Fuego
Fuego es la oxidación rápida de un material (el combustible) en el proceso químico exotérmico de combustión, liberando calor, luz y varios productos de reacción. En cierto punto de la reacción de combustión, llamado punto de ignición, se producen llamas. La llama es la parte visible del fuego. Las llamas consisten principalmente en dióxido de carbono, vapor de agua, oxígeno y nitrógeno. Si están lo suficientemente calientes, los gases pueden ionizarse para producir plasma. Dependiendo de las sustancias encendidas y de las impurezas del exterior, el color de la llama y la intensidad del fuego serán diferentes.
El fuego en su forma más común puede resultar en una conflagración, que tiene el potencial de causar daño físico a través de la quema. El fuego es un proceso importante que afecta a los sistemas ecológicos de todo el mundo. Los efectos positivos del fuego incluyen estimular el crecimiento y mantener varios sistemas ecológicos. Sus efectos negativos incluyen el peligro para la vida y la propiedad, la contaminación atmosférica y la contaminación del agua. Si el fuego elimina la vegetación protectora, las fuertes lluvias pueden provocar un aumento de la erosión del suelo por el agua. Además, cuando se quema la vegetación, el nitrógeno que contiene se libera a la atmósfera, a diferencia de elementos como el potasio y el fósforo que permanecen en las cenizas y se reciclan rápidamente en el suelo. Esta pérdida de nitrógeno causada por un incendio produce una reducción a largo plazo en la fertilidad del suelo, pero esta fecundidad puede recuperarse potencialmente ya que el nitrógeno molecular en la atmósfera se "fija" y convertido en amoníaco por fenómenos naturales como los rayos y por plantas leguminosas que son "fijadoras de nitrógeno" como el trébol, los guisantes y las judías verdes.
El fuego es uno de los cuatro elementos clásicos y ha sido utilizado por los humanos en rituales, en la agricultura para limpiar la tierra, para cocinar, generar calor y luz, para señalización, propulsión, fundición, forja, incineración de desechos, cremación, y como arma o modo de destrucción.
Propiedades físicas
Química
El fuego es un proceso químico en el que reaccionan un combustible y un agente oxidante, produciendo dióxido de carbono y agua. Este proceso, conocido como reacción de combustión, no procede directamente e involucra intermediarios. Aunque el agente oxidante es típicamente oxígeno, otros compuestos pueden cumplir el papel. Por ejemplo, el trifluoruro de cloro puede encender la arena.
Los incendios comienzan cuando un material inflamable o combustible, en combinación con una cantidad suficiente de un oxidante como el oxígeno gaseoso u otro compuesto rico en oxígeno (aunque existen oxidantes que no son oxígeno), se expone a una fuente de calor o ambiente. temperatura por encima del punto de inflamación de la mezcla de combustible/oxidante, y es capaz de mantener una tasa de oxidación rápida que produce una reacción en cadena. Esto se conoce comúnmente como el tetraedro de fuego. El fuego no puede existir sin todos estos elementos en su lugar y en las proporciones adecuadas. Por ejemplo, un líquido inflamable comenzará a arder solo si el combustible y el oxígeno están en las proporciones adecuadas. Algunas mezclas de combustible y oxígeno pueden requerir un catalizador, una sustancia que no se consume, cuando se agrega, en ninguna reacción química durante la combustión, pero que permite que los reactivos se quemen más fácilmente.
Una vez encendido, debe tener lugar una reacción en cadena mediante la cual los incendios puedan mantener su propio calor mediante la liberación adicional de energía térmica en el proceso de combustión y puedan propagarse, siempre que haya un suministro continuo de oxidante y combustible.
Si el comburente es oxígeno del aire circundante, es necesaria la presencia de una fuerza de gravedad, o de alguna fuerza similar causada por la aceleración, para producir convección, que elimina los productos de la combustión y aporta oxígeno al fuego. Sin gravedad, un fuego se rodea rápidamente de sus propios productos de combustión y gases no oxidantes del aire, que excluyen el oxígeno y extinguen el fuego. Debido a esto, el riesgo de incendio en una nave espacial es pequeño cuando está navegando por inercia. Esto no se aplica si se suministra oxígeno al fuego por algún otro proceso que no sea la convección térmica.
