند.

مرحله 5 ـ پس نشینی : سوخت کاهش یافته و درحال از بین رفتن می‌باشد، حجم آتش کم کم کاهش می‌یابد.

مرحله 6ـ نیمه سوختن و دود کردن: زنجیره واکنشهای خودکار احتراق در حال از هم گسیختن است.

 
  

مرحله 7 ـ خاموشی: در این لحظه آتش خاموش شده است.

                                                  Back  draught بک درفت

در یک محیط بسته که آتش وجود دارد بعد از مدت زمانی به علت بسته بودن دربها و پنجره‌ها اکسیژن مورد نیاز برای سوختن کاهش می‌یابد و در نتیجه ناقص سوزی سوخت آغاز می‌شود. حتی ممکن است در اثر کمبود اکسیژن شعله آتش خاموش شده و کند سوزی ادامه پیدا نماید و مواد نیم سوز می‌تواند محیط را به طور خطرناکی با بخارات و گازهای قابل اشتعال پرکند و با رسیدن هوای کافی ( مثلاً به واسطه باز شدن یک درب )، بخارات و گازهای قابل اشتعال داغ دچار آتش سوزی ناگهانی و یا حتی انفجار می‌شوند. گاهی اوقات یک گوی آتشین از محل ورود هوا به اتاق به بیرون می‌آید و این به ویژه برای مأموران آتش نشانی که اتاقها را برای نجات بازماندگان مورد بازرسی قرار می‌دهند بسیار خطرناک است.  از این رو باید قبل از ورود به اتاق‌های بسته، آنها را به شکل کنترل شده ای تهویه نمود.

فلاش آور     Flash Over

شعله ورشدن یا گر گرفتن به مرحله ای گفته می‌شود که آتش با یک حرکت سریع و همه جانبه تمامی مواد سوختنی و فضا را یکپارچه مشتعل می‌کند. ابتدا بخارات حاصل از سوخت در نزدیکی سطحی که متصاعد شده اند می‌سوزند و در این فاصله به طور عادی مقدار هوای دسترس بیش از مقدار مورد نیاز است. در این زمان عامل کنترل کننده سرعت احتراق، مساحت سطح ماده سوختی است. تداوم دوره رشد به عوامل متعددی بستگی دارد، اما لحظه بحرانی وقتی فرا می‌رسد که شعله‌های آتش به سقف برسند. با گسترش آتش به سطح زیر سقف، مساحتی که دچار آتش سوزی شده است به مقدار زیادی افزایش می‌یابد. در نتیجه تابش حرارت  به طرف سطح مواد قابل احتراق به طور محسوسی افزایش می‌یابد در یک اتاق معمولی، با مبلمان و دکوراسیون معمولی این اتفاق در دماهای حدود 550 درجه سانتیگراد رخ می‌دهد. در اینجا باقیمانده مواد سوختی به سرعت به دمای آتش خود رسیده و ظرف        3-4 ثانیه مشتعل می‌شوند.

بلوی   BLEVE   

انفجار ناشی از افزایش فشار بخار حاصل از جوشیدن مایع :

 یکی از عمده‌ترین انفجارات که در این گروه قرار دارد انفجار در اثر ازدیاد فشار ناشی از افزایش فشار بخار حاصل از جوشیدن مایع می‌باشد و این انفجارات بنام
 BLEVE  =  Boiling   liquid  Expanding  Vapor  Explosion می‌باشد. این نوع انفجار از
عمده‌ترین انفجارات مخازن بوده که سبب دو یا چند تکه شدن مخزن مایع در یک لحظه
می‌شود. انفجار این مخازن زمانی صورت می‌گیرد که درجه حرارت مایع داخل مخزن به بالاتر  از نقطه جوش خود ( در فشار اتمسفر) برسد. بیشتر انفجارات BLEVE متوجه مخـازن گازمایع(LP-Gas ) می‌باشد که اکثر این مخازن در اثر حریقها به علت جذب حرارت و وقوع عمل فوق منفجر می‌شوند. همزمان با ازدیاد فشار، در اثر حرارت، بدنه مخازن نیز ضعیف‌تر شده و عمل انفجار صورت می‌گیرد. البته این انفجارات فقط مختص به مخازن محتوی مایع یا گاز قابل اشتعال نبوده بلکه دیگهای بخار در اثر کارنکردن سوپاپ اطمینان یا تحت فشار بیش از حد قرار گرفتن و یا حرارت بیش از اندازه دیدن و همچنین انتخاب نامناسب دیگ از نظر گنجایش سبب چنین حالتی از انفجار می‌شود. چون در  این سیستمها عمل تخلیه ماده محتوی مخزن به هنگام ازدیاد فشار داخلی، فیزیکی می‌باشد بنابراین اگر محتویات درون مخزن      قابل اشتعال باشد عمل احتراق و تولید حرارت نیز در اثر آزاد شدن این مواد وجود خواهد داشت و این عمل اشتعال پدیده دوم از BLEVE می‌باشد.

