Ватра

За друге употребе, погледајте Ватра (вишезначна одредница).

Ватре на отвореном којом гори дрво

Паљење и гашење гомиле дрвеног триња

Мапа ватре приказује локације активно горуће ватре широм света на месечној основи, формирана према подацима умерено резолуцијског спектрорадиометра (MODIS) на Тера сателиту организације НАСА. Боје се базиране на броју ватри (а не њиховој величини) уочених унутар области од 1.000 km². Бели пиксели указују на висок број ватри, на чак и по 100 пожара на подручју од 1.000 km² дневно. Жути пиксели означавају области са до 10 пожара, наранџасти 5 пожара и црвене површине до једног пожара дневно.

Ватра

Ватра (или огањ) је брза оксидација материје у егзотермном хемијском процесу сагоревања, при чему се ослобађа топлота и светлост и разни реакциони продукти. Спорији оксидативни прицеси као што су рђање или варење нису обухваћени дефиницијом ватре. У зависности од материјала тај процес може да буде и буран при чему се ослобађаја велика количина топлоте праћена високим температурама и експлозијама, а материјал мења своје хемијске особине. Да би ватра могла да се одржи, потребни су гориво, кисеоник и температура. Укидањем било којег од та три фактора, сагоревање престаје, што ватрогасци имају у виду при гашењу пожара.

Ватра је топла због конверзије слабе двоструке везе молекула кисеоника, O₂, у јаче везе продуката сагоревања угљен-диоксида и воде, при чему се ослобађа енергија (418 kJ по 32 граму O₂); енергије веза горива играју само маљу улогу овде. У одређеној тачки реакције сагоревања, која се назива тачком паљења, настаје пламен. Пламен је видљива порција ватре. Пламенови се састоје првенствено од угљен-диоксида, водене паре, кисеоника и азота. Ако су довољно топли, гасови могу да постану јонизовани чиме формирају плазму. У зависности од запаљене супстанце, и спољашњих нечистоћа, боја пламена и њен интензитет ће бити различити.

Ватра у свом најчешћем облику може да доведе до пожара, који потенцијално може да узрокује физичка оштећења путем сагоревања. Ватра је важан процес који утиче на еколошке системе широм света. Позитивни ефекти ватре укључују подстицање раста и одржавање различитих еколошких система.

Негативни учинци ватре обухватају хазард по живот и својину, загађење атмосфере, и контаминацију воде. Ако ватра уклони заштитну вегетацију, тешке падавине могу да доведу до повећања земљишне ерозије водом. Исто тако, кад вегетација сагори, азот који она садржи се ослобађа у атмосферу, за разлику од елемената као што су калијум и фосфор, који се задржавају у пепелу и бивају брзо рециклирани у земљиште. Овај губитак азота узрокован ватром производи дуготрајну редукцију плодности земљишта, у коме се веома споро врши повраћај азота процесом „фиксирања” из атмосфере дејством муња и помоћу биљки махунарки, као што је детелина.

Људи су користили ватру у ритуалима, у пољопривреди за чишћење земљишта, за кување, генерисање топлоте и светла, за сигнализацију, у погонске сврхе, таљење руде, ковање метала, спаљивање отпада, кремирање, и као оружје или начин уништења.

Ватра као појава

Стварање пламена

Главни чланак: Сагоревање

Тетраедар ватре.

Стварање пламена при сагоревању није обавезна карактеристика сагоревања сваког материјала. Уколико чврста супстанца не испарава на температури која се постиже сагоревањем, неће се видети пламен. Такав је случај са гвожђем када гори у кисеонику. Интензитет светлости потиче заправо од усијања гвожђа. Чврсте супстанце које испаравају на температури која се постиже сагоревањем, попут фосфора и сумпора, горе са приметним пламеном.