El fuego se puede extinguir eliminando cualquiera de los elementos del tetraedro de fuego. Considere una llama de gas natural, como la de un quemador de estufa. El fuego puede ser extinguido por cualquiera de los siguientes:
- apagar el suministro de gas, que elimina la fuente de combustible;
- cubriendo la llama completamente, que asfixia la llama como la combustión utiliza el oxidante disponible (el oxígeno en el aire) y lo desplaza desde la zona alrededor de la llama con CO2;
- aplicación de agua, que elimina el calor del fuego más rápido de lo que el fuego puede producir (similarmente, soplar duro en una llama desplazará el calor del gas actualmente quema de su fuente de combustible, al mismo extremo), o
- aplicación de un químico retardante como Halon a la llama, que retrasa la reacción química misma hasta que la tasa de combustión es demasiado lenta para mantener la reacción en cadena.
Por el contrario, el fuego se intensifica al aumentar la tasa general de combustión. Los métodos para hacer esto incluyen equilibrar la entrada de combustible y oxidante en proporciones estequiométricas, aumentar la entrada de combustible y oxidante en esta mezcla equilibrada, aumentar la temperatura ambiente para que el propio calor del fuego pueda sostener mejor la combustión o proporcionar un catalizador., un medio no reactivo en el que el combustible y el comburente pueden reaccionar más fácilmente.
Llama
Una llama es una mezcla de gases y sólidos que reaccionan y emiten luz visible, infrarroja y, a veces, ultravioleta, cuyo espectro de frecuencia depende de la composición química del material que se quema y de los productos de reacción intermedios. En muchos casos, como la quema de materia orgánica, por ejemplo madera, o la combustión incompleta de gas, las partículas sólidas incandescentes llamadas hollín producen el familiar resplandor rojo anaranjado del "fuego". Esta luz tiene un espectro continuo. La combustión completa del gas tiene un color azul tenue debido a la emisión de radiación de longitud de onda única de varias transiciones de electrones en las moléculas excitadas formadas en la llama. Por lo general, el oxígeno está involucrado, pero la quema de hidrógeno en cloro también produce una llama que produce cloruro de hidrógeno (HCl). Otras combinaciones posibles que producen llamas, entre muchas, son el flúor y el hidrógeno, y la hidracina y el tetróxido de nitrógeno. Las llamas de hidrógeno e hidracina/UDMH son de un azul pálido similar, mientras que la quema de boro y sus compuestos, evaluados a mediados del siglo XX como combustible de alta energía para motores a reacción y cohetes, emite una llama verde intensa, lo que lleva a su apodo informal de " Dragón Verde".
El resplandor de una llama es complejo. La radiación de cuerpo negro es emitida por partículas de hollín, gas y combustible, aunque las partículas de hollín son demasiado pequeñas para comportarse como cuerpos negros perfectos. También hay emisión de fotones por átomos y moléculas desexcitados en los gases. Gran parte de la radiación se emite en las bandas visible e infrarroja. El color depende de la temperatura de la radiación de cuerpo negro y de la composición química de los espectros de emisión. El color dominante en una llama cambia con la temperatura. La foto del incendio forestal en Canadá es un excelente ejemplo de esta variación. Cerca del suelo, donde se produce la mayor parte de la quema, el fuego es blanco, el color más cálido posible para la materia orgánica en general, o amarillo. Por encima de la región amarilla, el color cambia a naranja, que es más frío, y luego a rojo, que es aún más frío. Por encima de la región roja, ya no se produce la combustión y las partículas de carbono no quemadas son visibles como humo negro.
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 general, como en una vela en condiciones de gravedad normal, haciéndola amarilla. En microgravedad o gravedad cero, como un entorno en el espacio exterior, ya no se produce convección y la llama se vuelve esférica, con tendencia a volverse más azul y más eficiente (aunque puede apagarse si no se mueve de manera constante, ya que el CO 2 de la combustión no se dispersa tan fácilmente en microgravedad y tiende a sofocar la llama). Hay varias explicaciones posibles para esta diferencia, de las cuales la más probable es que la temperatura esté distribuida de manera suficientemente uniforme para que no se forme hollín y se produzca una combustión completa. Los experimentos de la NASA revelan que las llamas de difusión en microgravedad permiten que se oxide por completo 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. Estos descubrimientos tienen aplicaciones potenciales en la ciencia aplicada y la industria, especialmente en lo que respecta a la eficiencia del combustible.
