Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №4/2005

О ЧЕМ НЕ ПИШУТ В УЧЕБНИКАХ

Кислород. Воздух

Горение и топливо

«Что сказать о природе огня после Ньютона и Вольтера?» – вопрошает современный поэт. Химикам же о природе огня известно несколько больше,
чем поэтам.

Неизвестно, когда и при каких обстоятельствах человек овладел огнем, научился добывать его и стал пользоваться им в своей жизни. Несомненно, однако, что произошло это за много тысячелетий до нашей эры. Лесной пожар, вызванный молнией, вначале пугал первобытного человека, и он, как и животные, спасался от него бегством. Огонь внушал ему ужас, т.к. нес с собой гибель и разрушение. Скоро человек подметил, что огонь не только несет разрушение и смерть, но и дает тепло, а ночью его свет оберегает от внезапного нападения врагов и диких зверей. И постепенно первобытный человек стал смотреть на огонь уже не только со страхом, но и с надеждой найти в нем союзника в борьбе с окружающей суровой природой. Он научился поддерживать огонь, беречь и хранить его, а потом и добывать.
Конечно, овладели огнем не сразу: это происходило медленно, в течение тысяч лет и в различных местах обитания первобытного человека шло по-разному. Овладение огнем стало событием исключительной важности: оно открыло новую эру в истории развития человека. Огонь стал в его руках таким мощным оружием в борьбе за существование, что резко обособил от других живых существ и сделал более сильным и независимым.

Овладение огнем
Овладение огнем

Самые сильные и хищные звери должны были смириться перед человеком, в пещере которого горел огонь. Зимние холода теперь не были страшны человеку. Пища его стала обильнее и разнообразнее: он стал употреблять многие несъедобные в сыром виде плоды и корни, сваренные на огне; в вареном и жареном виде стал есть и мясо.
Огонь не только улучшал материальное благосостояние, но и способствовал общему развитию первобытного человека. Шли века. Человек, пользовавшийся вначале только каменными орудиями, благодаря огню вскоре овладел металлом. Наступил новый век в истории его развития.
Десятки тысячелетий отделяют нас от первобытного человека, от тех далеких времен, когда он впервые овладел огнем, стал сжигать дерево и пользоваться горением. В течение всего этого времени горение и огонь не теряли своего значения в жизни человека. Не утратили они своей роли и в наше время.
Трудно представить себе, как беззащитен и беспомощен стал бы человек, если бы он лишился возможности пользоваться горением. Оно дает нам тепло и свет, делает возможным получение металлов из руд, а также кирпича, цемента, стекла, минеральных удобрений, красителей для тканей, лекарств и многих других материалов, необходимых в жизни. Горением мы пользуемся при постройке жилищ, при изготовлении одежды и пищи. Без горения невозможно было бы создать станки и машины для заводов и фабрик, оборудование для транспорта, без него нельзя пустить в действие современную технику, а сжигая различное топливо, человек получает в процессе горения энергию, которую и использует в своих целях.
Что же такое горение? Хотя явление горения знакомо человеку много тысяч лет и каждый из нас знает его с раннего детства, ответить на этот вопрос все же нелегко. Древний человек видел в огне проявление высших божественных сил, которыми он населял природу. Даже в более позднее время, когда человек уже вышел из первобытного состояния, он еще обожествлял огонь, видя в нем проявление воли могучего бога, то доброго к людям, посылающего им тепло и свет, дающего им защиту от врагов, то злого и грозного, несущего разрушение и гибель. До наших дней сохранились на Кавказе развалины храмов огнепоклонников, в которых горел природный газ, выделяющийся в этих местах из земли. Вечный, неугасимый огонь в этих храмах был предметом почитания огнепоклонников.

