Llama
Una llama (del latín flamma ) es la parte gaseosa visible de un incendio . Se origina por una reacción química altamente exotérmica que se produce en una zona delgada. [1] Cuando las llamas son lo suficientemente calientes como para tener componentes gaseosos ionizados de suficiente densidad, se las considera plasma . [ vago ] [2]
Mecanismo
El interior de la zona luminosa puede ser mucho más caliente, más allá de los 1.500 °C (2.730 °F). [3]
El color y la temperatura de una llama dependen del tipo de combustible que interviene en la combustión. Por ejemplo, cuando se acerca un encendedor a una vela , el calor aplicado hace que las moléculas de combustible de la cera de la vela se vaporicen. [nota 1] En este estado, pueden reaccionar fácilmente con el oxígeno del aire, que emite suficiente calor en la reacción exotérmica posterior para vaporizar aún más combustible, manteniendo así una llama constante. La alta temperatura de la llama hace que las moléculas de combustible vaporizadas se descompongan , formando varios productos de combustión incompleta y radicales libres , y estos productos reaccionan entre sí y con el oxidante involucrado en la reacción de la siguiente llama (fuego).
Se pueden investigar diferentes partes de la llama de una vela con la ayuda de una cuchara de metal fría: [4] las partes más altas de la llama producen deposición de vapor de agua, resultado de la combustión, las partes amarillas en el medio producen hollín y el área cerca de la mecha de la vela produce cera sin quemar. Los orfebres utilizan las partes más altas de una llama con un soplete metálico para fundir oro y plata. La energía suficiente en la llama excitará los electrones en algunos de los intermediarios de reacción transitorios, como el radical metilidina (CH) y el carbono diatómico (C 2 ), lo que da como resultado la emisión de luz visible a medida que estas sustancias liberan su exceso de energía (ver el espectro a continuación para una explicación de qué especies radicales específicas producen qué colores específicos). A medida que aumenta la temperatura de combustión de una llama (si la llama contiene pequeñas partículas de carbono sin quemar u otro material), también lo hace la energía promedio de la radiación electromagnética emitida por la llama (ver Cuerpo negro ).
Se pueden utilizar otros oxidantes además del oxígeno para producir una llama. La combustión del hidrógeno en cloro produce una llama y, en el proceso, emite cloruro de hidrógeno gaseoso (HCl) como producto de la combustión. [5] Otra de las muchas combinaciones químicas posibles es la hidracina y el tetróxido de nitrógeno , que es hipergólico y se utiliza habitualmente en los motores de cohetes. Se pueden utilizar fluoropolímeros para suministrar flúor como oxidante de combustibles metálicos, por ejemplo, en la composición de magnesio/teflón/vitón .
La cinética química que se produce en la llama es muy compleja y normalmente implica una gran cantidad de reacciones químicas y especies intermedias, la mayoría de ellas radicales . Por ejemplo, un conocido esquema de cinética química, GRI-Mech, [6] utiliza 53 especies y 325 reacciones elementales para describir la combustión del biogás .
Existen diferentes métodos para distribuir los componentes necesarios para la combustión en una llama. En una llama de difusión , el oxígeno y el combustible se difunden entre sí; la llama se produce en el punto de encuentro. En una llama premezclada , el oxígeno y el combustible se mezclan previamente, lo que da como resultado un tipo de llama diferente. Las llamas de vela (llama de difusión) funcionan mediante la evaporación del combustible que se eleva en un flujo laminar de gas caliente que luego se mezcla con el oxígeno circundante y se quema.
Color
El color de la llama depende de varios factores, siendo los más importantes la radiación del cuerpo negro y la emisión de banda espectral , mientras que tanto la emisión de línea espectral como la absorción de línea espectral desempeñan papeles menores. En el tipo de llama más común, las llamas de hidrocarburos , el factor más importante que determina el color es el suministro de oxígeno y el grado de premezcla de combustible y oxígeno, que determina la velocidad de combustión y, por lo tanto, la temperatura y las vías de reacción, produciendo así diferentes tonos de color.
