تعرف على علم الكيمياء
الحرارة Heat
– الحرارة Heat أحد عناصر الاشتعال ، والعامل المساعد والمؤثر على المادة لإطلاق أبخرتها.
– ويشترط أن يكون مصدر الحرارة كافياً لأن تطلق المادة أبخرتها وتكوين نسبة المخلوط القابل للإشتعال أي الوصول إلى (حيز الاشتعال) كما يشترط أن تكون الحرارة كافية لاستمرار الاشتعال.
نظرية الاشتعال
– حتى تحدث عملية الاشتعال لابد أن تتوافر العوامل التالية:
- المادة القابلة للاشتعال Material
- الأكسجين Oxygen
- الحرارة Heat
- سلسلة التفاعل Chain of reaction
– ويطلق على هذه العوامل الأربعة هرم الاشتعال (Pyramid of Combustion) على أن تكون ظروف كل من هذه العوامل تؤهلها لإحداث الاشتعال، وتكون هذه العناصر مجتمعة في حيز واحد.
– وعند بدء الاشتعال لابد أن يكون هناك عنصر رابع هو السبب لاستمرار الاشتعال وزيادة رفعته ألا وهو سلسلة التفاعل (Chain of reaction) حيث تعرف بأنها الأداة التي تجمع العناصر الثلاثة السابقة لاستمرار الاشتعال وزيادته.
صور انتقال الحرارة
هناك ثلاث صور لانتقال الحرارة:
(أ) إنتقال الحرارة بالتوصيل Conduction heat transfer
– يقصد بذلك انتقال الحرارة من مادة إلى أخرى عن طريق التلامس معها مثل وضع الملعقة في كوب الشاي الساخن وانتقال الحرارة من الشاي إلى اليد بالتلامس المباشر.
– حيث تنتقل الحرارة من المادة الأعلى حرارة إلى الأقل أو انتقال الحرارة في نفس المادة من جزء تعرض لإرتفاع درجة الحرارة إلى جزء منها غير معرض مباشرة للحرارة.
– ويتم غالباً في الأجسام الصلبة. حيث تتلامس جزيئات المادة ثم تنتقل الحرارة من الطبقة الساخنة إلى الطبقة المجاورة الأقل حرارة. مع ملاحظة أن جزيئات المادة لا تترك أماكنها أو تتبادل أماكنها، ولكن تنتقل الإلكترونات من ذرة إلى ذرة.
– تتوقف كمية الحرارة المنتقلة على ثلاث عوامل هي:
- معامل التوصيل الحراري للمادة.
- المسافة التي تنتقل الحرارة خلالها.
- فرق درجات الحرارة بين المصدر الحراري والمادة.
(ب) انتقال الحرارة بالحمل Convection heat transfer
– هو انتقال الحرارة عن طريق تيارات الحمل المتحركة في السوائل.
– فالجزء من السوائل الملامس للمصدر الحراري ترتفع درجة حرارته وتقل كثافته فيرتفع لأعلى ويهبط بدلاً منه جزء آخر أعلى كثافة مما يؤدي إلى حدوث تيارات حمل، تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الأسطح العلوية، وبالتالي إطلاق بخار المادة.
(جـ) انتقال الحرارة بالإشعاع Radiation heat transfer
– الإشعاع عبارة عن طاقة في صورة موجات كهرومغناطيسية Electro Magnetic Waves تشمل موجات الضوء والحرارة وموجات الراديو والأشعة الكونية.
– وتسري الإشعاعات الحرارية خلال الهواء في خطوط مستقيمة في جميع الاتجاهات على هيئة موجات حرارة (Heat Waves) فإذا صادفت هذه الموجات جسماً معتماً فإنه يمتصها ويخزنها. ويستمر الإمتصاص والارتفاع في درجة الحرارة حتى تصل المادة إلى درجة الحرارة التي تطلق عندها أبخرتها. وإذا صادفت أجسام ملساء لامعة فإنها تعكسها وتردها.
أشكال الطاقة الحرارية Types of heat energy
(أ) الطاقة الحرارية الكيميائية Thermo Chemical Energy
حرارة الاحتراق Composition Heat
هي كمية الحرارة المنطلقة من عملية الاتحاد الكامل لأبخرة المادة بالأكسجين واحتراقها. وتتحكم كمية الهواء (الأكسجين المتاح لعملية الأكسدة) في كمية الحرارة المنطلقة.
حرارة الاشتعال الذاتي Auto Ignition Heat
– هي ارتفاع درجة حرارة المادة بدون تأثير مصدر اشتعال خارجي وهي التي تؤدي إلى الاشتعال الذاتي.
– وتتوقف على معدل توليد الحرارة ومصدر الهواء ودرجة العزل.
– وقد تكون هذه الحرارة نتيجة لتأكسد المادة واتحادها بالأكسجين أو نتيجة توالد البكتريا المسببة لرفع درجة حرارة المادة لتسرع من عملية الأكسدة. وتساعد رطوبة المواد خاصة المادة العضوية على سرعة توالد البكتريا.