Культ огня
Культ огня

Миновали новые тысячелетия. Культура человеческого общества, мощным толчком к развитию которой послужило овладение огнем, продолжала развиваться. Но долго еще огонь оставался для человека таинственным проявлением божественных сил. Культ огня в том или ином виде проник во все религии. Огонь пылал на жертвенниках греков и римлян, религиозные процессии в средние века совершались с зажженными факелами и свечами, и тогда же во имя божие сжигались на кострах ослушники церкви и «богопротивные» книги.
Все это отголоски тех далеких от нас времен, когда человек слепо верил в божественную природу огня.
Вопрос о том, что представляет собой огонь и в чем заключается процесс горения, всегда привлекал к себе и мыслителей, и ученых. Греческие и римские философы, учившие еще две тысячи лет назад, что весь окружающий нас мир и мы сами построены из мельчайших неделимых частиц (атомов), полагали, что и огонь состоит из отдельных очень мелких частиц, круглых и гладких, и потому он может проникать через такие мелкие отверстия, через которые не смогут проникнуть другие атомы. Вот как об этом говорит древнеримский философ и поэт Лукреций Кар в своей книге «О природе вещей»:

Нам не составит труда объяснить
     на основе разумной
То, почему проникать несравненно пронзительней
     может
Молний огонь, чем земной, исходящий от факелов
     наших:
Будет довольно сказать, что небесное молнии пламя
Тоньше гораздо и все состоит из мельчайших
     частичек,
А потому проходить оно может в такие
     отверстья,
Где не пробиться огню ни от дров, ни от факелов
     наших.
Кроме того, через рог фонаря проникает свободно
Свет, но не дождь. Почему? Ибо света тела
     основные
Мельче, чем те, из каких состоит благодатная
     влага.

Значительно позже, во времена, более близкие к нам, учеными XVII и XVIII вв. была разработана флогистонная теория, объясняющая процесс горения. Эта ложная теория о таинственном флогистоне существовала в химии почти полтораста лет. В среде ученых она имела и сторонников, и много противников. Среди последних был и М.В.Ломоносов. Еще во время господства теории флогистона он решительно высказался против нее, правильно полагая, что в процессе горения к веществу присоединяются частицы протекающего над ним воздуха и за счет их увеличивается вес окалины по сравнению с весом сжигаемого металла.
Наибольшее практическое значение для человека имеет горение с участием кислорода, например, горение различных видов топлива в топках печей, различных горелках, двигателях внутреннего сгорания и т. д. Этот вид горения мы рассмотрим более подробно.

Горелка для газовой сварки
Горелка для газовой сварки

Что необходимо для горения? Конечно, для этого прежде всего нужны вещества, между которыми происходит реакция, т.е. горючее вещество и кислород. Эти вещества должны находиться в тесном соприкосновении друг с другом.
Но этого недостаточно. Дрова, положенные в печку, не загораются сами, хотя и окружены со всех сторон воздухом, содержащим кислород. Их нужно зажечь, т. е. довести температуру дерева до той, при которой начинается его взаимодействие с кислородом. Для этого вовсе не обязательно вводить дерево в непосредственное соприкосновение с огнем; достигнуть нужной температуры можно, например, приложив кусок дерева к раскаленному железу. Первобытный человек добивался повышения температуры трением двух кусков сухого дерева друг о друга.
Температура, при которой начинается горение, различна у разных веществ. Керосин загорается при 400 °С, сера – при 450 °С, древесная пыль – при 610 °С, фосфор белый – при 45–60 °С (в зависимости от степени его измельчения). Для продолжения начавшегося горения дальнейшее нагревание уже не требуется: вещество нагревается за счет тепла, выделяющегося при самом горении. Чтобы началось горение, например, лучинки, мы вводим ее конец в пламя горящей спички. В этом месте дерево нагревается до нужной температуры и загорается. Выделяющееся при горении тепло нагревает ближайший к огню участок лучинки, начинается горение этого участка. Затем нагревается следующий участок, и горение распространяется все дальше и дальше, захватывая все новые и новые участки.
Если горючее вещество сильно измельчено и находится в виде тонкого порошка (уголь) или в виде мелких капель (керосин, бензин) и вещества эти будут смешаны с воздухом так, что он будет окружать каждую их частицу, то при поджигании таких смесей тепло, выделившееся в одном месте, быстро распространится во все стороны и нагреет до температуры воспламенения всю смесь. Произойдет быстрое сгорание всей смеси.

