Парадокс горения: может ли воздух быть топливом?

Поставленный вопрос о возможности горения воздуха может показаться абсурдным и лишенным логики. Однако данное предположение базируется на экспериментальном факте, который при поверхностном рассмотрении выглядит крайне необычно. Суть явления кратко формулируется следующим образом: нам известно, что светильный газ способен гореть в атмосфере воздуха, но в определенных условиях можно осуществить и обратный процесс — сжигание воздуха в среде светильного газа. Этот эксперимент не требует сложного оборудования и легко воспроизводится в лабораторных условиях.

Для проведения опыта чистый светильный газ (без примеси воздуха) подается через стеклянный кран в большой ламповый цилиндр, герметично закрытый с одного конца пробкой. Учитывая, что плотность газа ниже плотности воздуха, цилиндр фиксируют в штативе открытым концом вниз. Подающую трубку G вводят внутрь, подводя ее непосредственно под пробку. Альтернативным методом является подача газа через отверстие в самой пробке. По мере заполнения объем цилиндра освобождается от воздуха, и газ можно поджечь. При непрерывной подаче газа для восполнения его расхода в нижней части, пламя будет существовать постоянно.

Далее необходимо подготовить источник воздуха с регулируемой, не слишком интенсивной струей. Удобно использовать устройство, изображенное на рис. 22, где воздух вытесняется из одной бутыли водой, поступающей из другой. Регулировка интенсивности потока осуществляется зажимным краном на резиновой трубке. Если направить струю воздуха через стеклянную трубку L снизу в цилиндр, наполненный горящим газом, воздух воспламенится от пламени и продолжит устойчиво гореть уже внутри цилиндра в среде светильного газа.

Рис. 54. Схема установки для демонстрации горения воздуха в среде светильного газа. Цилиндр заполнен газом, горение происходит внутри объема.

Для объяснения этого парадоксального явления необходимо разобраться в природе пламени. Рассмотрим истечение горючего газа, например водорода, из трубы. Непосредственно над отверстием находится чистый водород. Однако на определенном удалении от оси и выше по потоку происходит его смешение с кислородом воздуха, формируя зону смешения. Эта область, обозначенная на рис. 55 кривой линией, содержит так называемую гремучую смесь. Если в эту зону внести тело Z с высокой температурой, процесс горения запускается.

Высвобождающегося тепла достаточно для вовлечения в реакцию соседних слоев гремучего газа. Процесс, сопровождаемый микровзрывом, мгновенно распространяется по всей полосе смешения. Образующийся водяной пар удаляется, а его место занимают новые порции водорода изнутри и кислорода снаружи. При этом не происходит накопления взрывчатой смеси, так как при достижении необходимой концентрации атомов для образования молекулы воды, она тут же синтезируется под действием высокой температуры пламени.

Рис. 55. Схема строения пламени. Кривая линия обозначает зону смешения газов (гремучую смесь), где происходит основная химическая реакция.

Таким образом, вытекающий водород сгорает равномерно, без взрыва. Высокая температура, возникающая при соединении водорода с кислородом, раскаляет часть газовой смеси, делая процесс горения видимым. Следовательно, пламя представляет собой раскаленную газообразную среду, свечение которой непрерывно поддерживается протекающей в ней экзотермической химической реакцией.

Из данного объяснения становится очевидным, что в описанном процессе газы легко могут меняться ролями. Ключевым условием является формирование зоны смешения и постоянный приток реагентов, что и наблюдалось в эксперименте со светильным газом и воздухом. Если представить гипотетическую ситуацию, где атмосфера состояла бы из водорода, то истекающий из трубки кислород можно было бы зажечь аналогичным образом.

Если строго придерживаться классического определения горения как процесса соединения с кислородом, то выражение «воздух горит» некорректно, поскольку воздух сам является окислителем. Однако понятие горения может быть расширено. Известно, что водород способен гореть в атмосфере хлора, и, что примечательно, обратный процесс также возможен: хлор горит в атмосфере водорода. Резюмируя вышесказанное, можно заключить, что вопрос о горении воздуха не является столь абсурдным, как это может показаться на первый взгляд, и имеет под собой строгое научное обоснование.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.