حرارة التحلل Decomposition Heat
تتحلل بعض المركبات الغير مستقرة إلى مركبات أخري منتجة حرارة تسرع بدورها من عملية التحلل وبالتالي تؤدي إلى إزدياد الحرارة المنبعثة تباعًا.
حرارة المحاليل Dissolution Heat
هي كمية الطاقة التي تنبعث نتيجة ذويان بعض المواد في السوائل حيث أن معظم العناصر ينتج عنها حرارة عند إذابتها في السوائل.
حرارة خلط المواد الكيميائية Mixing Of Chemicals
عند خلط بعض المواد الكيميائية يحدث تفاعل ينتج درجة حرارة عالية.
(ب) الطاقة الحرارية الكهربائية Thermo Electrical Energy
لكي يمر التيار الكهربي تعبر الإلكترونات خلال الموصل من ذرة إلى أخري مصحوبة ببعض التصادمات مع جسيمات الذرات مما يؤدي إلى رفع درجة حرارة الموصل، ومن أنواعها:
حرارة المقاومة Resistance Heat
تتناسب كمية الحرارة المتولدة مع (مقاومة العنصر ومربع شدة التيار) لذلك تستطيع الأسلاك العارية أن تحمل تياراً أكبر من الأسلاك المعزولة كما تحمل الأسلاك المنفردة تياراً أكبر من الأسلاك المجدولة أو الكابلات حيث أن الحرارة الناتجة عن مرور التيار في الأسلاك العارية يسهل تشتتها في الهواء المحيط عن الأسلاك المعزولة وكذلك الأسلاك المفردة عن المجدولة.
الحرارة الناتجة عن التأريض Earthing Heat
يحدث نتيجة لقطع مفاجئ لأسلاك التيار الكهربائي واتصالها بالأرض حيث تفرغ الشحنة الكهربية في الأرض مولدة حرارة عالية قد تسبب إشعال أي مواد قابلة للإشتعال متصلة بمكان التفريغ الكهربي.
حرارة الكهرباء الإستاتيكية Electuostatic Heat
– وهي عبارة عن شحنات كهربية تتولد نتيجة اتصال أو انفصال سطح مادتين ببعضها أحدهما على الأقل غير موصل للتيار الكهربي وتكتسب إحدى المادتين شحنة موجبة والأخرى شحنة سالبة وفي حالة عدم التوصيل بالأرضي يزداد تراكم هذه الشحنات وتتولد شرارة كهربية تسبب الحرائق خصوصاً للسوائل والغازات الملتهبة.
حرارة خلل التوصيلات الكهربية Bad Connections
عند حدوث أي خلل في التوصيلات الكهربية (توصيلات غير ثابتة – توصيلات عشوائية) وحدوث تلامس بين طرفي الأطراف الموجبة والسالبة للتوصيلات يحدث قصر في الدائرة وشرر كهربي تتحدد شدته حسب شدة التيار المار في التوصيلات محدثاً اشتعال المواد القابلة للاشتعال في مجال الشرر الكهربي.
الحرارة الناتجة عن تحول الطاقة من صورة إلى أخرى energy modification
عند تحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة حرارية (المكواه الكهربية – الدفايات)، أو تحولها إلى طاقة ميكانيكية (المحركات الكهربية)، تنتج كمية من الحرارة قد تكفي لرفع درجة حرارة بعض المواد إلى درجة حرارة الاشتعال.
(جـ) الطاقة الحرارية الميكانيكية (Electro – Mechanical Energy)
حرارة الاحتكاك Friction Heat
عند احتكاك مادتين أو جسمين ببعضهما تنشأ نتيجة مقاومة الحركة بينهما طاقة حرارية وأي احتكاك لابد وأن ينشأ عنه حرارة.
شرارة الاحتكاك Friction Spark
عند اصطدام جسمين صلبين ببعضهما أحدهما على الأقل معدني ينتج عنه شرر مثل اصطدام الأدوات الحديدية بأرضية خرسانية.
حرارة الانضغاط Compression Heat
هي الحرارة التي تنشأ نتيجة ضغط غاز ما في وعاء محكم حيث تزداد الحرارة الداخلية للغاز نتيجة لتقارب المسافات بين ذرات العنصر وازدياد معدل سرعة التصادم والاحتكاك بين ذرات العنصر بعضها البعض.
التعريفات الهامة الخاصة بالحرارة
درجة حرارة الوميض Flashing Point
هي درجة الحرارة التي عندها تطلق المادة أبخرتها لتكون من أكسجين الهواء الجوي مخلوطاً صالحاً للإشتعال عند تقريب مصدر حراري. ويحدث وميض أثناء هذا الاشتعال ويتوقف الاشتعال ويختفي الوميض إذا أبعدنا المصدر الحراري.
درجة حرارة الإشتعال Ignition Point
هي درجة الحرارة التي تطلق عندها المادة القابلة للإشتعال أبخرتها بكمية كافية لتكون مخلوطاً مع أكسجين الهواء الجوي صالحا للإشتعال عند تقريب مصدر حراري. ويحدث وميض ولهب، ولا يتوقف هذا الاشتعال عند إبعاد المصدر الحراري بفعل سلسلة التفاعل.