اگرچه اکثر BLEVE شامل ضعیف شدن مخازن در نتیجه قرار گرفتن در معرض شعله است ولی تعداد کمی از این انفجارات در نتیجه عوامل دیگر از قبیل خوردگی یا نیروهای حاصل از ضربه است. ضعیف شدن دراثر برخورد به خصوص در رابطه با تصادفات به هنگام حمل و نقل، از قبیل حمل بوسیله تانکرهای راه آهن و وسایل نقلیه درجاده‌ها می‌باشد، در این حالتها بلوی توأم با ضربه است. بزرگی بلوی اساساً بستگی به مقدار تبخیر مایع رها شده از مخزن و وزن قطعات مخزن دارد، این عمل پرتاب قطعات در بسیاری موارد همانند عملکرد موشکها به هنگام پرتاب به جلو می‌باشد. اکثر انفجارات بلوی گاز مایع هنگامی به وجود
می‌آید که ازحداقل مقداری کمتر از نصف تا حدود 75 درصد از مقدار حداکثر مجاز بارگیری مخزن، مایع در داخل مخزن وجود داشته باشد. زمان بین شروع تماس شعله و وقوع بلوی متغیر می‌باشد زیرا این زمان بستگی به فاکتورهای مختلف از قبیل اندازه، ماهیت شعله و خود مخزن دارد.

اختلاف گاز و بخار قابل اشتعال :

 بخار، ذرات جدا شده از سطح جامد یا مایع می‌باشد و برای مایع کردن آن فقط افزایش فشار کافی است. اما برای مایع کردن گاز همراه افزایش فشار، کاهش دما نیز لازم می‌باشد.

 

گرمای احتراق : گرمایی است که در اثر سوختن یک گرم از جسم تولید می‌گردد.

فشار بخار : فشار اعمال شده به وسیله بخارات مولکولهای جدا شده از سطح مایع یا جامد در نقطه تعادل، فشار بخار نامیده می‌شود.

دمای بحرانی : برای هر گاز یا بخار دمایی وجود دارد که بالاتر از آن یک گاز یا بخار را
نمی‌توان تنها با فشار به مایع تبدیل نمود. بالاتر از دمای بحرانی حرکت مولکولها به قدری شدید است که نیروهای بین مولکولی نمی‌تواند مولکول را مایع نگهدارد.

فشار بحرانی : فشار لازم جهت مایع نمودن گاز یا بخار در درجه حرارت بحرانی را گویند .

نقطه جوش : دمایی است که فشار بخار برابر فشار جو گردد.

سوختن : واکنشهای خود پیش رونده گرما زا .

امروزه بیش از 90% انرژی مصرفی جهان از راه احتراق فراهم می‌شود. پدیده‌های احتراق، از برهم کنش فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی ناشی می‌شوند. هر واکنش احتراقی دو سازنده دارد یکی سوخت و دیگری اکسنده نام دارد. مولکولهای سوخت در اثر تشعشعات انرژی حرارتی شکسته شده و با اکسیژن ترکیب می‌گردند. تشکیل مولکولهای جدید کوچکتر باعث آزاد شدن انرژی بصورت نور وگرما می‌شود که این انرژی، خود انرژی اولیه شکست مولکولهای بعدی سوخت و در نهایت ادامه آتش سوزی می‌گردد.

سوخن سه نوع است :

الف - سوختن آرام :

 در ظرف بسته ای که در آن مواد سوختی و اکسیژن پیش آمیخته در حالت گازی به آرامی گرم شوند. چنانچه دمای سیستم از اندازه معینی بالاتر نرود. گرمای آزاد شده در واکنش شیمیایی از راه دیواره‌های ظرف هدر می‌رود تا به پایان برسد. این نوع احتراق فقط برای شیمیدانان جالب است.

ب -  سوختن سرعت متوسط :

 با گذشتن دما از یک حد بحرانی معینی، سرعت واکنشها و آزاد شدن انرژی در واکنش شیمیایی، از سرعت هدر رفتن گرما بیشتر می‌شود لذا در محیط نور و حرارت خواهیم داشت.