En un laboratorio, en condiciones normales de gravedad y con una entrada de aire cerrada, un mechero Bunsen arde con una llama amarilla (también llamada llama de seguridad) con una temperatura máxima de unos 2000 K (3100 °F). El amarillo surge de la incandescencia de partículas de hollín muy finas que se producen en la llama. También se produce monóxido de carbono y la llama tiende a tomar oxígeno de las superficies que toca. Cuando se abre la entrada de aire, se produce menos hollín y monóxido de carbono. Cuando se suministra suficiente aire, no se produce hollín ni monóxido de carbono y la llama se vuelve azul. (La mayor parte de este azul había sido oscurecido previamente por las emisiones de color amarillo brillante). El espectro de una llama de butano premezclada (combustión completa) a la derecha muestra que el color azul surge específicamente debido a la emisión de radicales moleculares excitados en la llama, que emiten la mayor parte de su luz muy por debajo de ≈565 nanómetros en las regiones azul y verde del espectro visible.
La parte más fría de una llama de difusión (combustión incompleta) será roja, y pasará a naranja, amarilla y blanca a medida que aumenta la temperatura, como lo evidencian los cambios en el espectro de radiación del cuerpo negro. Para una región de llama dada, cuanto más cerca del blanco esté en esta escala, más caliente será esa sección de la llama. Las transiciones suelen ser evidentes en incendios, en los que el color emitido más cerca del combustible es blanco, con una sección naranja encima y las llamas rojizas son las más altas de todas. [7] Una llama de color azul solo emerge cuando la cantidad de hollín disminuye y las emisiones azules de los radicales moleculares excitados se vuelven dominantes, aunque el azul a menudo se puede ver cerca de la base de las velas, donde el hollín en el aire está menos concentrado. [8]
Se pueden impartir colores específicos a la llama mediante la introducción de especies excitables con líneas de espectro de emisión brillantes . En química analítica, este efecto se utiliza en pruebas de llama (o espectroscopia de emisión de llama ) para determinar la presencia de algunos iones metálicos. En pirotecnia , los colorantes pirotécnicos se utilizan para producir fuegos artificiales de colores brillantes.
Temperatura
Al observar la temperatura de una llama, hay muchos factores que pueden cambiar o aplicarse. Uno importante es que el color de una llama no determina necesariamente una comparación de temperatura porque la radiación del cuerpo negro no es lo único que produce o determina el color que se observa; por lo tanto, es solo una estimación de la temperatura. Otros factores que determinan su temperatura son:
- Llama adiabática , es decir, no hay pérdida de calor a la atmósfera (puede diferir en ciertas partes)
- Presión atmosférica
- Porcentaje de contenido de oxígeno en la atmósfera
- El tipo de combustible utilizado (es decir, depende de qué tan rápido ocurre el proceso; qué tan violenta es la combustión)
- Cualquier oxidación del combustible
- La temperatura de la atmósfera está relacionada con la temperatura de la llama adiabática (es decir, el calor se transferirá a una atmósfera más fría más rápidamente)
- ¿Qué tan estequiométrico es el proceso de combustión (una estequiometría de 1:1) asumiendo que no hay disociación tendrá la temperatura de llama más alta; el exceso de aire/oxígeno la reducirá, al igual que la falta de aire/oxígeno?
- La distancia desde la fuente de la llama (es decir, cuanto más lejos de la fuente de la llama, menor temperatura)
- En los incendios (en particular, en los incendios domésticos), las llamas más frías suelen ser rojas y producen la mayor cantidad de humo. En este caso, el color rojo en comparación con el color amarillo típico de las llamas sugiere que la temperatura es más baja. Esto se debe a que hay una falta de oxígeno en la habitación y, por lo tanto, hay una combustión incompleta y la temperatura de la llama es baja, a menudo de solo 600 a 850 °C (1112 a 1562 °F). Esto significa que se forma una gran cantidad de monóxido de carbono (que es un gas inflamable), que es cuando existe un mayor riesgo de contracorriente . Cuando esto ocurre, los gases combustibles en o por encima del punto de inflamación de la combustión espontánea se exponen al oxígeno, el monóxido de carbono y los hidrocarburos sobrecalentados se queman, y se producen temperaturas temporales de hasta 2000 °C (3630 °F). [ cita requerida ]
Temperaturas de llama comunes
 | Es posible que esta sección contenga investigaciones originales . ( Diciembre de 2019 ) |
Esta es una guía aproximada de las temperaturas de llama para varias sustancias comunes (en aire a 20 °C (68 °F) a 1 atm. de presión):
| Material quemado | Temperatura de la llama |
|---|---|
