Чем же объясняется эта разница между углеродом и свинцовым пирофором?
Поразительно, что углерод — ведь это же горючее вещество, топливо — как бы дожидается момента, когда ему вступить в действие; он не вспыхивает, как этот пирофор или как многие другие вещества, от показа которых мне пришлось воздержаться, чтобы не загромождать здесь стол. Углерод выжидает, пока его зажгут, и уже самое это выжидание представляет собой интересное свойство. Также и свечи — хотя бы, например, эти японские свечи — не загораются самопроизвольно, подобно свинцовому пирофору и железу (ведь железо, если оно достаточно измельчено, обладает тем же свойством, что и это соединение свинца), а ждут и ждут годами или даже веками, не претерпевая никаких изменений.
Вот сюда проведен светильный газ. Он выходит из газового рожка, но, как видите, не вспыхивает — он вливается в воздух, и ему приходится дожидаться надлежащего нагрева, прежде чем он загорится. Если я его достаточно нагрею, он вспыхнет. Если я задую пламя, выходящий газ будет дожидаться, пока к нему снова не поднесут огонек.
Интересно изучать, как различно ведут себя вещества в этом отношении: одним достаточно небольшого повышения температуры, а другие дожидаются весьма значительного.
Возьмем, например, порох и нитроклетчатку. Даже эти вещества, несмотря на их одинаковое назначение, различаются между собой по условиям возгорания. И действительно, порох состоит из углерода и других веществ, придающих ему высокую горючесть; нитроклетчатка — тоже горючее соединение. Оба они дожидаются, но вступят в действие при различных температурах. Коснемся их раскаленной проволочкой, и мы увидим, которое из них вспыхнет раньше. (Лектор прикасается раскаленным железом к нитроклетчатке.) Вот видите, нитроклетчатка вспыхнула, но даже самая накаленная часть проволоки, оказывается, недостаточно горяча, чтобы заставить вспыхнуть порох. Как это наглядно показывает вам количественное различие между веществами в отношении возгорания!
В заключение — а рано или поздно конец нашим беседам должен быть — я могу только выразить вам свое пожелание, чтобы вы могли с честью выдержать сравнение со свечой, т. е. могли бы быть светочем для окружающих, и чтобы во всех ваших действиях вы подражали красоте пламени, честно и производительно выполняя свой долг перед человечеством.
ЧТО ТАКОЕ ГОРЕНИЕ?Б.В. Новожилов
I
Он может родиться, окрепнуть и вырасти. Или зачахнуть и умереть. Он может быть трепетным и ласковым или коварным, жадным и яростным. Он набрасывается, пожирает, проглатывает. С ним борются — он отступает побежденный. Он может принести спасение или обернуться ужасной трагедией.
— Огонь! — это и возглас надежды заплутавшего путника и суровая команда, несущая смерть врагу.
Огненные волосы, горящие глаза, испепеляющий взгляд. Взрыв смеха, вспышка гнева, огонь желаний. Загореться мыслью, пылать энтузиазмом, гореть страстью, играть с огнем.
Достаточно примеров. Они лишь должны напомнить, какую роль играет этот дар природы в нашей жизни. Наш язык (вспомним, кстати, и о языках пламени) наделил его чертами живого существа и, наоборот, внешность человека, его эмоции и поведение часто связываются со свойствами огня, пламени, горения. Можно представить, как изумлялись первобытные люди, наблюдая со страхом и недоверием случайное возникновение огня, его изменчивость, напоминающую необычное живое существо и его бесследное исчезновение. Недаром почти у всех народов мира в первобытном обществе существовал культ огня. Его почитали, ему поклонялись. Его похищали и тщательно хранили — ведь добывать огонь научились много позже, чем его приручили.
Одно из величайших событий в истории человечества — открытие способа добывать огонь по археологическим данным произошло около ста тысяч лет назад, в эпоху среднего палеолита. Применение же природного огня, случайно возникшего от молний или вулканической лавы, для защиты от холода и хищных зверей началось, конечно, гораздо раньше.
По мере развития человеческого общества значение процессов горения все возрастало. От применения огня для чисто бытовых целей (приготовление пищи, обогревание жилища) человек перешел к использованию его в качестве источника получения механической работы в различного рода тепловых двигателях, прежде всего в паровых машинах. Стремление улучшить качество паровых машин дало толчок к возникновению науки о тепле — термодинамике. Правильное понимание основных законов, лежащих в основе процесса горения, способствовало в свою очередь дальнейшему росту энерговооруженности человеческого общества. Несмотря на то, что в последние; десятилетия был открыт и стал служить человеку новый вид энергии — ядерная энергия, роль химических источников энергии — угля, газа, нефти — не уменьшилась. В наше время химическая энергия применяется во всех отраслях народного хозяйства — от индивидуальных газовых плит до двигателей космических кораблей.