Опытный двигатель внутреннего сгорания Р.Дизеля
Опытный двигатель
внутреннего сгорания Р.Дизеля

Подобное сгорание веществ называют вспышкой. Так вспыхивает иногда накопившаяся в печных трубах сажа или вдуваемый в печь с помощью форсунки мазут при его поджигании. Если насыпать в бумажную трубочку споры плауна, имеющие вид тонкой желтой пыли (применяется для пересыпки пилюль под названием «ликоподий»), подуть в трубочку с одного конца и поджечь вылетающие споры с другого, то состоящее из спор облачко вспыхивает, образуя большое яркое пламя. В XVI—XVII вв. такими вспышками спор ликоподия пользовались в театрах для имитации молнии, а скоморохи развлекали народ на улицах Москвы и других городов во время праздничных гуляний, нередко направляя безопасное пламя в бороду проходившего жителя или в проезжавший мимо воз сена.
Особенно легко вспыхивают при поджигании смеси горючих газов с воздухом или чистым кислородом, потому что в этом случае создается тесное соприкосновение реагирующих веществ, а потому горение, начавшееся в одном месте, быстро распространяется и охватывает всю массу смеси. При еще более быстром сгорании веществ происходит взрыв — мгновенное сгорание, сопровождающееся сильным звуком и нередко большими разрушениями. Разрушения вызываются давлением газов, образующихся при горении и занимающих во много раз больший объем, чем взрывающееся вещество: газы ударяют о препятствие, мешающее их распространению, и разрушают его.
Горение может стать причиной больших бедствий: разбушевавшаяся стихия огня, выйдя из подчинения воле человека, уничтожает здания, приводит в негодность машины, пожирает имущество, уносит человеческие жизни. Взрывы могут также приносить большие несчастья. Особенно опасны взрывы смесей воздуха с горючими газами и парами горючих жидкостей — бензина, керосина, эфира и др. Поэтому в обращении с такими огнеопасными веществами нужно быть особенно осторожным и внимательным: следить, чтобы краны газовых плит и других приборов не оставались открытыми, когда этими приборами не пользуются, хранить горючие жидкости в хорошо закрытой посуде и дальше от огня, помещения, в которых установлены большие газовые приборы (топки, колонки и др.), перед зажиганием газа необходимо проветривать.
Несмотря на то что взрывы могут нести с собой большие разрушения, человек нередко использует их силу в своей практической деятельности. Взрывы используются при разведке и добыче руд и других полезных ископаемых, при проведении каналов, дорог в горах, для разрушения заторов ледяных глыб на реках во время весеннего ледохода и т.п.
Для возникновения горения, как мы видели, необходимо тесное соприкосновение горючего вещества с воздухом и температура, при которой между ними начинается химическая реакция. Если хотя бы одно из этих условий не будет выполнено, горение не возникнет. Отсюда ясно, что для предотвращения возникновения горения достаточно нарушить хотя бы одно из названных условий.
На практике, желая прекратить горение в том или ином случае, мы этим и пользуемся. Чтобы погасить зажженную спичку, мы делаем рукой, в которой держим ее, быстрое движение, и огонь гаснет; чтобы погасить свечу, мы дуем на ее пламя. И в том и в другом случае мы понижаем температуру горючего вещества до более низкой, чем та, при которой может идти реакция его с кислородом. Желая прекратить горение газа, горение керосина в лампе, мы закрываем кран или опускаем фитиль и тем самым прекращаем поступление горючего материала.
Но чаще всего мы прекращаем горение, преграждая доступ кислорода к горящему веществу. Это мы делаем, когда прикрываем пламя горящей спиртовки колпачком, когда гасим огонь, накрывая его доской или тряпкой, засыпая песком или землей. Чтобы прекратить горение топлива в топках печей или ослабить горение, сокращают приток кислорода, закрывая поддувало. Нередко горение прекращают, заливая огонь водой. Вода при этом выполняет двоякую роль: попадая на горящее вещество, она понижает его температуру и, быстро испаряясь, обволакивает горящее вещество паром и тем самым прекращает подход кислорода к нему.