 

ج -  سوختن با سرعت تند:

 اگر در کسری از ثانیه مولکولهای سوخت که بصورت گازی یا بخار با اکسیژن مخلوط
شده اند بصورت یکنواخت واکنش دهند که ایجاد نور، حرارت و تراک نماید انفجار گویند. این نوع انفجار را انفجار ناشی از احتراق گویند.

تعریف سوختن ( با شعله ـ  بی شعله )

سوختن اکثر مواد یک واکنش اکسیداسیون حرارت زا ( اگزوترمیک ) بوده و انرژی حاصل از واکنش بصورت گرما آزاد شده که شامل ترکیبات تشعشـع کننــده و             هـدایت کننـده ( گازهای داغ) می‌باشد. اگر انرژی آزاد شده از ترکیبات تشعشع کننده در طیف مرثی قرار داشته باشد شعله خواهیم داشت و به بیان دیگر عمل احتراق وقتی با شعله همراه است که واکنش اکسیداسیون سریع باشد و همچنین عنصری که با اکسیژن ترکیب      می‌شود به بخار تبدیل شده  باشد و در غیر این صورت شعله نخواهیم  داشت.

همچنین پدیده درخشندگی ممکن است به عنوان شعله سرد (cold  Flame) تلقی گردد و این عمل درحرارتهای پایین صورت می‌پذیرد. مثال اکسیداسیون فسفر زرد را می‌توان ذکر کرد و همچنین اگر کمی اتر را برروی صفحه آهنی داغ بریزیم عمل اشتعال صورت نگرفته، بلکه پرتو افکنی سبز رنگ در اتاق مشهود خواهد بود.

احتراق کامل و ناقص 

احتراق کامل هنگامی است که تمام عناصر موجود درسوخت به بالاترین حد اکسیداسیون خود برسند ولی اگر مقداری از مواد قابل اکسید شدن در سوخت باقی بماند یا همراه دود برده شوند احتراق ناقص صورت گرفته است و در این حالت مقداری انرژی تلف شده است. 

گرمای حاصل از واکنش اول تقریباً چهار برابر گرمای حاصل از واکنش دوم می‌باشد.

در صورتی که به خواهیم احتراق کامل صورت پذیرد شرایط زیر باید فراهم باشد:

  1. اکسیژن به مقدار کافی جهت سوختن موجود باشد. برای سوختن کامل باید مقدار هوای موجود بیش از هوای لازم تئوری باشد و این مقدار اضافی برای سوختهای مختلف متفاوت بوده و بستگی به نوع و جنس و ابعاد سوخت دارد . جهت سوختهای جامد مقدار هوای اضافی لازم 40 تا 50 درصد، برای سوختهای مایع 8 تا 15 درصد و برای سوختهای گازی صفر تا 5 درصد است.
  2.  ماده قابل سوخت باید به خوبی با اکسیژن مخلوط گردد. گازها و بخارات با هوا به خوبی مخلوط می‌شوند و به همین علت اگر شعله ای را به گاز و هوا نزدیک کنیم احتمال دارد تمام مخلوط مشتعل یا منفجر گردد.

مایعات به آسانی گازها محترق نمی‌شوند، زیرا هوا نمی‌تواند در ذرات آنها کاملاً نفوذ نماید، ولی اگر مایع را در اثر فشار به صورت پودر درآوریم با هوا مخلوط شده و مانند گازها به خوبی می‌سوزد.

اجسام جامد فقط درحالتی به سهولت محترق می‌شوند که به صورت قطعات کوچک باشند، یعنی سطح‌های آنها با اکسیژن هوا بیشتر باشد و اگر سوخت جامد را به صورت پودر درآورده و با فشار در هوا پخش کنیم احتراق به راحتی انجام می‌شود، چنانچه شمش آلومینیم یا روی و دیگر فلزات به راحتی آتش نمی‌گیرند درصورتی که پودر این فلزات براحتی قابل اشتعال می‌باشد. انفجار سیلوهای گندم نمونه ای از این موارد است.

2-4- ارتفاع شعله

ارتفاع شعله تابع مقدار تولید مولکول آزاد از سطح ماده سوخت می‌باشد. هر چه مقدار تولید بیشتر و سریعتر صورت گیرد مولکولها ناچار باید مسافت بیشتری طی کنند تا خود را به اکسیژن هوا برسانند، لذا ارتفاع شعله بالا می‌رود. در سوختهای مایع این میزان بسیار زیاد است. در چوب کمتر و درذغال به حداقل می‌رسد و در فلزات غیر محسوس است.