Хотя тепловая энергия и является самым первым видом энергии, которым научился пользоваться человек, наука о горении зародилась совсем недавно. Только в XVIII веке Ломоносов и Лавуазье отвергли ошибочный взгляд алхимиков, утверждавших, что вещества, способные гореть, содержат особое "вещество огня" — флогистон. В 1773 г. Лавуазье пришел к правильному пониманию горения как процесса соединения вещества с кислородом воздуха. Систематические же исследования процессов горения были начаты лишь в конце прошлого века, когда катастрофические взрывы в шахтах побудили ученых ряда стран заняться тщательным изучением режимов распространения пламени. Из-за слабого развития смежных областей науки (кинетики химических реакций, гидродинамики, теории процессов переноса) результаты этого периода развития учения о горении носят качественный характер и не связаны с процессами, происходящими на молекулярном уровне.
К середине нашего столетия появились новые стимулы к развитию науки о горении, связанные с требованиями ракетной техники. В последние десятилетия было выполнено много теоретических и экспериментальных работ, опирающихся на новейшие достижения механики жидкости и газа и кинетики химических реакций. Сегодня уже нарисована четкая и логичная схема многообразных явлений горения, на основе которой инженеры могут целенаправленно влиять, например, на скорость распространения пламени и предсказывать, как будет вести себя то или иное топливо в конкретных условиях горения.
Фарадей в своей "Истории свечи" говорит: "Явления, наблюдающиеся при горении свечи, таковы, что нет ни одного закона природы, который при этом не был бы так или иначе затронут". Хотя прошло уже более ста лет, и наука шагнула далеко вперед, эти слова остаются в силе. Поскольку основу процесса горения составляет химическое превращение — разложение одних молекул вещества и образование других, при его изучении нужно знать законы протекания химических реакций, их механизм, скорость и т. д. Этими вопросами занимается наука, называемая химической кинетикой. В свою очередь химическая кинетика является одним из разделов химической физики — науки, пограничной между химией и новыми разделами физики, возникшими в начале XX века (квантовая механика, электронная теория атомов и молекул). Химическая физика занимается изучением химических проблем с помощью теоретических и экспериментальных физических методов. Таким образом, процесс горения, как и любое другое химическое превращение, может быть по-настоящему понят лишь на основе изучения строения атомов н молекул и реакций между ними. Квантовая теория строения атомов и молекул возникла лишь в XX веке, поэтому и химическая кинетика в частности, и теория быстропротекающих химических реакций при горении получают настоящее обоснование только в наши дни.
Химические реакции, идущие с большим выделением тепла, почти всегда вызывают возникновение различного рода физических явлений. В процессе горения происходит перенос тепла реагирующих веществ и продуктов горения из одного места в другое. В связи с этим исследование процессов горения возможно только при правильном учете не только химических, но и физических закономерностей. При этом те и другие процессы взаимозависимы — скорость химических реакций определяется процессами теплопередачи и диффузии вещества, и наоборот, температура, давление вещества и скорость его перемещения зависят от интенсивности химических реакций.
Конечно, со времен Фарадея открыто много нового, в частности, новый вид превращения вещества — ядерные реакции. Хотя в обычном горении ядра атомов не изменяются и, казалось бы, эти явления природы не имеют отношения к горению, следует все-таки отметить, что в настоящее время можно говорить о возможности и существования горения на ядерном уровне. К нему, конечно, следует отнести процесс энерговыделения на Солнце и других звездах. Решение проблемы управляемого термоядерного синтеза, к которой приложено много усилий со стороны ученых высокоразвитых стран, сводится в конечном счете к созданию условий, при которых ядерный очаг станет самоподдерживающимся (высокие плотности вещества и сверхвысокие температуры — десятки миллионов градусов), и к возможности регулировать скорость горения на желаемом уровне.
Однако это предмет особого разговора. Мы будем рассматривать только химическое горение.
Начиная исследовать какое-либо явление, обычно обращают внимание на основные его особенности. Понимание деталей можно отложить и на будущее. Поступим и мы так же.
Процесс горения, как правило, связан с выделением тепла и света. И в пламени горящей спички и в камере сгорания космической ракеты выделение энергии приводит к возникновению высоких температур — порядка одной-двух тысяч градусов. Таким образом, непременным условием существования горения является участие в процессе веществ, реакция между которыми экзотермична, т. е. идет с выделением тепла. В процессе перестройки молекул их внутренняя, химическая энергия переходит в тепловую энергию, т. е. кинетическую энергию движения.