| Butano | ~300 °C (~600 °F) (una llama fría en baja gravedad) [9] |
| Fuego de carbón | 750–1200 °C (1382–2192 °F) |
| Metano (gas natural) | 900–1500 °C (1652–2732 °F) |
| Llama del mechero Bunsen | 900–1.600 °C (1.652–2.912 °F) [dependiendo de la válvula de aire, abierta o cerrada]. |
| Llama de vela | ≈1100 °C (≈2012 °F) [mayoría]; los puntos calientes pueden estar entre 1300 y 1400 °C (2372 y 2552 °F) |
| Soplete de propano | 1200–1700 °C (2192–3092 °F) |
| Pico de llama de contracorriente | 1700–1950 °C (3092–3542 °F) |
| Magnesio | 1900–2300 °C (3452–4172 °F) |
| Antorcha de hidrógeno | Hasta ≈2000 °C (≈3632 °F) |
| Gas MAPP | 2020 °C (3668 °F) |
| Lámpara de soplete de acetileno | Hasta ≈2.300 °C (≈4.172 °F) |
| Oxiacetileno | Hasta 3.300 °C (5.972 °F) |
| Material quemado | Temperatura máxima de la llama (en el aire, llama de difusión) [7] |
|---|---|
| Grasa animal | 800–900 °C (1472–1652 °F) |
| Queroseno | 990 °C (1.814 °F) |
| Gasolina | 1.026 °C (1.878,8 °F) |
| Madera | 1.027 °C (1.880,6 °F) |
| Metanol | 1.200 °C (2.192 °F) |
| Carbón vegetal (tiro forzado) | 1.390 °C (2.534 °F) |
Temperatura más alta
El dicianoacetileno , un compuesto de carbono y nitrógeno con la fórmula química C 4 N 2, arde en oxígeno con una llama azul blanquecina brillante a una temperatura de 5260 K (4990 °C; 9010 °F), y hasta 6000 K (5730 °C; 10 340 °F) en ozono . [10] Esta alta temperatura de llama se debe en parte a la ausencia de hidrógeno en el combustible (el dicianoacetileno no es un hidrocarburo), por lo que no hay agua entre los productos de combustión.
El cianógeno , con la fórmula (CN) 2 , produce la segunda llama natural más caliente conocida con una temperatura de más de 4.525 °C (8.177 °F) cuando arde en oxígeno. [11] [12]
Llamas frías
A temperaturas tan bajas como 120 °C (248 °F), las mezclas de combustible y aire pueden reaccionar químicamente y producir llamas muy débiles llamadas llamas frías. El fenómeno fue descubierto por Humphry Davy en 1817. El proceso depende de un delicado equilibrio de temperatura y concentración de la mezcla reaccionante y, si las condiciones son las adecuadas, puede iniciarse sin ninguna fuente de ignición externa. Las variaciones cíclicas en el equilibrio de las sustancias químicas, en particular de los productos intermedios en la reacción, dan lugar a oscilaciones en la llama, con una variación típica de temperatura de unos 100 °C (212 °F), o entre la ignición "fría" y la ignición total. A veces, la variación puede provocar una explosión. [9] [13]
En microgravedad
En el año 2000, los experimentos de la NASA confirmaron que la gravedad juega un papel indirecto en la formación y composición de la llama. [14] La distribución común de una llama en condiciones de gravedad normal depende de la convección , ya que el hollín tiende a subir a la parte superior de una llama (como en una vela en condiciones de gravedad normal), volviéndola amarilla. En un entorno de microgravedad o gravedad cero , como en órbita, la convección natural ya no ocurre y la llama se vuelve esférica, con tendencia a volverse más azul y más eficiente. Hay varias explicaciones posibles para esta diferencia, de las cuales la más probable es la hipótesis de que la temperatura está lo suficientemente distribuida uniformemente como para que no se forme hollín y se produzca una combustión completa. [15] Los experimentos de la NASA revelan que las llamas de difusión en microgravedad permiten que se oxide completamente más hollín después de que se producen que las llamas de difusión en la Tierra, debido a una serie de mecanismos que se comportan de manera diferente en microgravedad en comparación con las condiciones de gravedad normal. [16] Estos descubrimientos tienen aplicaciones potenciales en la ciencia aplicada y la industria privada, especialmente en lo que respecta a la eficiencia del combustible .
Llamas termonucleares
Las llamas no necesitan ser impulsadas únicamente por la liberación de energía química. En las estrellas, los frentes de combustión subsónica impulsados por la combustión de núcleos ligeros (como el carbono o el helio) a núcleos pesados (hasta el grupo del hierro) se propagan como llamas. Esto es importante en algunos modelos de supernovas de tipo Ia . En las llamas termonucleares, la conducción térmica domina sobre la difusión de especies, por lo que la velocidad y el grosor de la llama están determinados por la liberación de energía termonuclear y la conductividad térmica (a menudo en forma de electrones degenerados ). [17]
Véase también
- Detector de llama
- Fundación Internacional para la Investigación de la Llama
- Llama olímpica
- Llamas oxidantes y reductoras
- El Instituto de Combustión
Notas
Referencias
- ^ Law, CK (2006). "Llamas premezcladas laminares". Física de la combustión . Cambridge, Inglaterra: Cambridge University Press. p. 300. ISBN 0-521-87052-6.