مساله تهیه هوا یا اکسیژن باعث می‌شود تا ماده قابل احتراق و فرار برای تهیه اکسیژن به مناطقی دور از منبع خود زبانه بکشد که در نتیجه سبب تشکیل شعله ای بلند می‌گردد.

2-5- مثلث آتش سوزی

آتش نتیجه یک واکنش شیمیایی است که از ترکیب اکسیژن، حرارت و یک ماده قابل اشتعال بدست می‌آید. بدین طریق که اکسیژن با کربن اجسام ترکیب شده و تولید دی اکسید کربن  (co2)و گاهی هم تولید منواکسید کربن co نموده و در اثر این فعل و انفعال شعله و حرارت تولید می‌نماید.

امروزه درتمام دنیای متمدن جهت تبادل اطلاعات و افکار در خصوص مسائل آتش نشانی رابطه کامل موجود است و آرم مخصوص آتش نشانی که عبارت از یک مثلث می‌باشد برای

 
  

کلیه آتش نشانی‌های دنیا شناخته شده و تقریباً بصورت آرم بین المللی در آمده است. چنانچه سه عامل اکسیژن، حرارت و ماده سوختنی را در کنار یکدیگر قرار دهیم مثلثی پدید
می‌آید که آن را مثلث آتش گویند.

حالت جامد، مایع و گاز موجود می‌باشد و معمولاً سوختن هر ماده قابل اشتعال با شعله همراه است و شعله نیز در اثر سوختن یک گاز یا بخار قابل اشتعال بوجود می‌آید. بنابراین کلیه مواد قابل اشتعال درحالات مایع و جامد
می‌بـایست بـا دریـافت حـرارت بـه گاز قـابل اشتعال تبدیل شوند تا احتراق حاصل شود و آتش سوزی ادامه پیدا نماید.

طرق اطفاء یا خاموش کردن آتش :

هرگاه یکی از سه عاملی را که تشکیل دهنده مثلث آتش بوده و ضروری برای انجام عمل احتراق می‌باشد را از میان برداریم مثلث آتش ناقص شده و فرو می‌ریزد وعمل احتراق متوقف خواهد شد. این عمل را می‌توانیم با برداشتن ( قطع) مواد قابل اشتعال
( ماده سوختنی) یعنی جلوگیری از تغذیه حریق و یا جلوگیری از رسیدن اکسیژن کافی به آتش با استفاده از گازهای خنثی و یا تقلیل درجه حرارت با استفاده ازعوامل خنک کننده (آب)
انجام دهیم که در هر سه صورت آتش سوزی کنترل و متوقف خواهد شد.

پس با توجه به مطالب فوق نتیجه می‌گیریم که به چهار روش  می‌توان آتش سوزی را خاموش نمود.:

2-6-1-  تقلیل درجه حرارت به وسیله سرد کردن.

2-6-2- کاهش درصد اکسیژن به وسیله گازهای خنثی.

2-6-3- قطع یا دور ساختن مواد سوختنی به وسیله جداسازی.

2-6-4- قطع واکنشهای زنجیره ای سوختن.

 

2-6-1- تقلیل درجه حرارت بوسیله سرد کردن :

حرارت یکی از صورتهای مختلف انرژی در طبیعت است و به کمک آب یا         خاموش کننده‌های سرمازا، می‌توان سوخت را سرد نمود و از بوجود آمدن گازهای قابل اشتعال جلوگیری کرد و آنچه که از حرارت باید بدانیم بشرح زیر می‌باشد.

الف) درجه حرارت :

کمیتی است که برای اندازه گیری اثر حرارت بکار برده می‌شود و با واحدهای مختلف سانتیگراد فارنهایت  اندازه گیری می‌شود.

در مقیاس سانتیگراد، آب درصفر درجه یخ می‌زند و در صد درجه بجوش می‌آید. در مقیاس فارنهایت آب در 32+ درجه یخ می‌زند و در 212 درجه بجوش می‌آید.

ب) واحدهای حرارت :

کالری CAL : مقدار حرارتی است که بتواند درجه حرارت یک گرم آب را یک درجه سانتیگراد افزایش دهد.

بی تویو Btu : مقدار حرارتی است که درجه حرارت یک پوند ( g 453 ) آب را یک درجه فارنهایت بالا ببرد.