Ватра почиње када се запаљиви материјал, у комбинацији са довољном количином оксидатора као што је гас кисеоник или друго кисеоником богато једињење (мада некисеонични оксидатори постоје), изложи извору топлоте или температури амбијента изнад тачке паљења за мешавину горива и оксидатора, и када се може одржати стопа брзе оксидација којом се формира ланчана реакција. Ово се обично назива тетраедром ватре. Ватра не може да постоји без свих тих елемената на једном месту и у одговарајућој пропорцији. На пример, запаљива течност ће почети да гори једино ако су гориво и кисеоник у одговарајућим пропорцијама. Неким смешама горива и кисеоника је неопходан катализатор, супстанца која не бива конзумирана, кад је додата у било коју хемијску реакцију током сагоревања, али која омогућава реактантима да лакше сагоревају.

Након паљења, ланчана реакција се мора одвијати тако да ватра може да одржава властиту топлоту путем даљег ослобађања топлотне енергије у процесу сагоревања. Неопходно је и да ватра може да се шири, до чега долази ако постоји континуиран приступ оксидатору и гориву.

Ако је окисидатор кисеоник из окружујућег ваздуха, присуство гравитационе силе, или неке сличне силе узроковане убрзањем, је неопходно да се произведе конвекција, којом се уклањају производи сагоревања и доноси кисеоник у ватру. Без гравитације, ватра се брзо окружује сопственим производима сагоревања и неоксидирајућим гасовима из ваздуха, чиме се ускраћује приступ кисеонику, те долази до гашења ватре. Због тога је ризик од ватре у свемирској летелици мали, кад она кружи у инерцијалном лету. Ово није случај ако се кисеоник испоручује у ватру неким процесом, а не топлотном конвекцијом.

Ватра се може угасити уклањањем једног од елемената тетраедра ватре. Примера ради може се размотрити пламен природног гаса, као што је горионик шпорета. Ватра се може угасити било којим од следећих приступа:

• искључивање напајања гасом, чиме се уклања извор горива;
• комплетно покривање пламена, чиме се гуши пламен јер сагоревање користи доступни оксидатор (кисеоник из ваздуха) и потискује га из области око пламена помоћу CO₂;
• примена воде, чиме се уклања топлота из ватре брже него што ватра може да је ослободи (слично томе, снажно дување на пламен може у потпуности да одвоји топлоту тренутно горећег гаса од његогово извора горива), или
• примена ретардантних хемикалија као што је халон на пламен, које ретардирају саму хемијску реакцију све док сама брзина сагоревања није преспора за одржавање ланчане реакције.

У контрасту с тим, ватра се интензивира повећањем свеукупне брзине сагоревања. Методе да се то оствари укључују балансирање улаза горива и оксидатора у стехиометријским пропорцијама, повећање улазне количине горива и оксидатора у виду те балансиране смеше, повећање температуре амбијента тако да топлота саме ватре може лакше да одржва сагоревање, или унос катализатора; нереактантског медијума у коме гориво и оксидатор могу лакше да реагују.

Пламен

Главни чланак: Пламен

Види још: Тест пламеном

Пламен свеће

Северозападни крунски експеримент, Канада

Слика ватре снимљена са експозитуром од 1/4000 секунде

Ватра је под утицајем гравитације. Лево: Пламен на Земљи; Десно: Пламен на Међународној свемирској станици.

Пламен је смеша реагујућих гасова и чврстог материјала која емитује видљиво, инфрацрвено, и понекад ултраљубичасто светло, чији фреквентни спектар зависи од хемијске композиције горућег материјала и интермедијарних реакционих продуката. У многим случајевима, као што је сагоревање органске материје, на пример дрвета, или некомплетно сагоревање гаса, ужарене чврсте честице зване чађ производе познати црвено-наранџасти сјај 'ватре'. Та светлост има континуирани спектар. Комплетно сагоревање гаса производи тамно плаву боје због емисије зрачења на појединачним таласнима дужинама услед различитих електронских транзиција у побуђеним молекулима формираним у пламену. Обично је обухваћен кисеоник, мада водонично сагоревање хлора исто тако поризводи пламен, и при томе се формира хлороводоник (HCl). Них друге комбинација производи пламен, неке од којих су, флуор у водоник, и хидразин и азот тетроксид. Пламенови водоника и хидразина/диметилхидразина су слично бледо плави, док сагоревање елемента бора и његових једињења, која су тестирана средином 20. века као високо енергетско гориво за млазне и ракетне моторе, емитује интензивно зелени пламен, што је довело до неформалног надимка „зелени змај”.

