¿Cuál es el efecto del viento sobre el fuego? ¿Cuánto viento ayuda a encender el fuego y cuánto viento extinguirá un incendio?

César Tomé López es en su mayoría correcto: déjame ver si puedo proporcionar algunos detalles adicionales, para ayudar a que sea un poco más fácil de entender.
La mayoría de las personas conocen el triángulo de fuego: que necesita los tres de suficiente calor, combustible y oxidante para tener un fuego autosuficiente. Pero pocas personas son capaces de expresar exactamente lo que está sucediendo en ese incendio para mantenerlo encendido. En su nivel más simple, a medida que se quema un fuego, el “calor aumenta” (literal y figurativamente), por lo que, naturalmente, un elemento del fuego es que el fuego se sostiene por sí mismo al permitir que se evapore más combustible para permitir para mezclar mejor con el oxidante. Sin embargo, a medida que el combustible y el oxidante se mezclan y queman, y tienen suficiente energía de activación para superar la “joroba” o “barrera de energía” inicial que tienen todas las reacciones, el combustible y el oxidante restantes se están reduciendo, por lo que el fuego se apagará a algún punto.

Menos conocido es que para tener un fuego sostenido con materiales sólidos, la reacción va a ir muy lentamente a menos que el combustible se mezcle eficientemente con el oxidante. Por lo tanto, comúnmente se dice que “solo se queman los vapores”. A medida que los materiales en llamas comienzan a descomponerse y cambiar con el tiempo, la mezcla se transforma. Esto tiene influencias dramáticas sobre el tipo de fuego.

Es posible que sepa de la química de la escuela secundaria que la reacción química para la quema, la oxidación, se puede escribir en la forma

[matemáticas] CH_4 + 2O_2 \ Rightarrow CO_2 + 2H_2O [/ matemáticas]

donde [matemáticas] CH_4 [/ matemáticas] es metano, el componente principal del gas natural. Lo que César menciona es que muchas cosas solo son inflamables en combinación con el aire en ciertas mezclas: existen límites de inflamabilidad. El metano solo es inflamable cuando está entre 4% y 17% en el aire.

Pero en la reacción anterior, puede ver que el metano debe tener dos moléculas de oxígeno presentes para quemar por completo. La realidad de la mayoría de las quemaduras es que ocurre cerca de la superficie de un sólido o líquido, y libera gases que luego deben colisionar con el oxígeno para reaccionar. Sin embargo, un gas consiste principalmente en un espacio vacío: la probabilidad de que dos moléculas colisionen se rige por su porcentaje del gas en su conjunto, y la ruta libre media a una presión y temperatura dadas, gobernada por la fórmula

[matemáticas] \ ell = \ frac {k _ {\ rm B} T} {\ sqrt 2 \ pi d ^ 2 p} [/ matemáticas]

donde [matemáticas] k _ {\ rm B} [/ matemáticas] es la constante de Boltzmann en J / K, ” T ” es la temperatura en K, ” p ” es la presión en Pascales y ” d ” es el diámetro de las partículas de gas en metros. El aumento de calor, T, aumentará las distancias porque está en el numerador, y la presión creciente disminuirá las distancias, porque está en el denominador. Para el aire, hay aproximadamente 68 nanómetros entre moléculas (cientos de veces mayor que la longitud de los enlaces o entre moléculas en líquidos o gases), pero debido a que el aire es 78% de nitrógeno, el 78% de esas colisiones van a estar (básicamente) Nitrógeno no reactivo. Solo el 21% del tiempo, una molécula del gas inflamable y una sola molécula de oxígeno colisionarán. Reaccionará parcialmente, y luego las partes de reacción parcial deben esperar hasta que aparezca otra molécula de oxígeno para completar la reacción. De hecho, tienen que ocurrir algunas reacciones parciales, porque la probabilidad de una colisión de tres o más cuerpos es cercana a cero, el conjunto completo de reacciones para el metano es en realidad 19 y forman numerosas especies radicales de alta energía. M en las ecuaciones a continuación podrían ser otras moléculas no reactivas como nitrógeno o dióxido de carbono, a las cuales se transfiere energía. Dado que se forman tres moléculas neutrales de alta energía y seis radicales diferentes de alta energía, la combustión es un tipo de “reacción en cadena”