الحرارة النوعية Specific Heat
هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من المادة درجة واحدة مئوية، وتقاس بالكالوري أو الكيلو كالوري.
فائدتها: كلما قلت الحرارة النوعية لمادة كانت سريعة لإمتصاص الحرارة من الوسط المحيط بها وبالتالي زادت سرعة اشتعالها أو تبخرها.
الحرارة الكامنة Latent Heat
هي كمية الطاقة الحرارية التي تكتسبها المادة من الوسط المحيط بها وتختزنها مسببة ارتفاع درجة حرارة المادة حتى الوصول إلى درجة حرارة الاشتعال.
كمية الحرارة الكامنة = كتلة المادة × الحرارة النوعية × فرق درجات الحرارة بين المادة والوسط المحيط بها
الحرارة الحرجة Critical Temperature
هي درجة الحرارة التي عندها تتساوى خواص السائل مع خواص بخاره حيث يضيع السطح الفاصل بينهما. بحيث يكون لدينا خلال تلك العملية طورين للمادة: الطور السائل، والطور الغازي.
وتتميز النقطة الحرجة بأنها درجة الحرارة (والضغط) الحرجين التي عندها يتلاشى الفرق بين الطورين، وتصبح المادة في حالة وسطية بين السائل وبخاره، يسمى السائل فوق تلك النقطة الحرجة (سائل فوق حرج Supercritical fluid
درجة غليان السوائل Boiling Point Liquid
هي درجة الحرارة التي تبدأ عندها السوائل في التحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية مما يؤدي إلى زياد الضغط الداخلي على جدار الوعاء الذي يحتوي على هذه السوائل.
وتزداد خطورة المواد السائلة عند انخفاض درجة غليانها.
الاحتراق الذاتي Auto Ignition
– هو عملية تسخين تلقائية ناتجة من ذات العادة دون تدخل من أي مؤثر حراري خارجي. ويستمر تخزين الحرارة الناتجة داخل المادة.
– ويحدث الإحتراق الذاتي عندما تصل درجة حرارة المادة إلى درجة حرارة إشتعالها ويتم ذلك في درجات الحرارة العادية بدون تدخل لأي مؤثر حراري خارجي مما يقتضى الأمر مضى فترات زمنية طويلة تختلف باختلاف نوع المادة.
عوامل حدوث ظاهرة الاحتراق الذاتي
يتوقف حدوث ظاهرة الاحتراق الذاتي على ما يلي:
مدى قابلية المادة للاتحاد مع الأكسجين أو امتصاصها للأكسجين (القابلية للتأكسد).
مقدار ما تختزنه المادة من وحدات حرارية دون أن تتسرب إلى الخارج ويتوقف ذلك على كمية المادة والحرارة النوعية لها.
دلائل حدوث الاحتراق الذاتي
تصاعد غازات مميزة كريهة الرائحة.. مثل رائحة كبريتيد الهيدروجين.
ظهور ضباب خفيف (أبخرة) أعلى سطح المادة.. وهو ناتج عملية التحلل والأكسدة.
وجود فجوات محترقة داخل الرصات أو البالات مع حدوث اصفرار للمواد التي تحتوي على كربون.
اختبارات معملية: الفحص الميكروسكوبي: يظهر بقايا مادة محترفة على شكل خلايا متماسكة داخله مادة صلبة.
أنواع المواد القابلة للإحتراق الذاتي Auto Ignited material
المجموعة الأولى:
– هذه المواد غير قابلة للاحتراق ولكن ترتفع درجة حرارتها عند اتصالها بالماء بالدرجة التي تؤدي إلى إشتعال مجاوراتها القابلة للاشتعال.
– مثل الجير الحي، فهو مادة غير قابلة للاحتراق ولكن عند إذابتها في الماء تنتج درجة حرارة عالية، وقد وجد أن رطل واحد من الجير الحي يعطي عند اتصاله بالماء ٤٩٥ سعر حراري وهي كمية من الحرارة تكفي لإحداث حريق بالمجاورات.
المجموعة الثانية:
-هي المواد التي تشتعل تلقائياً في درجة حرارة أقل من درجات حرارة الجو العادية أي أنها تشتعل عند تعرضها للهواء الجوي.
– ومنها الصوديوم ، البوتاسيوم ، الماغنيسيوم ، الفوسفور. ولذلك تحفظ هذه المواد أسفل سطح السوائل مثل زيت البرافين.
المجموعة الثالثة:
-هي المواد القابلة للاحتراق، ومن خصائصها قابليتها للاتحاد مع الأكسجين في درجات الحرارة العادية (التأكسد).
– مثل الزيوت النباتية والحيوانية، والدهون والمساحيق الدقيقة لبعض المواد (مسحوق الفحم النباتي).
المجموعة الرابعة:
وهي المواد العضوية المعرضة لتوالد البكتيريا مثل الجوت والقش والقطن.
