Огонь это плазма или нет. Является ли огонь плазмой: особенности пламени и его физическая природа — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что представляет собой огонь с точки зрения физики. Можно ли считать пламя плазмой. Какие факторы влияют на состояние вещества в огне. Как определить, является ли конкретное пламя плазмой или нет.

Содержание

Физическая природа огня: газ, плазма или что-то другое?

Огонь — одно из самых загадочных и завораживающих явлений природы. Люди используют его тысячелетиями, но до сих пор ведутся споры о его физической сущности. Является ли пламя газом, плазмой или чем-то иным? Давайте разберемся в этом вопросе с научной точки зрения.

Основные характеристики огня

Прежде чем определять агрегатное состояние огня, вспомним его ключевые свойства:

Высокая температура
Излучение видимого света
Изменчивая форма
Способность распространяться
Наличие химических реакций

Эти особенности уже говорят о том, что огонь — сложное и динамичное явление. Но к какому состоянию вещества его можно отнести?

Огонь — это газ или нечто большее?

На первый взгляд может показаться, что огонь — это просто раскаленный газ. Действительно, в пламени присутствуют газообразные вещества: продукты горения, нагретый воздух. Однако такое объяснение не учитывает всех нюансов.

В огне происходят сложные физико-химические процессы. Помимо газов, в пламени присутствуют:

Твердые частицы (сажа, пепел)
Жидкие капли (например, расплавленный металл при горении магния)
Свободные электроны и ионы

Поэтому рассматривать огонь просто как газ было бы неверно. Многие ученые склоняются к тому, что пламя ближе по своим свойствам к плазме.

Является ли огонь плазмой?

Плазма считается четвертым агрегатным состоянием вещества наряду с твердым, жидким и газообразным. Ее ключевое отличие — наличие свободных заряженных частиц (электронов и ионов).

Можно ли отнести огонь к плазме? Ответ неоднозначен и зависит от конкретных условий горения. Рассмотрим основные факторы:

Температура пламени

Чем выше температура, тем больше вероятность образования плазмы. При низких температурах (например, в пламени свечи) степень ионизации невелика. А вот в ацетиленовой горелке или электрической дуге уже формируется настоящая плазма.

Состав горючего вещества

Некоторые вещества при горении легче образуют заряженные частицы. Например, пламя, содержащее пары щелочных металлов, с большей вероятностью будет плазмой.

Давление

При низком давлении ионизация происходит легче. Поэтому в условиях вакуума даже относительно холодное пламя может проявлять свойства плазмы.

Как определить, является ли конкретное пламя плазмой?

Существуют несколько критериев, по которым можно судить о плазменной природе огня:

Электропроводность пламени
Реакция на электромагнитное поле
Спектр излучения
Степень ионизации вещества

Если пламя хорошо проводит электрический ток, отклоняется в магнитном поле и имеет характерный спектр излучения с яркими линиями — вероятно, мы имеем дело с плазмой.

Особенности плазмы в огне

Даже если пламя можно считать плазмой, оно обладает рядом уникальных свойств:

Неравновесность — электроны имеют гораздо более высокую температуру, чем ионы и нейтральные частицы
Нестационарность — параметры плазмы быстро меняются во времени
Неоднородность — свойства сильно различаются в разных участках пламени

Эти особенности делают огонь очень сложным объектом для изучения и моделирования.

Практическое значение плазменной природы огня

Понимание плазменных свойств пламени важно для многих практических приложений:

Разработка более эффективных горелок и двигателей
Создание новых методов пожаротушения
Совершенствование плазменных технологий (сварка, резка металлов)

Улучшение систем диагностики процессов горения

Изучение плазменной природы огня открывает новые возможности для управления процессами горения и использования энергии пламени.