- ^ "¿Las llamas contienen plasma?". Preguntas de ciencia con respuestas sorprendentes . Consultado el 26 de junio de 2022 .
- ^ Zheng, Shu; Ni, Li; Liu, Huawei; Zhou, Huaichun (1 de abril de 2019). "Medición de la distribución de temperatura y emisividad de la llama de una vela utilizando la técnica de imágenes hiperespectrales". Optik . 183 : 222–231. Bibcode :2019Optik.183..222Z. doi :10.1016/j.ijleo.2019.02.077. ISSN 0030-4026. S2CID 126553613.
- ^ Archivado en Ghostarchive y Wayback Machine: "¿Qué es el fuego?". YouTube . Consultado el 27 de noviembre de 2019 .
- ^ "Reacción del cloro con hidrógeno". Archivado desde el original el 20 de agosto de 2008.
- ↑ Gregory P. Smith; David M. Golden; Michael Frenklach; Nigel W. Moriarty; Boris Eiteneer; Mikhail Goldenberg; C. Thomas Bowman; Ronald K. Hanson; Soonho Song; William C. Gardiner Jr.; Vitali V. Lissianski; Zhiwei Qin. «GRI-Mech 3.0». Archivado desde el original el 29 de octubre de 2007. Consultado el 8 de noviembre de 2007 .
- ^ de Christopher W. Schmidt; Steve A. Symes (2008). El análisis de restos humanos quemados. Academic Press. págs. 2–4. ISBN 978-0-12-372510-3.
- ^ Jozef Jarosinski; Bernard Veyssiere (2009). Fenómenos de combustión: mecanismos seleccionados de formación, propagación y extinción de llamas. CRC Press. p. 172. ISBN 978-0-8493-8408-0.
- ^ ab Pearlman, Howard; Chapek, Richard M. (24 de abril de 2000). "Cool Flames and Autoignition in Microgravity". NASA . Archivado desde el original el 1 de mayo de 2010. Consultado el 13 de mayo de 2010 .
- ^ Kirshenbaum, AD; AV Grosse (mayo de 1956). "La combustión de subnitruro de carbono, NC 4 N, y un método químico para la producción de temperaturas continuas en el rango de 5000–6000 K". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 78 (9): 2020. doi :10.1021/ja01590a075.
- ^ Thomas, N.; Gaydon, AG; Brewer, L. (1952). "Llamas de cianógeno y la energía de disociación del N 2 ". The Journal of Chemical Physics . 20 (3): 369–374. Bibcode :1952JChPh..20..369T. doi :10.1063/1.1700426.
- ^ JB Conway; RH Wilson Jr.; AV Grosse (1953). "La temperatura de la llama de cianógeno-oxígeno". Revista de la Sociedad Química Americana . 75 (2): 499. doi :10.1021/ja01098a517.
- ^ Jones, John Clifford (septiembre de 2003). "Oxidación a baja temperatura". Seguridad en el proceso de hidrocarburos: un texto para estudiantes y profesionales . Tulsa, OK: PennWell. págs. 32–33. ISBN 978-1-59370-004-1.
- ^ Llamas espirales en microgravedad Archivado el 19 de marzo de 2010 en Wayback Machine , Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio , 2000.
- ^ Llama de vela en microgravedad Archivado el 26 de octubre de 2011 en Wayback Machine . NASA
- ^ CH Kim et al. Experimento sobre procesos laminares de hollín que arroja luz sobre la radiación de las llamas Archivado el 11 de enero de 2014 en Wayback Machine . NASA , HTML Archivado el 20 de julio de 2012 en Wayback Machine.
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Enlaces externos
- La llama de una vela está fuertemente influenciada y movida por un campo eléctrico debido a que la llama contiene iones. (archivado el 30 de septiembre de 2011)
- Quemador de bajo remolino y emisiones ultrabajas Archivado el 13 de junio de 2017 en Wayback Machine
- 7 sombras de fuego (archivado el 31 de agosto de 2017)
- Licence, Peter. "Llamas de colores". La tabla periódica de vídeos . Universidad de Nottingham .