Сјај пламена је сложен. Зрачење црног тела се емитује из чађи, гаса и честица горива, иако су честице чађи сувише мале да би се понашале као савршена црна тела. Исто тако присутна је емисија фотона услед силаска атома и молекула са својих побуђених орбитала у гасовима. Већи део зрачења се емитује у видљивим и инфрацрвеним опсезима. Боја зависи од температуре зрачења црног тела и хемијског састава емисионог спектра. Доминантна боја пламена се мења са температуром. Фотографија шумског пожара у Канади је одличан пример ове варијације. Близу тла, где се већина сагоревања одвија, ватра је бела, што је најтоплија могућа боја за органски материјал уопште, или жута. Изнад жуте регије, боја се мења у наранџасту, која је хладнија, а затим у црвену, која је још хладнија. Изнад црвене регије, сагоревање се више не одвија, а честице угљеника су видљиве као црни дим.

Уобичајена дистрибуција пламена под нормалном гравитацијом зависи од конвекције, тако да чађ тежи да се попне до врха пламена, као што је случај са свећом при нормалним гравитационим условима, што га чини жутим. При микрогравитацији или нултој гравитацији, попут окружења у дубокој васиони, више не долази до конвекције, и пламен постаје сферичан, са тенденцијом да постане плавији и ефикаснији (иако се лако гаси, уколико се стално не помера, пошто се CO₂ формиран сагоревањем не распршује једнако брзо при микрогравитацији, и има тенденцију гушења пламена). Постоји неколико могућих објашњења за ову разлику, од којих је највероватније да је температура довољно равномерно распоређена да се не ствара чађ и да долази до потпуног сагоревања. Експерименти које је спровела НАСА су показали да дифузиони пламенови у микрогравитацији омогућавају да се више чађи комплетно оксидује након што је формирана него у дифузним пламеновима на Земљи, услед серије механизама који се другачије понашају при микрогравитацији у одрносу на нормалне гравитационе услове. Ова открића имају могуће примене у примењеној науци и индустрији, посебно у погледу ефикасности горива.

У моторима са унутрашњим сагоревањем, разни кораци су предузети да се елиминише пламен. Метод зависи углавном од тога да ли је гориво уље, дрво или високоенергетско гориво као што је млазно гориво.

Боја пламена

Палидрвце у пламену

Боја пламена се разликује у зависности од врсте материјала/супстанце која гори. Ово својство се може искористити у аналитичкој хемији. Сумпор гори на ваздуху плавим пламеном, силицијум-хидрид бледозеленим, ацетилен светложућкастим, а соли стронцијума карминцрвеном бојом пламена.

„Конструкција“ пламена

Пламен свеће је пламен са двоструким омотачем.

Осим што може имати различити облик, пламен може имати и различиту „конструкцију“. Она зависи од природе гаса који сагорева. Позната су два типа пламена: са једним омотачем и са двоструким омотачем.

Пламен са једним омотачем је најпростија врста пламена. Састоји се из два конуса: унутрашњег несагорелог гаса и спољашњег у коме се дешава хемијска реакција, а као пример може послужити сагоревање водоника у кисеонику.

Пламен са двоструким омотачем је типичан за сагоревање угљоводоника. Ово је сложенији тип пламена, јер је сложенији низ реакција које се у њему врше. Бунзенова грејалица нема овакав пламен.