Современные исследования плазменных свойств огня

Ученые продолжают активно изучать плазменные аспекты горения. Некоторые актуальные направления исследований:

Компьютерное моделирование плазмы в пламени
Экспериментальные методы диагностики заряженных частиц в огне
Влияние электрических и магнитных полей на процессы горения
Разработка новых типов плазменных горелок

Эти работы позволяют глубже понять физику пламени и открывают новые перспективы для практических приложений.

Заблуждения о плазменной природе огня

Существует ряд распространенных заблуждений о плазме в огне:

Любое пламя является плазмой
Плазма в огне всегда полностью ионизирована
Свечение пламени обязательно связано с плазмой
Плазменные свойства огня не имеют практического значения

На самом деле, как мы выяснили, не каждое пламя содержит плазму. Степень ионизации может быть очень разной, а свечение часто вызвано просто нагретыми твердыми частицами. При этом плазменные эффекты играют важную роль во многих технологиях.

Огонь как сложная физико-химическая система

Подводя итог, можно сказать, что огонь представляет собой уникальное явление, которое нельзя однозначно отнести к какому-то одному агрегатному состоянию. В зависимости от условий, пламя может проявлять свойства газа, жидкости или плазмы.

Корректнее всего рассматривать огонь как сложную динамическую систему, в которой одновременно происходят:

Химические реакции
Тепло- и массоперенос
Излучение света
Ионизация и рекомбинация частиц
Гидродинамические процессы

Именно эта многогранность делает огонь таким завораживающим и важным объектом научных исследований. Понимание всех аспектов горения, включая плазменные эффекты, позволяет нам все эффективнее использовать энергию огня и управлять процессами горения.

Огонь содержит плазму?

Ответ на этот вопрос сложнее, чем думает большинство людей. Некоторые виды пламени действительно содержат плазму, а некоторые нет. Чтобы правильно ответить на этот вопрос, мы действительно должны сначала четко определить, что мы подразумеваем под «плазмой».

Хрестоматийное определение плазмы — это ионизированный газ. «Ионизированный газ» означает, что некоторые электроны полностью оторваны от атомов, составляющих газ. Фактически свободные электроны заряжаются отрицательно, а образующиеся ионизированные атомы в конечном итоге заряжаются положительно.

«Ион» — это атом с неравным числом электронов и протонов . Это определение является хорошей отправной точкой, но недостаточно точным. Каждый газ содержит несколько ионов и освобожденных электронов, но не каждый газ является плазмой. Должна быть какая-то точка отсечки, где в газе достаточно ионов, чтобы он начал действовать как плазма.

Что значит действовать как плазма? Плазма — это ионизированный газ, который отражает низкочастотные электромагнитные волны, такие как радиоволны. Если описать на более простом уровне, плазма экранирует электрические поля. Плазма способна на это, потому что достаточное количество отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ионов локально свободны и могут связываться друг с другом коллективным образом на большие расстояния.

Коллективное поведение ионов и электронов означает, что они могут сильно реагировать на падающие электрические поля и двигаться, чтобы нейтрализовать эти поля. Следовательно, более строгое определение плазмы — это газ, в котором имеется достаточно свободных электронов и ионов, чтобы они действовали коллективно.

Расстояние, на которое внешнее электрическое поле может проникнуть в облако заряженных частиц, характеризуется «длиной Дебая». Чем больше атомов ионизировано, тем сильнее коллективные колебания зарядов и тем меньше длина Дебая. Таким образом, самое строгое определение плазмы — это ионизированный газ с достаточной ионизацией, так что длина Дебая значительно меньше ширины газового облака.

В пламени ионизация атомов воздуха происходит потому, что температура достаточно высока, чтобы атомы столкнулись друг с другом и оторвали электроны. Следовательно, в пламени степень ионизации зависит от температуры. (Другие механизмы могут привести к ионизации. Например, при молнии сильные электрические токи вызывают ионизацию. В ионосфере солнечный свет вызывает ионизацию.)