Условия прекращения горения учитываются и при тушении пожаров. Огонь заливают водой, а при горении деревянного дома, кроме того, стремятся с помощью багров удалить от огня доски, бруски, бревна и другие горючие материалы.
Почему различные вещества горят неодинаково? Почему одни вещества горят пламенем, а другие, как уголь, только накаляются, пламени не образуя? И пламя у различных веществ неодинаковое: у одних оно бледное, бесцветное, например пламя водорода или спирта, а у других — яркое, светящееся. Кроме того, пламя различных веществ может быть различного цвета — желтого, зеленого, фиолетового, красного. В чем же причина этого различия?
Все это очень хорошо и просто объяснил великий английский ученый Майкл Фарадей в своей книге «История свечи». Он разъяснил, что пламенем горят все газы, а также жидкие и твердые вещества, переходящие при сжигании в газообразное состояние. Само пламя (огонь) представляет собой раскаленные за счет тепла, выделяющегося при горении, газы и пары.
Но пламенем сгорают и дерево, и бумага, и другие вещества, которые, как мы знаем, при нагревании не переходят в парообразное состояние. Чем же объясняется возникновение пламени при горении этих веществ? Наблюдения и опыты дадут нам ответ и на этот вопрос. Если погасить огонь горящей лучинки, то от ее черного обуглившегося конца некоторое время струится сизый дымок. Подобный дым в еще большем количестве идет от горящего полена, если его вынуть из печки или костра и потушить пламя. Дым идет и от разгорающегося или не совсем погашенного костра.
Откуда и как возникает этот дым? Чтобы выяснить это, возьмем железную коробочку, например из-под ваксы, положим в нее измельченные кусочки дерева, плотно закроем крышкой, в которой проделаем небольшое отверстие. Нагреем коробочку на спиртовке или поместим в костер. Вскоре мы заметим, что из отверстия в крышке коробочки пойдет дым. Если этот дым поджечь, он загорится ярким пламенем. Через некоторое время пламя прекратится. Остудив и открыв коробочку, мы увидим в ней вместо дерева кусочки древесного угля. Что же произошло?
При нагревании дерева без доступа воздуха происходили химические реакции, при этом образовались различные газообразные и жидкие вещества и твердое вещество — уголь. Газы и пары выходили из коробочки и сгорали, а уголь остался.
Вот и ответ на вопрос, почему при горении дерева образуется пламя. Зажженные в печке дрова сначала горят пламенем (мы видим языки огня), а потом пламя пропадает и остается лишь раскаленный уголь — «жар». Огонь был до тех пор, пока не вышли при разложении дерева все горючие газы и пары, а когда их не стало, пламенное горение прекратилось: уголь горит без пламени, потому что в пар он не переходит и, как вещество простое, не разлагается с выделением горючих газов.
Что сказано о дереве, можно сказать и о других веществах, которые горят пламенем, но сами в парообразное состояние не переходят.
Почему пламя при горении одних веществ бледное, бесцветное, а других — яркое, светящееся? Простые опыты дадут нам ответ и на этот вопрос. Введем стеклянную пластинку в бледное пламя спиртовки, другую пластинку — в яркое, светящееся пламя парафиновой свечи. Вынув первую пластинку, мы увидим, что с ней никаких изменений не произошло, а в пламени парафина пластинка покрылась слоем копоти — сажи, состоящей из мельчайших частичек угля.
Присутствие в пламени парафина частичек угля и делает пламя ярким: эти-то частицы, раскаляясь при высокой температуре, и светятся. В парафине содержится примерно 90% углерода, в спирте – 52%. Притекающего к пламени спирта кислорода достаточно, чтобы он быстро соединился с углеродом и образовал углекислый газ, но его недостаточно, чтобы быстро соединиться со всем углеродом в парах парафина. Свободный углерод, находящийся в пламени парафина в виде мелких частиц угля, задерживается в нем, накаливается и придает пламени яркость и светимость.