Луминозност пламена

Док водоник гори једва видљивим пламеном на дневној светлости, неке друге супстанце дају пламен чија је светлост јасна и веома јака. Такав је случај код незасићених угљоводоника као што је етилен. Некада се сматрало да је то зато што такав пламен садржи усијане честице чврстих супстанци (Девијева теорија о чврстој честици) и постојање таквих честица приликом сагоревања свеће је успешно доказано 1875. године помоћу Соретове оптичке пробе. Данас се зна да ипак сваки светлији пламен не садржи усијане честице. Дејви је у току својих експеримената показао да се луминозност пламена повећава са притиском, а смањује са разређивањем. Франкланд је поставио теорију да луминозност најпре потиче од усијања тешких угљоводоника него од присуства чврстих честица. Међутим, као противаргумент овој теорији је чињеница да када се промени притисак атмосфере и сами тешки угљоводоници дају мутни пламен који садржи чврсте супстанце. Осим притиска, на луминозност утиче и температура. Температура у чистом кисеонику је већа, јер у ваздуху се налази и азот који разблажује. Тако је пламен фосфор-водоника у чистом кисеонику засењујуће сјајан. Такође, фосфор гори у хлору много светлијим пламеном када је хлор врео него када је хладан.

Температура пламена

Пламен бунзенове грејалице.

Температура пламена зависи од врсте горива, али зависи и од конструкције пламена, што значи да није једнака температура на сваком делу пламена Бунзенове грејалице, на пример. Паљење папира се дешава на 184 °C, сагоревање дрвета на 250 °C, а пламен природног гаса достиже 660 °C.

Температура пламена са честицама угљеника које емитују светлост се може одредити према боји те светлости:

• Црвена
  • Тек да може да се види: 525 °C (977 °F)
  • Слаба: 700 °C (1290 °F)
  • Боја трешње, слаба: 800 °C (1470 °F)
  • Боја трешње, пуна светлост: 900 °C (1650 °F)
  • Боја трешње, чиста: 1000 °C (1830 °F)
• Наранџаста
  • Загасита: 1100 °C (2010 °F)
  • Чиста: 1200 °C (2190 °F)
• Бела
  • Беличаста: 1300 °C (2370 °F)
  • Јасна: 1400 °C (2550 °F)
  • Бљештава: 1500 °C (2730 °F)

Ватра као почетак цивилизације

У почетку су људи ватру користили само онакву какву су је налазили у природи, без знања о томе како да је створе и одрже.

Једна од првих вештина која је утицала на настанак човека је вероватно вештина обраде камена и праљуди су њоме овладали пре више од 2.000.000 година. Приближно тада, појавио се припадник рода Хомо (Homo). Споразумевао се крицима и покретима руку, а карактерисала га је вештина прављења оруђа. Назван вешти човек или Хомо хабилис, овладао је обрадом камена. Са обрадом камена повезана је и вештина овладавања ватром, будући да окресивање камена може да ослободи варнице. Ипак, није извесно како су праљуди Хомо Еректус пре 500.000 до 400.000 година, или можда и дупло више од тога, долазили до ватре чији трагови су пронађени у њиховим стаништима. У неком ближе непознатом тренутку прачовек је открио начин да варницу из камена одржи и преобрази у ватру. Сматра се да је тада ватра доместификована, тј. припитомљена.

Најстарија ватришта у Европи, археолошки су документована нагорелим облуцима. Употреба ватре подразумева и увођење многих правила у вези с њеним одржавањем, на којима се заснивају сва каснија веровања и ритуали везани за огњиште.

Ватра је променила живот првих људи, изменила је исхрану, умањила опасност од хладноће, страх од мрака, смањила ризик од напада дивљих животиња, продужила време индивидуалног деловања и друштвеног окупљања, допринела развоју говора, језика и комуникације, традиција, маште и стварању атмосфере погодне за настанак првих легенди и митова. Прва веровања везана за ватру и огњиште датују се најкасније пре око 400.000 година.

У доба Антике ватра је била симбол богиње Хестије, и римској митологији Весте.