Cal          252 = Btu

Kcal        252/0 =Btu

ج : درجه حرارت خودبخود سوزی

هرگاه جسمی را حرارت دهیم ( بطور مستقیم یا غیر مستقیم ) درجه حرارت جسم مرتباً
بالا می‌رود تا جایی که حرارت به اندازه ای خواهد رسید که جسم خودبخود آتش می‌گیرد.

اگر در این حال حرارت جسم اندازه گرفته شود مقدار و اندازه حرارت مشخصی برای آن جسم بدست می‌آید. بطور مثال درجه خودبخود سوزی اتر 356 و روغن موتور 700 درجه فارنهایت می‌باشد.

 

خواص آب بصورت اسپری :

الف - حرارت را از مواد مشتعل می‌گیرد ( قدرت بالای جذب حرارت دارد وحرارت جسم را زیر نقطه اشتعال می‌آورد) .

ب - از برخاستن بخارات قابل اشتعال جلوگیری می‌نماید.

ج - بخارهای آب از انتقال تشعشعی حرارت جلوگیری می‌کند.

د - آب پس از تبخیر 1700 برابر شده  و غلظت  را کاهش می‌دهد.

معایب آب :

الف - آب سنگین است وحمل و نقل آن هزینه بر می‌باشد .

ب - آب هادی برق است و در آتش سوزی گروه E وD  کارایی ندارد.

ج - با بعضی مواد واکنش حرارت زا و انفجاری دارد، مثل کاربید که تولید میکند.

د - بعلت سنگینی در مایعات قابل اشتعال فرو می‌رود.

هـ - آب پرفشار به اماکن و تجهیزات خسارت وارد می‌کند.

و - در بعضی مایعات قابل اشتعال مثل الکل حل می‌شود.

چون اکسیژن عامل اصلی ادامه آتش است لذا دور نمودن هوا از صحنه عملیات یعنی  دور ساختن اکسیژن از آن صحنه، نتیجه اش خاموش شدن آتش است، این عمل بطرق مختلف انجام می‌گیرد که به شرح زیر می‌باشد:

2-6-2- کاهش درصد هوا  ( اکسیژن )

هوا ترکیبی از اکسیژن، نیتروژن و مقداری گازهای  دیگر نظیر دی اکسید کربن، منواکسیدکربن، آرگون، بخار آب و ذرات معلق در هوا و ...  می‌باشد .

مقدار اکسیژن موجود در هوا 21 % و نیتروژن 78 % و گازهای دیگر 1 % می‌باشد . نقش نیتروژن در هوا رقیق نمودن اکسیژن است، با یک آزمایش این نقش به خوبی مشهود می‌شود .

اگر شیشه ای پر از اکسیژن داشته باشیم و کبریتی را که شعله آتش آن خاموش شده باشد در آن داخل کنیم فوراً آتش می‌گیرد، در صورتی که همین کبریت در هوای معمولی خاموش
می‌شود. بدین طریق مشخص می‌شود که نقش نیتروژن همان کاهش درصد اکسیژن
می‌باشد. از این خاصیت برای پیشگیری از برخی آتش سوزی‌ها استفاده می‌شود .

 

الف) جایگزین کردن گازهای سنگین‌تر از هوا

در این طریقه از گازهای سنگین مختلف که درسیلندرهای مخصوصی حاضر بکارند و یا بوسیله مایعاتی که در اثر برخورد با آتش یا حرارت محیط به گاز تبدیل می‌شوند
( مواد هالوژنه) استفاده می‌نمایند.

گازهای مصرفی بین 5/1 تا حدود 5 برابر از هوا سنگین‌تر بوده و پس از ریخته شدن بر روی آتش، چون از هوا سنگین‌تر می‌باشند جانشین هوا شده و از تماس هوا با آتش جلوگیری می‌نمایند. مهمترین این گازها عبارتند از:

Co2 که درحدود 5/1 برابر هوا وزن دارد و در سیلندرهایی با وزنهای مختلف حاضر بکار می‌باشند. گاز تتراکلرید کربن CCL4 و دی برمومتان  و دیگر مواد هالوژنه از این دسته گازها می‌باشند.

ب) ایجاد یک لایه عایق بین هوا و آتش

در این روش از کف مخصوصی که بتواند درمقابل آتش سوزی مقاومت نماید استفاده
می‌شود. در این طریق کف مصرفی ایجاد لایهُ عایق بین هوا و آتش نموده و از رسیدن اکسیژن موجود در هوا به بخارات قابل اشتعال ( متصاعد شده ) جلوگیری می‌کند . درضمن عمل خنک کردن را نیز انجام می‌دهد.

