كانت النار منذ القدم أمرًا محيرًا جدًا للإنسان ، منذ اكتشاف الإنسان للنار ، التي رأي فيها مظهرًا من مظاهر القوة والبأس ، والتي قد عبدها في بعض الفترات والأماكن ، وهو يحاول تطويعها بشتى الطرق من أجل الحصول على العديد من المنافع منها ، بدءًا من استخدامها في التدفئة ، وتسخين الماء ، وطهي الطعام ، وصهر المعادن ، وحتى استخدامها في محركات الاحتراق لإنتاج الطاقة الحركية ومن ثم الكهرباء ، في الوقت الحالي لا تعتبر النار شيئًا مرعبًا للإنسان ، الذي وصل إلى درجة كبيرة من تطويعها لصالحه ، في هذا المقال نشرح ببعض التفصيل ماهية النار ، وكيفية حدوث الاشتعال ، بطريقة علمية مبسطة .
آلية حدوث الاشتعال ونشوء النار
ما هي النار ؟
قبل أن نبدأ في شرح آلية حدوث الاشتعال يجب أن نتحدث عن النار ، النار التي نراها ما هي إلا تفاعل كيميائي بين الأكسجين (الموجود في الغلاف الجوي بنسبة 21%) وبين أي نوع من أنواع الوقود ، سواءً كان وقودًا صلبًا كالخشب والفحم ، أو وقودًا سائلاً كالبنزين والكيروسين ، أو وقودًا غازيًا كغاز البروبان أو البيوتان . لا يحدث الاشتعال إلا عندما يتواجد هذان العنصران ، الأكسجين والوقود ، بالإضافة إلى تسخين الوقود إلى درجة تسمى درجة الاشتعال .
ما هي درجة الاشتعال ؟
من أجل حدوث الاشتعال كما أسلفنا يجب أن يصل الوقود والأكسجين إلى درجة الاشتعال ، وهي درجة معينة تختلف من وقود لآخر ، يبدأ عندها التفاعل الكيميائي بالحدوث بين الوقود وبين الأكسجين ، هناك بعض المواد لديها درجة اشتعال منخفضة جدًا ، مثل مسحوق الألمنيوم ، الذي قد يشتعل بمجرد نفثه في الهواء الجوي ، وكذلك الفسفور الذي يستخدم لصناعة أعواد الثقاب حاليَا (ليس الكبريت كما هو شائع) والذي لا يحتاج إلى أكثر من حكه خفيفة بجسم خشن من أجل أن يشتعل ، وبعضها يحتاج إلى تعريضه لفترة بسيطة إلى درجة حرارة عالية (غالبًا قادمة من مصدر آخر مشتعل بالفعل) مثل الغازات والبنزين الخفيف ، لكن بعض المواد تحتاج إلى تعريضها لدرجة حرارة عالية لفترات طويلة حتى تبدأ في الاشتعال ، مثل الفحم والخشب .
كيف تحدث عملية الاشتعال ؟
لمعرفة كيفية حدوث الاشتعال نقدم هذا السيناريو لعملية احتراق قطعة من الخشب:
- تبدأ الحرارة التي قد تصل في الخشب إلى 150 درجة مئوية في تحليل المواد السليوزية التي يتكون منها الخشب .
- تبدأ بعض المواد المتحللة بالتصاعد من الخشب ، هذه المواد نطلق عليها الدخان ، وهي عبارة عن جزيئات صلبة منفصلة عن الخشب المحترق ، بالإضافة إلى بعض المركبات الغازية كنواتج للاحتراق ، مثل أكاسيد الكربون ، وأكاسيد النيتروجين ، وأكاسيد الكبريت .
- يبدأ اتحاد ذرات الكربون والهيدروجين الموجودة في الخشب مع ذرات الأكسجين ، مطلقة نواتج عبارة عن كميات من بخار الماء ، وأول وثاني أكسيد الكربون ، بالإضافة إلى الطاقة الحرارية والضوئية المصاحبة لعملية الاحتراق . تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين هو ما يحدث أولاً ، ويتم إطلاق كميات كبيرة من الحرارة في هذه العملية (تصل إلى 250 درجة مئوية) ، لكنها لا تستمر لفترة طويلة ، وتكون نتائجها هي بخار الماء فقط ، أما ما يحدث لفترة أطول وبمعدل أبطأ فهو عملية تفاعل الكربون مع الأكسجين ، والذي يطلق أول وثاني أكسيد الكربون ، مع كميات أقل من الحرارة ، لكنها تبقى لفترة أطول ، حيث يحدث هذا التفاعل بشكل أبطأ من تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين .
- تستمر عملية الاحتراق بشكل تلقائي بعد بدئها ، حيث إن كل العناصر متوافرة ، فالوقود موجود ، والأكسجين موجود ، والاشتعال نفسه يعتبر هو المغذي لعملية الاحتراق ، لا تنطفئ النار في الغالب إلا بانتهاء الوقود (تفاعل الوقود بالكامل مع الأكسجين) .
- يتبقى الرماد كناتج لعملية الاحتراق ، وهي ذرات المعادن الموجودة في الخشب والتي لم تحترق (الكالسيوم والبوتاسيوم) .
ما هي المواد القابلة للاشتعال ؟
هناك عدد كبير جدًا من المواد القابلة للاشتعال ، بل إن معظم المواد من حولنا هي قابلة للاشتعال (حتى المعادن والصخور) ، لكن المواد التي تستخدم غالبًا في الاشتعال ، بدرجات حرارة معقولة هي المواد التي تحتوي على كميات كبيرة من الهيدروجين والأكسجين ، حيث إنها المواد الحاوية على كميات كبيرة من الطاقة التي يمكن إخراجها عن طريق حدوث الاشتعال ، هناك عدة عوامل تؤثر على قابلية الوقود للاشتعال ، مثل نوعه ، ومحتواه من الأكسجين ، وأيضًا شكله ، فإشعال قطعة صغيرة من الخشب أسهل كثيرًا من إحراق شجرة كاملة ، وأيضًا بعض أنواع الوقود من الممكن أن تشتعل بشكل أسهل إذا ما تحولت إلى الحالة الغازية ، مثل وقود الديزل .
ما هو لهب النار ؟
لهب النار هو الناتج الضوئي لعملية حدوث الاشتعال التي قمنا بشرحها ، وهو ناتج عن تصاعد ذرات الكربون والمواد الأخرى من الحريق ، يختلف لون اللهب باختلاف المادة المحروقة ، أيضًا من الممكن رؤية اللهب متلون بعدة ألوان ، عادة الجزء الأكثر حرارة من اللهب هو الجزء الملون باللون الأزرق ، أما الجزء الملون باللونين الأصفر والأحمر فهما أقل حرارة .
كيف يتم إخماد النار ؟
قلنا إنه يجب أن يتوافر الوقود ، بالإضافة إلى الأكسجين ، ودرجة الحرارة اللازمة لبدء الاشتعال من أجل حدوث الاشتعال ، لكن كيف تتم العملية العكسية؟ وهي عملية إخماد النار ، في الحقيقة هذه العناصر الثلاثة تدعى مثلث الاشتعال ، وإذا ما قمنا بإزالة أحد هذه العناصر سيتم إخماد النار ، لذلك تكون هناك ثلاثة وظائف لأجهزة إطفاء الحرائق:
- منع الأكسجين: الأكسجين موجود في الهواء الذي نتنفسه ، ومن الصعب إبعاده ، لكن أجهزة إطفاء الحريق تعمل على استراتيجية عزل الأكسجين عن الوقود ، وهي استراتيجية ناجحة في إخماد الحريق ، إذا ما قمنا بالحيلولة دون الأكسجين والوقود ، فإن الحريق سيتم إخماده على الفور . يمكن منع الأكسجين عن طريق غمر الحريق بغاز خامل لا يساعد على الاشتعال مثل ثاني أكسيد الكربون ، أو بعزل الوقود عن الأكسجين عن طريق الرمل مثلاً ، أو لف شخص يحترق ببطانية .
- منع الوقود: إذا ما قمنا بإزالة الوقود المشتعل فإننا نقوم بعدم إعطاء الفرصة للحريق ليستمر في الاشتعال ، ويكون ذلك إما عن طريق فصل الوقود عن الحريق ، أو بالعزل بينه وبين الأكسجين كما أسلفنا .
- منع الحرارة: إذا ما استطعنا أن نقوم بإطفاء اللهب المغذي للاشتعال ، فإننا لن نعطي الحريق وسيلة الاستمرار الذاتي الذي يوفرها له اللهب المشتعل ، يمكن إطفاء اللهب عن طريق تبريده ، بالماء ، أو بالرغوة .
تحدثنا عن حدوث الاشتعال ، فبدأنا الحديث عن النار ، وعرفنا ماهيتها ، وأوضحنا مفهوم درجة الاشتعال ، وأيضًا أوضحنا أحد السيناريوهات لاشتعال قطعة من الخشب ، وتحدثنا عن المواد القابلة للاشتعال ، وتحدثنا عن لهب النار ، وأخيرًا تحدثنا عن وسائل إطفاء النيران .