Суть в том, что пламя становится плазмой только в том случае, если оно достаточно нагревается. Пламя при более низких температурах не содержит достаточной ионизации, чтобы превратиться в плазму. С другой стороны, пламя с более высокой температурой действительно содержит достаточно свободных электронов и ионов, чтобы действовать как плазма.

Например, обычная восковая свеча имеет пламя, которое горит при максимальной температуре 1500 градусов по Цельсию, что слишком мало для образования очень большого количества ионов.

Таким образом, пламя свечи — это не плазма. Обратите внимание, что яркие красно-оранжево-желтые цвета, которые мы видим в пламени, не созданы из пламени, являющегося плазмой. Скорее, эти цвета излучаются не полностью сгоревшими частицами топлива («сажей»), которые настолько горячие, что светятся.

Если вы закачаете достаточно кислорода в пламя, сгорание станет полным и красно-оранжево-желтое пламя исчезнет.

Имея это в виду, должно быть ясно, что пламя свечи излучает свет, даже если это не плазма. В отличие от пламени свечи, некоторые горящие смеси ацетилена могут достигать температуры 3100 градусов Цельсия, с соответствующей длиной Дебая 0,01 миллиметра.

Таким образом, такое пламя является плазмой. Другое пламя, в том числе пламя костров, газовых печей и зажигалок, имеет температуру, которая находится где-то между этими двумя крайними значениями, и поэтому может быть плазмой, а может и не быть.

Обычное пламя, например, от сжигания дерева, древесного угля, бензина, пропана или природного газа, обычно недостаточно горячее, чтобы действовать как плазма.

Подпишитесь на наш канал в Telegram

«Что такое огонь с точки зрения физики? Имеет ли он массу? Можно ли его потрогать?» — Яндекс Кью

Является ли огонь газом? Это не твердое тело и не жидкость, так это газ? | Примечания и запросы

Является ли огонь газом? Это не твердое тело и не жидкость, так это газ? | Примечания и вопросы | Guardian.

co.uk

Категории
Укромные уголки
Прошлый год
Семантические загадки
Тело красивое
Бюрократия, белая ложь
Спекулятивная наука
Этот остров со скипетром
Корень зла
Этические загадки
Эта спортивная жизнь
Сцена и экран
Птицы и пчелы

СПЕКУЛЯТИВНАЯ НАУКА

Является ли огонь газом? Это не твердое тело и не жидкость, так это газ?

Луи Хескет (7 лет), Бат, Великобритания

Не является ли это комбинацией газов — кислорода, необходимого для питания этой штуки, плюс газов, выделяемых тем, что горит?
Шон Туз, Барроу-ин-Фернесс, Англия, Великобритания

Частицы материалов в огне излучают свет при нагревании и танцуют с продуктами горения, когда каждый материал распадается на свои компоненты. Таким образом, вы получаете раскаленные докрасна и раскаленные до желтого цвета частицы с испускаемым газом, которые отрываются от воздуха и соединяются с ним, и таким образом мерцают языки пламени в случайных структурах фракционирования и комбинации.
Николас Хьюлетт, Брэдфорд, Великобритания

Огонь — это плазма, а не газ или твердое тело. Это своего рода переходное состояние между составом элементов до воспламенения и отработавшими газами (дым — твердые частицы и газы = молекулы газа). состояние, которое испускает энергию в виде света и тепла (Пламя). Когда-то ему дали имя «Флагистон», но его никогда нельзя было захватить (очевидно), поскольку это изменение энергетического состояния, а не вещество.
Барри Купер, Блэкпул, Великобритания

Это не газ и не твердое вещество. Это плазма. Излучение света и тепла в переходном состоянии, когда горючее соединяется с окислителем (обычно кислородом). Поскольку оно преходяще, его нельзя уловить, и оно существует только в момент преобразования одного набора атомов или молекул в другой набор молекул.
Барри Купер, Блэкпул, Великобритания

Обычное пламя недостаточно горячо, чтобы создать настоящую плазму при нормальном атмосферном давлении. Видеть http://en.wikipedia.org/wiki/Плазма_(физика) для определения плазмы. Пламя – это тлеющие продукты горения.
Г. Бейкер, С. Окендон, Великобритания

Добавьте свой ответ

тепла — это огненная плазма?

