知火而行2消防燃烧学基础

知火而行2消防燃烧学基础

本专题内容主要来自加拿大渥太华消防局开发的一个课程FKTP （From Knowledge To Practice），旨在研究火灾动力学与当前灭火策略与战术的关系，使消防员更好地识别火场的风险，从而降低火场伤亡。

上一期我们讲到了学习火灾动力学的必要性，本期我们就来扒一扒消防燃烧学的基础。

01.

燃烧的定义

燃烧：可燃物与助燃物发生的一种发光、发热的剧烈化学反应。

化学反应通常分为放热反应和吸热反应。

燃烧是释放热能的化学反应。

首先，我们来大概了解一下能量的形式：

能量有多种形式，通常通常分为：化学能、热能、电能、核能等等。根据燃烧的特性，通常我们讨论燃烧时主要关注化学能及热能。

燃烧可以将化学能转换成热能：

02.

热量、温度、比热

我们在讨论火灾现象时，热量、温度和热释放速率的概念都是非常重要的概念，因为这些都有助于我们在评估火灾时，了解产生的热量是如何转移到周边环境的。

温度是物体的冷热程度，它是一个状态量，它的变化用升高和降低来表述。从分子动理论的观点来看，温度越高，分子无规则运动的速度就越大，分子运动就越剧烈。

关于温度和热量的关系，可以从两个方面来理解：一方面，物体吸收或放出热量，但温度不一定改变。例如：晶体熔化和液体沸腾，物体吸热，但不升温；液体凝固成晶体和气体液化，物体放热，但不降温。

另一方面，物体温度发生变化，不一定是由于吸热或放热。因为

做功和热传递在改变物体的内能上是等效的。

另一个很重要的概念就是比热容（Cp），它的定义就是1g均相物质温度升高1℃所需的热量。它的常见单位是：J/(g·℃）。

各种材料的比热容各不相同

简单的说，就是不同物质温度提升所需的能量大不同。将1kg水提高1℃所需能量可以将1kg黄铜提高11℃。

水能成为理想灭火剂的特性在于它的“高比热”特性。

接着，就是热量的计算公式：

其中：m是质量，单位 [g]Cp 是比热容，单位[J/(g·℃）]∆T 是温度变化，单位[°C]

根据公式我们可以得出：1kg水升高1℃，吸收的热量是4.2kJ。

03.

水的形态与相变

水有三种形态，分别是固态、液态和气态。

物质在等温等压情况下，从一个形态变化到另一个形态（相变过程）会吸收或放出的热量，我们称之为相变潜热，简称潜热。

固、液之间的潜热称为熔解热（或凝固热），液、气之间的称为汽化热（或凝结热）。

水相变过程热量会发生变化

例如，水从固态转换成液态，从液态转换成气态的过程中，温度不会升高，但是会吸收大量的热。

注意两条垂直线：

从固态转换成液态：吸热80cals

从液态转换成气态：吸热540cals

水的温度没变，但是形态和能量都发生了改变。

从实验数据可以看出，水转换成水蒸气所吸收的热量比水从0°C 加热到100°C吸收的热量多很多，前者吸收的热量是后者的5.4倍。

这也就是在冷却热烟气的时候，我们要用雾状水的原因，因为雾状水可以让射流最大限度地转换成水蒸气，提升灭火效能。

04.

燃烧的两种“模型”

1、燃烧三角形

燃烧三角形是描述燃烧的三要素，在这三要素中，无论缺少哪个，燃烧都不能发生。

2、燃烧四面体

大多数的有火焰燃烧都存在着链式反应。根据链式反应理论，很多燃烧的发生和持续需要“中间体”游离基（自由基），因此就有了“燃烧四面体”。

为了让燃烧继续，四个要素必须以正确的方式组合，也就是说，去掉四面体的任何一面就可以熄灭火焰。

所以，我们可以通过控制燃烧四面体的四个要素来控制火灾。

3、燃烧种类

根据燃烧有没有产生火焰，我们将燃烧分为有焰燃烧及无焰燃烧

无焰燃烧：无焰燃烧（或称“阴燃”）是指固体可燃物，特别是多孔或可碳化的可燃物在其表面发生的放热氧化反应。

通常情况下，阴燃温度较低，氧化剂（氧气）供给有限，燃烧产物与有焰燃烧有很大不同。

如果条件适当改变，无焰燃烧可以过渡到有焰燃烧。所以，无焰燃烧潜在危险较大（难以预测）。

有焰燃烧：有可见的火焰，火焰是在气相状态下发生燃烧的外部表现（注意：这里参与燃烧的可燃物及助燃物都是气体）。

关于燃烧的要素，我们下期再进行详细讲解。