  1. [matemáticas] CH_4 + M ^ * \ Flecha derecha CH_3 + H + M [/ matemáticas]
  2. [matemáticas] CH_4 + O_2 \ Rightarrow CH_3 + HO_2 [/ matemáticas]
  3. [matemáticas] CH_4 + HO_2 \ Rightarrow CH_3 + 2 OH [/ matemáticas]
  4. [matemáticas] CH_4 + OH \ Flecha derecha CH_3 + H_2O [/ matemáticas]
  5. [matemática] O_2 + H \ Estrella derecha O + OH [/ matemática]
  6. [matemáticas] CH_4 + O \ Rightarrow CH_3 + OH [/ matemáticas]
  7. [matemáticas] CH_3 + O_2 \ Rightarrow HCHO + OH [/ matemáticas]
  8. [matemáticas] HCHO + O \ Rightarrow CHO + OH [/ matemáticas]
  9. [matemáticas] HCHO + OH \ Rightarrow CHO + H_2O [/ matemáticas]
  10. [matemáticas] HCHO + H \ Rightarrow CHO + H_2 [/ matemáticas]
  11. [matemáticas] CHO + O \ Rightarrow CO + OH [/ matemáticas]
  12. [matemática] CHO + OH \ Rightarrow CO + H_2O [/ matemática]
  13. [matemáticas] CHO + H \ Rightarrow CO + H_2 [/ matemáticas]
  14. [matemática] H_2 + O \ Rightarrow H + OH [/ matemática]
  15. [matemáticas] H_2 + OH \ Flecha derecha H + H_2O [/ matemáticas]
  16. [matemáticas] CO + OH \ Flecha derecha CO_2 + H [/ matemáticas]
  17. [matemática] H + OH \ Flecha de flecha H_2O ^ * + M \ Flecha de flecha H_2O + M ^ * [/ matemática]
  18. [matemáticas] H + H \ Flecha de flecha H_2 ^ * + M \ Flecha de flecha H_2 + M ^ * [/ matemáticas]
  19. [matemática] H + O_2 \ Rightarrow HO_2 ^ * + M \ Rightarrow HO_2 + M ^ * [/ math]

Al quemar muchos otros tipos de cosas inflamables, puede imaginarse que la cantidad de especies involucradas es considerable. El metano se convierte en formaldehído (HCHO), que se convierte en monóxido de carbono (CO), que finalmente se convierte en dióxido de carbono. El color azul característico emitido por la combustión del monóxido de carbono en la reacción 16 es la “llama azul” de muchos tipos de fuego. De hecho, el monóxido de carbono solía ser un combustible, fabricado al soplar vapor sobre carbón para producir monóxido de carbono e hidrógeno, llamado gas de carbón o “Syngas”, como se produjo en el parque de obras de gas de Seattle.

Usted podría estar diciendo: ¿ Cuándo aprendemos cómo el viento aumentará o disminuirá el fuego? Ahora tiene la mayoría de los componentes.

Como César dice en su respuesta, el viento que sopla proporciona oxígeno. Pero donde él es incorrecto es el hecho de que el aire es principalmente nitrógeno, que no es compatible con la combustión. El nitrógeno frío (y otros gases inertes, como el dióxido de carbono en el aliento y en los productos de combustión del fuego) simplemente dispersarán los gases y eliminarán el calor. Esta es la razón por la cual una respiración fuerte puede apagar una vela, sin embargo, el efecto del viento es muy diferente.

En la superficie de un material combustible que tiene suficiente energía para experimentar una combustión parcial pero no total, se están formando gases como el monóxido de carbono. De hecho, dependiendo de la mezcla de compuestos, los materiales en llamas pueden emitir una mezcla mortal de líquidos y gases calientes e inflamables. En el video a continuación, las gotas de plástico fundido que caen continúan liberando gases desde el interior de la gotita a medida que se quema, y ​​emitiendo un ruido quejumbroso que se hace más agudo cuanto más pequeña es la gota, ¡suena como zzzip! zzzip!