Во-первых, «Огонь», по многочисленным комментариям и ответам [здесь][1] — это «процесс», в таком случае ответ на вопрос будет «нет», так как плазма — это состояние вещества. Было бы несправедливо оставить его там, обвиняя семантику, и, учитывая обильные ссылки на область «пламя», я собираюсь предположить, что именно это и имел в виду вопрос. Я также предполагаю, что доказательство того, что пламя свечи представляет собой плазму, достаточно для достаточного ответа на вопрос.

Из некоторых статей (быстрый поиск в Google дал мне [2,3]), что пламя имеет ионизированное содержимое и что оно электропроводно. Я подозревал, что не все пламена являются проводящими, но [3] включает утверждение:

Давно известно, что пламя обладает высокой электропроводностью и может искажаться электрическим полем.

Источники [4] и [5], а также множество других источников, включая видео на YouTube [6], утверждают, что пламя свечи ионизировано, и именно поэтому на пламя воздействует электрическое поле.

Теперь это плазма?

«Плазменная коалиция», которая представляет собой коалицию многих известных институтов по всему миру [7], утверждает, что одной ионизации недостаточно, но необходимо ионизировать достаточное количество атомов, чтобы существенно повлиять на электрические характеристики газа. чтобы его можно было назвать плазмой. В одном из своих документов [8] это описание расширено очень подробно.

На самом деле есть статья, посвященная этому вопросу, [8], в которой говорится, что некоторые языки пламени содержат плазму , а другие нет. Далее он расширяется достаточно подробно, утверждая, что ответ зависит от региона, того, что горит, температуры и т.д. в пламени, по состоянию на 2008 год.

Множество источников, утверждающих, что пламя (например, пламя свечи) является плазмой, ссылаются на тот факт, что оно ионизировано.

Книга Фрэнсиса Ф. Чена [10] включает в себя упражнение на странице 12, которое подразумевает, что типичное пламя является плазмой. Это утверждение повторяется в [4] и [5] (относится к пламени свечи).

Мой вывод

Я понимаю, что в статье [8] Плазменная коалиция говорится, что температура свечи слишком низка для значительной ионизации, но технически эксперименты, упомянутые выше [2,4, 6], демонстрирующий значительный эффект пламени в электрическом поле, в сочетании с теоретическими предсказаниями [3,10], кажется, подразумевает, что пламя действительно является плазмой. Даже по условию, заявленному Плазменная Коалиция [11] сама!

Мне показалось интересным, что в старой статье [3] предлагается объяснить чрезмерное количество ионов, образующихся в углеводородных пламенах, предполагая, что это отчасти происходит из-за кумулятивного возбуждения или хемиионизации. Не знаю, актуально ли это сегодня.

$\ \ $ [1] Является ли огонь материей или энергией?

$\ \ $ [2] Электрические свойства пламени: Пламя горелки в продольных электрических полях. Хартвелл Ф. Калкот и Роберт Н. Пиз. Инд.Инж. хим. 43 № 12, стр. 2726–2731 (1951).

$\ \ $ [3] Механизмы образования ионов в пламени. Х. Ф. Калькоте. Горение. Пламя. 1 № 4, стр. 385–403 (1957).

$\ \ $ [4] Волны в запыленной космической плазме . Франк Верхест (Kluwer Academic, 2000, Нидерланды).

$\ \ $ [5] Солнце, Земля и Небо . Кеннет Р. Ланг (Springer, 2006, Берлин).

$\ \ $ [6] Что в пламени свечи , Канал Veritasium на YouTube.