3- قطع یا دور ساختن مواد سوختنی :

چنانچه ماده قابل اشتعال در مجاورت هوا و حرارت نباشد آتش سوزی اتفاق نخواهد افتاد، چون شرط اول یعنی مجاور نبودن با هوا تقریباً غیر ممکن است لذا معمولاً سعی
می‌شود ماده قابل اشتعال را از مجاورت با آتش دور نمایند. در بعضی از آتش سوزیها مانند حریق گازها و مایعات قابل اشتعال، بهترین روش قطع یا دور نمودن مواد سوختنی است،
مثلاً اگر یک کپسول گاز آتش بگیرد در مرحله اول بهتر است که شیر آن را ببندیم و جریان گاز را قطع کنیم و سپس جهت ایمنی اقدام به خنک نمودن آن کنیم.

اگر در محلی با آتش سوزی مواجه شدیم و هیچ وسیله اطفایی نداشتیم حداقل این کار را می‌توانیم انجام دهیم که وسایلی را که آتش نگرفته است را از محل دور کنیم.

براساس استانداردهای بین المللی جهت جداسازی یا قطع سوخت می‌توان از یکی از سه روش زیر استفاده کرد:

الف : دور کردن ( جدا کردن ) ماده سوختنی از شعله

ب : دور کردن ( جدا کردن ) شعله از ماده سوختنی

ج : ایجاد فاصله یا عایق بین ماده سوختنی و شعله ( حرارت )

 

4- قطع واکنشهای زنجیره ای سوختن :

اطفاء نمودن بوسیله خنک نمودن ( سرد کردن )، رقیق کردن اکسیژن و جابجایی و انتقال ماده قابل سوخت روشی است که جهت اطفاء انواع حریقها مدل شعله ای یا بدون شعله قابل اجراء است. اطفاء بوسیله مواد شیمیایی بازدارنده فقط جهت مدل شعله ای کاربرد دارد، این روش هنوز بطور کامل تشریح نشده است و موضوعی است که هنوز تحقیق درمورد مکانیزم عمل آن ادامه دارد. ارزش بارز این روش سرعت فوق العاده و تأثیر زیاد آن در اطفاء حریق است.

البته جالب است بدانید که با استفاده از این روش می‌توان از عمل انفجار مخلوط گاز و هوا و یا گاز و اکسیژن جلوگیری نمود.

چگونگی واکنشهای زنجیره ای سوختن سیستم قابل احتراق هیدروژن، اکسیژن را مورد بررسی قرار می‌دهیم :

ـ آغازگر واکنش تبدیل هر مولکول هیدروژن به دو اتم هیدروژن می‌باشد ( H * فعال) و اتم هیدروژن فعال با مولکول اکسیژن وارد عمل شده تا تولید OH* فعال و O* فعال نماید.

 

توجه داشته باشید که بعضی از اتمهای فعال محصول واکنش و یک سری در واکنشهای دیگر شرکت نموده و مصرف می‌شوند و بعضی دیگر نیز تواماً هر دو نقش را دارند. بنابراین مواد مذکور را می‌توان حاملین زنجیره نامید.

طبق بررسی‌های اخیر نتیجه گیری شده است ک سرعت یا تندی شعله بستگی به غلظت OH*  فعال و همچنین فشار محیط واکنش دارد. برای مثال برای شعله هیدروژن ـ اکسیژن سرعت شعله 16 اینچ در ثانیه در فشار اتمسفر بوده،  که بالاترین مقدار در سوختن ها
می‌باشد. برای سوخت‌های هیدروکربنی که حاوی کربن زیاد هستند، غلظت هیدروکسید
( OH ) کاهش یافته و در نتیجه سرعت شعله نیز تقلیل می‌یابد.

در سوختهایی که شامل هیدروژن نمی‌باشند، اکسیژن فعال (O) تعیین کننده سرعت
 می باشد. اطفاء نمودن شعله بوسیله بازدارنده‌ها هنگامی امکان پذیر است که به عناصر فعال

اجازه شرکت درتکمیل نمودن واکنش زنجیره ای داده نشود . اینگونه اطفاءکننده‌ها بدون   رقیق نمودن اکسیژن، جداکردن سوخت، پوشاندن یاخنک نمودن عمل اطفاء را انجام
می‌دهند.

 

مواد سوختنی ( قابل اشتعال ) در طبیعت به سه