Схема строения и температуры пламени: а – газовой горелки; б – спиртовки
Схема строения и температуры пламени:
а – газовой горелки; б – спиртовки

Если при горении свечи фитиль ее не будет сам равномерно сгорать и станет больше, чем это нужно для нормального горения свечи, то жидкого парафина станет подниматься по нему больше, в пламени накопится так много частиц угля, что они не смогут удержаться в нем и вместе с углекислым газом и парами воды, образующимися при горении, полетят в виде сажи. «Свеча коптит»,— скажем мы. Чтобы сделать пламя не коптящим, нужно уменьшить приток поступающего снизу жидкого парафина, для чего следует укоротить фитиль. Подобное явление мы наблюдаем и при горении керосина в керосиновой лампе.
Пламя зажженного примуса, широко бытовавшего у нас до конца 1950-х гг., в отличие от пламени керосинки несветящееся и светло-синее, хотя и в керосиновой лампе, и в примусе сгорает одно и то же вещество — керосин. Объясняется это тем, что в примусе керосин поступает для сгорания через отверстие в капсуле горелки тонкой струей, которая с силой ударяет о нижнюю поверхность металлического кружка горелки и при этом разбивается на мелкие капельки, распыляется. Кислород воздуха окружает каждую мельчайшую капельку. Горение идет быстро, и угольные частицы не накапливаются в пламени.
Не всегда светимость пламени зависит от присутствия в нем частиц угля. Например, пламя горящего фосфора очень яркое, пламя горящего магния ослепительно, но угольных частиц в пламени этих веществ, конечно, нет. В данных случаях светимость пламени зависит от присутствия в нем раскаленных частиц других веществ: в пламени фосфора – раскаленных частиц фосфорного ангидрида, а в пламени магния – частиц оксида магния.
Несветящееся пламя можно сделать светящимся, если в него ввести частицы твердых веществ. Если, например, в бледное пламя водорода вдувать известковую пыль, то пламя становится ярким и светящимся за счет раскаленных частиц извести. До широкого распространения электрического освещения для получения яркого света в пламя керосиновых или спиртовых ламп помещали хлопчатобумажные колпачки, пропитанные различными солями, которые при накаливании излучали яркий белый свет.
Познакомимся теперь с важнейшими видами топлива и приемами его сжигания.
С древнейших времен и до наших дней человек использует в качестве топлива дрова. Наша страна очень богата древесиной. Огромные лесные массивы простираются на севере европейской части России; дремучая тайга покрывает средний и северный Урал и на тысячи километров простирается на восток в Сибири. Но дрова — экономически весьма невыгодное топливо.
Дерево — ценный строительный и поделочный материал, важное сырье для химической отрасли промышленности. Путем химической переработки из него получают древесный и винный спирт, уксусную кислоту, дубильные вещества для выделки кож, лекарства, искусственный шелк, фото- и кинопленку и много других ценных продуктов. Большое количество древесины идет на производство бумаги, картона и т. п. Сжигать дерево в топках печей и лишаться при этом всех этих веществ явно невыгодно.