Хестија, богиња домаћег огњишта, била је кћерка титана Хрона. По рођењу отац ју је прогутао, у страху од губитка власти. Као божанско биће Хестија је живела у утроби оца све док је није ослободио њен најмлађи брат Зевс. Култ огњишта негован је у свакој кући, отац породице обављао је дужност богињиног свештеника. Заједничко огњиште целе Грчке симболисала је Хестија у Делфима. Била је заштитница насеља, државе, богиња слоге и реда.

Римска богиња ватре и огњишта била је Веста, заштитница породице, а у ширем смислу, и целог града Рима и римске држава. Као заштитница Рима имала је на Форуму кружни храм који је подсећао на огњиште и у којем је чувана вечита ватра о којој су се старале Весталке, које су у храму биле под заветом вечне невиности. Мушкарцима је био забрањен улаз у храм. Постојала је још једна загонетна староиталска богиња о чијем су се култу старале Весталке - Кака. Да би се објаснио њен култ смишљена је прича да је открила Херкулу сколниште где су сакривена украдена говеда. Као накнаду у Риму је у њену част одржавана стална ватра.

Код Словена је био јако развијен култ ватре, који се временом преобразио у култ огњишта. У вези са овим култом је и спаљивање покојника чијим обредом се душа умрлог заједно са димом ватре подизала ка небу где се налазило вечно обитавалиште умрлих.