Esta combustión parcial se puede mejorar agregando aire, lo que elevará la temperatura al fomentar la combustión completa en lugar de la parcial. Este es el método básico detrás de un fuelle: inyecta aire directamente en la porción caliente del fuego para mezclarlo con los gases de combustión parcial atrapados en las bolsas dentro del fuego.

A diferencia del metano, que solo se quema entre el 4% y el 17% en el aire, el monóxido de carbono arderá entre el 12% y el 75% en el aire. El vapor caliente también reaccionará con el carbono para formar monóxido de carbono e hidrógeno. El hidrógeno arderá entre 4% y 75% en el aire. Entonces, al inspeccionar la lista de reacciones anterior, y usar un poco de imaginación para pensar en todos los diferentes hidrocarburos inflamables en un bosque, así como el vapor que se produce a medida que las cosas se queman, puedes imaginar que en la superficie de un fuego muy caliente, hay muy poco aire porque todo se consume con bastante rapidez, y queda una mezcla mortal de gases explosivos súper calientes.

Estos gases, tan pronto como se alimenten con suficiente aire, explotarán. Piense en “Backdraft”: los bomberos deben tener mucho cuidado al abrir la puerta de una habitación caliente y en llamas, porque si el aire de la habitación se ha quemado, la apertura de la puerta puede permitir la entrada de oxígeno suficiente para que el fuego explote. Agregar agua al fuego puede incluso empeorarlo, formando monóxido de carbono e hidrógeno altamente explosivos si hace suficiente calor.

De hecho, debido a que el intenso calor y el flujo turbulento de los gases calientes se pueden soplar fácilmente a largas distancias, se pueden formar “tornados de fuego” particularmente preocupantes. Saber que un incendio no es simplemente una conversión de hidrocarburos y oxígeno a agua y dióxido de carbono es el elemento clave que lo ayuda a reconocer por qué los materiales en llamas se comportan como lo hacen.

Entonces, ¿cuándo ayuda el viento? El viento frío, que sopla el fuego en la dirección de los materiales ya quemados, ayudará a reducir el calor pero también a reducir los gases combustibles. Este principio también se usa en un cortafuegos o una quemadura controlada, donde al mantener un área lo suficientemente fría y libre de combustibles, se reduce la probabilidad de que participen en un incendio forestal. La conversión de la combustión parcial a la completa reduce la producción de gases inflamables, que pueden alejarse de la fuente del incendio y crear estragos en otros lugares.

Un último daño: si el viento dispersa materiales inflamables que todavía están ardiendo o parcialmente quemados, estos pueden volar y servir como fuente de ignición para otros materiales inflamables.

TL: DR; el viento duele cuando lleva oxígeno a un fuego caliente parcialmente quemado, y ayuda cuando reduce el calor y dispersa los materiales reactivos, promoviendo la combustión completa. Cuando un incendio se enciende por completo, solo la combustión completa o la dispersión por debajo del límite inferior de inflamabilidad detendrá el incendio.

1 Se trata de proporciones (no directamente de velocidad) llamadas límites de inflamabilidad.

2 Para tener un fuego necesitas un combustible y un oxidante (y energía para encenderlo) pero, de manera crítica, necesitas una reacción en cadena. Imagine que una chispa enciende la mezcla de butano (combustible) y oxígeno en su encendedor. Si continúa después de la chispa es porque la energía liberada por la reacción de las primeras moléculas que usaron la energía inicial de la chispa ahora es utilizada por otras moléculas. Pero, para mantener el fuego en marcha, necesita combustible y oxígeno cerca de las moléculas de reacción que pueden aprovechar la energía liberada.

3 En el caso de que haya demasiadas moléculas de oxígeno y pocas de combustible, la reacción en cadena se extinguirá y también el fuego. Por debajo de un umbral llamado límite inferior de inflamabilidad (LFL), no puede haber fuego.

4 El LFL depende de la sustancia (combustible) y la temperatura.

5 Ahora puede ver que soplar una vela o una pequeña hoguera tiene diferentes efectos porque está suministrando el mismo oxígeno extra a diferentes cantidades de combustible. En el caso de la vela, este oxígeno extra hará que la mezcla vaya por debajo del LFL, y la llama se extinguirá.