Теплотворные свойства топлива
Теплотворные свойства топлива

Значительно больше используется как топливо каменный уголь. Наша страна богата и этим видом топлива: по запасам его мы занимаем первое место среди всех стран мира.
Каменный уголь образовался из остатков деревьев, произраставших десятки и сотни миллионов лет назад. Климат в то время был значительно теплее, и мощная древесная растительность покрывала огромные заболоченные пространства на Земле.
Самый древний уголь – антрацит. Углерода в нем до 96,5%. От других видов ископаемых углей антрацит отличается своим стеклянным блеском. При горении антрацит не образует пламени и дает больше тепла, чем иные угли. Другой вид ископаемых углей – каменный уголь. Он уступает по возрасту антрациту. Процесс разложения при образовании каменного угля не дошел до конца, и потому в нем еще содержатся вещества, которые при нагревании дают горючие пары и газы. При горении его поэтому образуется пламя, хотя и небольшое. Самый молодой ископаемый уголь – бурый. В нем еще больше неразложившихся веществ, а количество углерода в горючей массе около 55–70%. Его легко отличить от других углей по бурому цвету. Относится он к длиннопламенным углям.
Хотя мы и обладаем огромными природными запасами всех видов ископаемых углей и добыча их с каждым годом растет, потребление и этого вида топлива все же уменьшается. Причиной этого, во-первых, является, то, что каменный уголь в очень большом количестве расходуется в производстве металлов из руд: металлургическая отрасль промышленности требует огромного количества кокса. Во-вторых, ископаемые угли, особенно каменный и бурый, при химической переработке дают очень много ценных продуктов, необходимых для производства удобрений, пластических масс, красителей, лекарств, взрывчатых веществ и многих других.
К каменному углю близок по своему происхождению торф, образующийся при разложении без доступа воздуха болотной растительности. Добыча, сушка и прессование торфа в брикеты производится обычно с помощью машин. Торф – местное топливо: он не перевозится далеко от мест добычи, а потребляется близлежащими фабриками, заводами, электростанциями и др.
Самое большое значение как топливо в нашей стране в настоящее время имеют нефть и природные газы. Но добытая из земли нефть не используется в сыром виде как топливо, а сперва поступает на нефтеперерабатывающие заводы. Здесь из нее получают различные нефтепродукты — бензин, керосин, мазут, смазочные масла и др. Бензин используется в двигателях внутреннего сгорания, приводящих в действие авто- и авиатранспорт. Используются в качестве топлива и другие нефтепродукты в тракторах, топках на заводах и фабриках, пароходах и т.д.
Природный газ наряду с нефтью является в настоящее время также важнейшим топливом. Он образовался в процессе превращения древесных пород древних эпох в каменный уголь и по своему составу близок к тому, который выходил из коробочки из-под ваксы, когда в ней нагревалось дерево без доступа воздуха. Образуясь же в земных недрах при разложении растительных остатков, газ не находил себе выхода и накапливался среди горных пород. Десятки и сотни миллионов лет находился он под землей, пока человек не проделал сверху скважину и не дал ему выхода. Мест подземного скопления газа у нас много.
Образование нефти из животных и растительных остатков также сопровождалось выделением газов, и потому из скважин всегда вместе с нефтью выходят газы, которые называют попутными. Эти газы – прекрасное топливо, дающее много тепла, но, кроме того, они служат и ценнейшим сырьем в химической отрасли промышленности. Около 80% добываемого газа используется как сырье на химических заводах для получения пластмасс, каучука, искусственного волокна, красителей и многих других веществ.
Мы остановились на важнейших видах топлива. Как видим, все, кроме дерева, представляют собой продукты разложения остатков организмов, некогда населявших Землю, и являются ископаемыми видами топлива.
При сжигании любого топлива в процессе горения выделяется скрытая в нем химическая энергия в виде тепла и света. О том, как возникла и накопилась в топливе эта энергия, прекрасно рассказано знаменитым нашим ученым К.А.Тимирязевым в его замечательной книге «Жизнь растения». Он выяснил, что в клетках листа и других зеленых частей растения протекают сложные химические реакции между водой, углекислым газом и веществами, поступившими из почвы. В результате этих реакций образуются свободный кислород и сложные органические вещества – сахар, крахмал и др.
При образовании этих веществ и накапливается в растении та скрытая химическая энергия, которую мы получаем обратно при его сжигании в виде тепла и света. Дело в том, что реакции, происходящие в клетках зеленого листа растения и приводящие к образованию кислорода и сложных органических веществ, идут с поглощением энергии. Она требуется для разрушения молекул воды, углекислого газа и образования молекул других веществ из получившихся при этом атомов. Эту энергию растение получает от солнца.
Энергия солнечных лучей при этом не исчезает: она переходит из энергии света и тепла в химическую энергию образовавшихся новых веществ. Сжигая то или иное топливо, мы вновь переводим эту скрытую энергию в энергию света и тепла.
В течение всей жизни растения переводят энергию, излучаемую солнцем, в химическую энергию образующихся веществ. Растения таким образом накапливают и консервируют в своем теле солнечное тепло и свет. Растения — кладовые солнца.
В настоящее время в практике человек мало использует выделяющуюся при горении топлива световую энергию; он больше заинтересован в тепловой энергии для отопления жилищ, приведения в действие станков, машин, транспорта и пр. Но, чтобы полнее использовать для своих нужд выделяющуюся при горении топлива тепловую энергию, не растерять ее зря, сжигать топливо нужно правильно или, как говорят, рационально.
Мы познакомились с важнейшими видами топлива, условиями горения, причинами, вызывающими различный характер горения. Воспользуемся нашими знаниями для решения вопросов, связанных с рациональным сжиганием топлива.
При горении происходит химическая реакция между горючим веществом и кислородом, следовательно, при сжигании топлива необходимо обеспечить достаточный приток кислорода к нему и тесное соприкосновение между этими веществами. Легче всего это достигается при сжигании газового топлива.