En los motores de combustión, se toman varios pasos para eliminar una llama. El método depende principalmente de si el combustible es petróleo, madera o un combustible de alta energía como el combustible para aviones.
Temperaturas adiabáticas típicas
La temperatura de llama adiabática de un par dado de combustible y oxidante es aquella a la que los gases logran una combustión estable.
- Oxy-dicyanoacetileno 4,990 °C (9,000 °F)
- Oxy–acetileno 3,480 °C (6,300 °F)
- Oxihidrógeno 2,800 °C (5,100 °F)
- Aire–acetileno 2,534 °C (4.600 °F)
- Blowtorch (aire–MAPP gas) 2,200 °C (4.000 °F)
- Quemador Bunsen (gas natural al aire) 1,300 a 1,600 °C (2,400 a 2,900 °F)
- Vela (aire–parafina) 1.000 °C (1.800 °F)
Ciencia del fuego & ecología
Cada ecosistema natural tiene su propio régimen de incendios, y los organismos en esos ecosistemas están adaptados o dependen de ese régimen de incendios. El fuego crea un mosaico de diferentes parches de hábitat, cada uno en una etapa diferente de sucesión. Diferentes especies de plantas, animales y microbios se especializan en explotar una etapa en particular, y al crear estos diferentes tipos de parches, el fuego permite que exista una mayor cantidad de especies dentro de un paisaje.
La ciencia del fuego es una rama de la ciencia física que incluye el comportamiento, la dinámica y la combustión del fuego. Las aplicaciones de la ciencia del fuego incluyen la protección contra incendios, la investigación de incendios y el manejo de incendios forestales.
Registro fósil
El registro fósil del fuego aparece por primera vez con el establecimiento de una flora terrestre en el período Ordovícico medio, hace 470 millones de años, permitiendo la acumulación de oxígeno en la atmósfera como nunca antes, ya que las nuevas hordas de plantas terrestres lo expulsaron como producto de desecho. Cuando esta concentración superó el 13%, permitió la posibilidad de un incendio forestal. Los incendios forestales se registran por primera vez en el registro fósil del Silúrico tardío, hace 420 millones de años, por fósiles de plantas carbonizadas. Aparte de una brecha controvertida en el Devónico tardío, el carbón vegetal está presente desde entonces. El nivel de oxígeno atmosférico está estrechamente relacionado con la prevalencia del carbón vegetal: claramente, el oxígeno es el factor clave en la abundancia de incendios forestales. El fuego también se volvió más abundante cuando los pastos irradiaron y se convirtieron en el componente dominante de muchos ecosistemas, alrededor de hace 6 a 7 millones de años; esta leña proporcionó yesca que permitió una propagación más rápida del fuego. Estos incendios generalizados pueden haber iniciado un proceso de retroalimentación positiva, mediante el cual produjeron un clima más cálido y seco más propicio para los incendios.
Control humano
Control humano temprano
La capacidad de controlar el fuego supuso un cambio drástico en los hábitos de los primeros humanos. Hacer fuego para generar calor y luz hizo posible que las personas cocinaran alimentos, aumentando simultáneamente la variedad y disponibilidad de nutrientes y reduciendo las enfermedades al matar los organismos en los alimentos. El calor producido también ayudaría a las personas a mantenerse calientes en climas fríos, permitiéndoles vivir en climas más fríos. El fuego también mantuvo a raya a los depredadores nocturnos. La evidencia de comida cocinada se encuentra desde hace 1 millón de años, aunque hay alguna evidencia de que el fuego puede haber sido utilizado de manera controlada hace aproximadamente 1 millón de años, otras fuentes sitúan la fecha en hace 400.000 años. La evidencia se generaliza hace alrededor de 50 a 100 mil años, lo que sugiere un uso regular a partir de este momento; Curiosamente, la resistencia a la contaminación del aire comenzó a evolucionar en las poblaciones humanas en un momento similar. El uso del fuego se volvió progresivamente más sofisticado, ya que se utilizó para crear carbón vegetal y controlar la vida silvestre de 'decenas de miles' de hace años
El fuego también se ha utilizado durante siglos como método de tortura y ejecución, como lo demuestra la muerte por quema, así como dispositivos de tortura como la bota de hierro, que podría llenarse con agua, aceite o incluso plomo y luego calentarse. sobre un fuego abierto a la agonía del usuario.