Литература

• Grove, A T; Rackham, Oliver (2001). The Nature of Mediterranean Europe: An Ecological History. New Haven, CT: Yale University Press. ISBN 978-0300100556. Приступљено 17. 7. 2009. 
• Lyons, John W (1971). The Chemistry and Uses of Fire Retardants. United States of America: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-55740-1. 
• Karki, Sameer (2002). „Community Involvement in and Management of Forest Fires in South East Asia” (PDF). Project FireFight South East Asia. Архивирано из оригинала (PDF) 25. 2. 2009. г. Приступљено 13. 2. 2009. 
• Haung, Kai. 2009. Population and Building Factors That Impact Residential Fire Rates in Large U.S. Cities. Applied Research Project. Texas State University. TXstate.edu
• Poinsot, Thierry; Veynante, Denis (2012). Theoretical and Numerical Combustion (3rd изд.). European Centre for Research and Advanced Training in Scientific Computation. 
• Lackner, Maximilian; Winter, Franz; Agarwal, Avinash K., ур. (2010). Handbook of Combustion, 5 volume set. Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-32449-1. 
• Baukal, Charles E., ур. (1998). Oxygen-Enhanced Combustion. CRC Press. 
• Glassman, Irvin; Yetter, Richard. Combustion (Fourth изд.). 
• Turns, Stephen (2011). An Introduction to Combustion: Concepts and Applications. 
• Ragland, Kenneth W; Bryden, Kenneth M. (2011). Combustion Engineering (Second изд.). 
• Baukal, Charles E. Jr, ур. (2013). „Industrial Combustion”. The John Zink Hamworthy Combustion Handbook: Three-Volume Set (Second изд.). 
• Gardiner, W. C. Jr (2000). Gas-Phase Combustion Chemistry (Revised изд.). 
• Lentile, Leigh B.; Holden, Zachary A.; Smith, Alistair M. S.; Falkowski, Michael J.; Hudak, Andrew T.; Morgan, Penelope; Lewis, Sarah A.; Gessler, Paul E.; Benson, Nate C. (2006). „Remote sensing techniques to assess active fire characteristics and post-fire effects”. International Journal of Wildland Fire. 3 (15): 319—345. doi:10.1071/WF05097. 
• Kosman, Admiel: Sacred fire. In: Thu, 13. 1. 2011.
• Billing, P (јун 1983). „Otways Fire No. 22 – 1982/83 Aspects of fire behaviour. Research Report No.20” (PDF). Victoria Department of Sustainability and Environment. Приступљено 26. 6. 2009. 
• de Souza Costa, Fernando; Sandberg, David (2004). „Mathematical model of a smoldering log” (PDF). Combustion and Flame (139): 227—238. Приступљено 6. 2. 2009. 
• „Evaluation of three wildfire smoke detection systems” (PDF). Advantage. 5 (4). јун 2004. Архивирано из оригинала (PDF) 26. 2. 2009. г. Приступљено 13. 1. 2009. 
• „Federal Fire and Aviation Operations Action Plan” (PDF). National Interagency Fire Center. 18. 4. 2005. Приступљено 26. 6. 2009. 
• Finney, Mark A (март 1998). „FARSITE: Fire Area Simulator—Model Development and Evaluation” (PDF). US Forest Service. Архивирано из оригинала (PDF) 26. 2. 2009. г. Приступљено 5. 2. 2009. 
• „Fire. The Australian Experience” (PDF). NSW Rural Fire Service. Архивирано из оригинала (PDF) 22. 7. 2008. г. Приступљено 4. 2. 2009. 
• „Glossary of Wildland Fire Terminology” (PDF). National Wildfire Coordinating Group. новембар 2008. Приступљено 18. 12. 2008. 
• Graham, Russell; McCaffrey, Sarah; Jain, Theresa B (април 2004). „Science Basis for Changing Forest Structure to Modify Wildfire Behavior and Severity” (2.79 MB PDF). General Technical Report RMRS-GTR-120. Fort Collins, CO: United States Department of Agriculture, Forest Service, Rocky Mountain Research Station. Приступљено 6. 2. 2009. 
• Climatic change, wildfire, and conservation [PDF]. Conservation Biology. 2004;18(4):890-902. doi:10.1111/j.1523-1739.2004.00492.x.
• „National Wildfire Coordinating Group Communicator's Guide for Wildland Fire Management: Fire Education, Prevention, and Mitigation Practices, Wildland Fire Overview” (PDF). National Wildfire Coordinating Group. Архивирано из оригинала (PDF) 17. 9. 2008. г. Приступљено 11. 12. 2008. 
• Nepstad, Daniel C (2007). „The Amazon's Vicious Cycles: Drought and Fire in the Greenhouse” (PDF). World Wide Fund for Nature (WWF International). Приступљено 9. 7. 2009. 
• Olson, Richard Stuart; Gawronski, Vincent T (2005). „The 2003 Southern California Wildfires: Constructing Their Cause(s)” (PDF). Quick Response Research Report. 173. Архивирано из оригинала (PDF) 13. 7. 2007. г. Приступљено 15. 7. 2009. 
• Pausas, Juli G; Keeley, Jon E (2009). „A Burning Story: The Role of Fire in the History of Life” (PDF). BioScience. 59 (7): 593—601. ISSN 0006-3568. doi:10.1525/bio.2009.59.7.10. 
• Peuch, Eric (26—28. април 2005). „Firefighting Safety in France” (PDF). Ур.: Butler, B W.; Alexander, M E. Eighth International Wildland Firefighter Safety Summit – Human Factors – 10 Years Later (PDF). Missoula, Montana: The International Association of Wildland Fire, Hot Springs, South Dakota. Архивирано из оригинала (PDF) 28. 9. 2007. г. Приступљено 27. 9. 2007. 
• Pitkänen, Aki; Huttunen, Pertti; Jungner, Högne; Meriläinen, Jouko; Tolonen, Kimmo (28. 2. 2003). „Holocene fire history of middle boreal pine forest sites in eastern Finland” (PDF). Annales Botanici Fennici. 40: 15—33. ISSN 0003-3847. 
• van Wagtendonk, Jan W (2007). „The History and Evolution of Wildland Fire Use” (PDF). Fire Ecology. 3 (2): 3—17. doi:10.4996/fireecology.0302003. Архивирано из оригинала (PDF) 2. 9. 2016. г. Приступљено 24. 8. 2008. 
• Логос, Александар А. (2017). Путовање мисли : увод у потрагу за истином. Београд. 

Спољашње везе

• How Fire Works at HowStuffWorks
• What exactly is fire? from The Straight Dope
• On Fire, an Adobe Flash-based science tutorial from the NOVA (TV series)
• 20 Things You Didn't Know About... Fire from Discover magazine