Газовые горелки: а – Бунзена: 1 – смеситель; 2 – заслонка; 3 – трубка для подачи газа; б – Теклю: 1 – смеситель; 2 – винт; 3 – трубка для подачи газа; 4 – кольцо

Газовые горелки:
а – Бунзена: 1 – смеситель; 2 – заслонка;
3 – трубка для подачи газа; б – Теклю:
1 – смеситель; 2 – винт;
3 – трубка для подачи газа; 4 – кольцо

Рассмотрим в качестве примера, как происходит сжигание газа в горелках, применяемых в лабораториях. Существует много типов таких горелок, но в основном они сходны по устройству и действию. Такая горелка представляет собой металлическую трубку, укрепленную на подставке. В нижней части трубки имеется отверстие, которое можно уменьшать и совсем закрывать. Оно играет в горелке роль поддувала. Газ поступает в горелку снизу через узкое отверстие. Закроем поддувало, откроем кран и зажжем газ. Мы увидим, что пламя газа яркое, светящееся. Это говорит о том, что притекающего снаружи кислорода воздуха недостаточно для быстрого и полного сгорания газа, что в пламени задерживаются мелкие частицы угля, которые при накаливании светятся. Откроем поддувало – пламя становится несветящимся и приобретает синеватый цвет. Теперь кислорода достаточно для быстрого и полного сгорания, топливо целиком отдает скрытую в нем энергию в виде тепла. Температура такого пламени значительно выше, чем светящегося. Горючий газ, поднимаясь в горелке вверх, засасывает через поддувало наружный воздух, смешивается с ним, и теперь кислорода оказывается вполне достаточно для полного сгорания. Регулируя краном поступление горючего газа, а с помощью поддувала — поступление кислорода, легко осуществить полное сгорание газа и управлять его горением, получая пламя с различной температурой.
Во всех других газовых приборах – колонках, плитах, титанах — соблюдается в основном тот же принцип сжигания газового топлива, только продукты сгорания — углекислый газ и водяные пары — выводятся через трубу наружу.
Сжигание жидкого топлива, например мазута, проводится в условиях, близких к тем, какие имеются при сжигании газового топлива. Мазут вводят в топку печи или парового котла через форсунку. Форсунка состоит из металлической трубки, суживающейся у выходного отверстия. Через трубку с краном в задней части форсунки подается жидкое топливо, а через трубку сбоку — сжатый газ или водяной пар. При выходе из форсунки жидкое топливо распыляется током воздуха или водяного пара и сгорает, подобно газу. Регулируя поступление горючего и кислорода воздуха, легко добиться полного сгорания топлива и возможности управлять его горением.
Сложнее осуществить рациональное сжигание твердого топлива и управление этим процессом. Во-первых, твердое топливо во время его сжигания нельзя вводить столь же равномерно, как вводится газовое или жидкое. По мере его сгорания приходится периодически загружать топливо. Трудно добиться и достаточно тесного соприкосновения топлива с кислородом, потому что оно поступает в топку обычно не в распыленном состоянии, а большими компактными порциями: поленьями (дрова), кусками (каменный уголь) или же в виде спрессованных брикетов (торф). Для того чтобы твердое топливо сгорало полнее и равномернее, его помещают в топке на чугунную решетку — колосник. Воздух в топку поступает через поддувало — отверстие в стене печи ниже колосника, чтобы воздух проходил через весь слой топлива и горение происходило во всей его массе, а не только сверху.
Для более тесного соприкосновения с кислородом топливо размельчают. При этом, однако, учитывают, что сильно измельченное топливо, например угольная мелочь, может образовать на колоснике настолько уплотненный слой, что воздух не сможет проникнуть сквозь него, и сжигание поэтому будет затрудняться. В таких случаях приходится перемешивать уголь, «шуровать» его, чтобы обеспечивать поступление кислорода воздуха ко всем частям топлива.