En la Revolución Neolítica, durante la introducción de la agricultura basada en cereales, la gente de todo el mundo utilizó el fuego como herramienta en la gestión del paisaje. Estos incendios solían ser quemaduras controladas o "fuegos fríos", a diferencia de los "fuegos calientes" no controlados, que dañan el suelo. Los fuegos calientes destruyen plantas y animales y ponen en peligro a las comunidades. Esto es especialmente un problema en los bosques de hoy en día, donde se evita la quema tradicional para fomentar el crecimiento de los cultivos madereros. Los fuegos fríos se realizan generalmente en primavera y otoño. Limpian la maleza, quemando biomasa que podría desencadenar un fuego caliente si se vuelve demasiado denso. Proporcionan una mayor variedad de ambientes, lo que favorece la diversidad cinegética y vegetal. Para los humanos, hacen que los bosques densos e intransitables sean transitables. Otro uso humano del fuego en lo que respecta a la gestión del paisaje es su uso para despejar tierras para la agricultura. La agricultura de tala y quema sigue siendo común en gran parte de África tropical, Asia y América del Sur. "Para los pequeños agricultores, es una forma conveniente de despejar áreas cubiertas de maleza y liberar los nutrientes de la vegetación en pie de regreso al suelo", dijo Miguel Pinedo-Vásquez, ecólogo del Centro de Investigación y Conservación Ambiental del Instituto de la Tierra. Sin embargo, esta útil estrategia también es problemática. El aumento de la población, la fragmentación de los bosques y el calentamiento del clima están haciendo que la superficie de la tierra sea más propensa a incendios cada vez más grandes. Estos dañan los ecosistemas y la infraestructura humana, causan problemas de salud y envían espirales de carbono y hollín que pueden alentar aún más el calentamiento de la atmósfera y, por lo tanto, retroalimentar más incendios. En la actualidad, a nivel mundial, se queman hasta 5 millones de kilómetros cuadrados, un área de más de la mitad del tamaño de los Estados Unidos, en un año determinado.
Control humano posterior
Existen numerosas aplicaciones modernas del fuego. En su sentido más amplio, casi todos los seres humanos del planeta utilizan el fuego en un entorno controlado todos los días. Los usuarios de vehículos de combustión interna emplean fuego cada vez que conducen. Las centrales térmicas proporcionan electricidad a un gran porcentaje de la humanidad al encender combustibles como el carbón, el petróleo o el gas natural y luego usar el calor resultante para hervir el agua y convertirla en vapor, que luego impulsa las turbinas.
El uso del fuego en la guerra tiene una larga historia. El fuego fue la base de todas las primeras armas térmicas. Homero detalló el uso del fuego por parte de los soldados griegos que se escondieron en un caballo de madera para quemar Troya durante la guerra de Troya. Más tarde, la flota bizantina utilizó el fuego griego para atacar barcos y hombres. En la Primera Guerra Mundial, la infantería utilizó los primeros lanzallamas modernos y se montaron con éxito en vehículos blindados en la Segunda Guerra Mundial. En la última guerra, tanto el Eje como los Aliados utilizaron bombas incendiarias, especialmente en Tokio, Rotterdam, Londres, Hamburgo y, notoriamente, en Dresde; en los dos últimos casos, se provocaron deliberadamente tormentas de fuego en las que un anillo de fuego que rodeaba cada ciudad fue atraído hacia adentro por una corriente ascendente provocada por un grupo central de incendios. La Fuerza Aérea del Ejército de los Estados Unidos también utilizó ampliamente armas incendiarias contra objetivos japoneses en los últimos meses de la guerra, devastando ciudades enteras construidas principalmente con casas de madera y papel. El uso de napalm se empleó en julio de 1944, hacia el final de la Segunda Guerra Mundial; aunque su uso no llamó la atención del público hasta la Guerra de Vietnam. También se utilizaron cócteles molotov.