Виды топок: а – слоевая; б – вихревая; в – факельная
Виды топок:
а – слоевая; б – вихревая; в – факельная

Вещества, образующиеся при сжигании в топках топлива любого вида (углекислый газ, водяные пары, азот и топочные газы, как их называют), выводятся наружу через дымовые трубы. Эти газы имеют более высокую температуру, чем окружающий воздух, и потому поднимаются вверх, благодаря чему в трубах создается тяга. Тяга имеет большое значение при сжигании топлива. Она способствует удалению из топок продуктов сгорания, которые, оставаясь, мешали бы подходу кислорода к горящим веществам, и вызывает приток наружного воздуха в топку через поддувало: воздух входит на место газов и паров, удаляющихся из топок.
Человек сжигает топливо с различными целями. В одних случаях он использует получаемое тепло для выплавки металлов из руд, варки стекла, обжига известняка, в других случаях — для обогревания помещений и пр. В зависимости от цели сжигания топлива управление его горением проводится по-разному.
Для выплавки металлов и других химических процессов требуется высокая температура. Она достигается быстрым сжиганием топлива, когда выделяющееся тепло накапливается в одном месте и не успевает рассеяться, уйти на обогревание окружающего воздуха или стен печи. В доменной печи, например, при выплавке чугуна температура должна достигать 1700–1800 °С. В этом случае для ускорения сгорания топлива воздух вдувается в топку или печь с помощью воздуходувных машин. Для более энергичного горения к воздуху добавляется чистый кислород – воздух, как говорят, обогащается кислородом.
При сжигании топлива для отопления помещений, наоборот, требуется, чтобы горение протекало не так быстро и более равномерно, чтобы топочные газы не нагревались до очень высокой температуры и не уносили с собой тепло через дымовую трубу наружу, а по возможности отдавали это тепло на обогревание. Для этого дымоход печи для прохода этих газов в стенах делают возможно более длинным (коленчатым). В настоящее время применяется способ сжигания как твердого топлива, так и жидкого в распыленном состоянии. Измельченный в тонкий порошок каменный уголь или торф вдувается в топку в смеси с воздухом через форсунку.

Доменная печь в древности (Африка)
Доменная печь в древности
(Африка)

В нашей стране с огромным населением, обширной промышленностью, сельским хозяйством, многообразным транспортом сжигается ежедневно много различного топлива. Правильное его использование – очень важно для экономики всего народного хозяйства.
Ученые и конструкторы работают над воплощением уже в ближайшее время идеи широкого использования в двигателях экологически чистого топлива – водорода – вместо нефтепродуктов.

Материал подготовил П.А.КОШЕЛЬ