Uso productivo de la energía
Prender fuego al combustible libera energía utilizable. La madera era un combustible prehistórico y todavía es viable hoy en día. El uso de combustibles fósiles, como el petróleo, el gas natural y el carbón, en las centrales eléctricas suministra la gran mayoría de la electricidad del mundo en la actualidad; la Agencia Internacional de Energía afirma que casi el 80% de la energía mundial provino de estas fuentes en 2002. El fuego en una central eléctrica se usa para calentar agua, creando vapor que impulsa turbinas. Luego, las turbinas hacen girar un generador eléctrico para producir electricidad. El fuego también se utiliza para proporcionar trabajo mecánico directamente, tanto en motores de combustión externa como interna.
Los restos sólidos incombustibles de un material combustible que quedan después de un incendio se denominan clinker si su punto de fusión está por debajo de la temperatura de la llama, de modo que se fusiona y luego se solidifica al enfriarse, y ceniza si su punto de fusión está por encima de la temperatura de la llama.
Gestión de incendios
Controlar hábilmente un fuego para optimizar su tamaño, forma e intensidad generalmente se denomina manejo del fuego, y las formas más avanzadas del mismo, tal como lo practican tradicionalmente (y a veces todavía) los cocineros expertos, los herreros, maestros del hierro y otros, son actividades altamente calificadas. Incluyen conocimientos sobre cómo seleccionar qué tipos de madera, carbón vegetal o carbón mineral quemar; cómo organizar el combustible; cómo avivar el fuego tanto en las primeras fases como en las fases de mantenimiento; cómo modular la cantidad de calor, llamas y humo según se adapte a la aplicación deseada; cuál es la mejor manera de apagar un fuego para revivirlo más tarde; cómo elegir, diseñar o modificar estufas de leña, estufas de carbón, hornos de panadería y hornos industriales; etcétera. Se encuentran disponibles exposiciones detalladas sobre el manejo del fuego en varios libros sobre herrería, sobre campamentos hábiles o exploración militar, y sobre las artes domésticas en siglos anteriores.
Protección y prevención
Los programas de prevención de incendios forestales en todo el mundo pueden emplear técnicas como el uso de incendios forestales y las quemas prescritas o controladas. Uso de incendios forestales se refiere a cualquier incendio de causas naturales que se controla pero se permite que arda. Las quemas controladas son incendios iniciados por agencias gubernamentales en condiciones climáticas menos peligrosas.
Los servicios de extinción de incendios se brindan en la mayoría de las áreas desarrolladas para extinguir o contener incendios descontrolados. Los bomberos capacitados usan aparatos contra incendios, recursos de suministro de agua, como tuberías de agua y bocas de incendio, o pueden usar espuma de clase A y B, según lo que esté alimentando el fuego.
La prevención de incendios tiene por objeto reducir las fuentes de ignición. La prevención de incendios también incluye la educación para enseñar a las personas cómo evitar provocar incendios. Los edificios, especialmente las escuelas y los edificios altos, a menudo realizan simulacros de incendio para informar y preparar a los ciudadanos sobre cómo reaccionar ante un incendio en un edificio. Comenzar incendios destructivos a propósito constituye un incendio provocado y es un delito en la mayoría de las jurisdicciones.
Los códigos de construcción modelo requieren protección pasiva contra incendios y sistemas activos de protección contra incendios para minimizar los daños resultantes de un incendio. La forma más común de protección activa contra incendios son los rociadores contra incendios. Para maximizar la protección pasiva contra incendios de los edificios, los materiales de construcción y el mobiliario en la mayoría de los países desarrollados se someten a pruebas de resistencia al fuego, combustibilidad e inflamabilidad. También se prueban tapizados, alfombras y plásticos utilizados en vehículos y embarcaciones.
Cuando la prevención y la protección contra incendios no han logrado prevenir los daños, el seguro contra incendios puede mitigar el impacto financiero.