النار يمكنها ان تدمر كل ما هو حولنا في غضون ساعة أو أقل، كما ان النار قادرة على ان تأتي على غبة من الاشجار وتحولها إلى كومة من الرماد. وتستخدم النار كسلاح فتاك في الحروب وحسب الاحصائيات السنوية تعتبر كوارث النار الاكثر سببا للوفيات كل عام.
ولكن وبالرغم من الصوةر القاتمة التي بدأنا بها المقال فإن النار مفيدة للغاية. فهي الوسيلة الأولى للنسان استخدمها للاضاءة والتدفئة، هذا بالطبع استخدامها لطهو الطعام ودخل استخدام النار في الصناعة لتشكيل الحديد وتحويله الى الات مفيدة للبشرية. لا يوجد مثيل للنار في المضار التي يمكن أن تسببها للانسان وفي نفس الوقت للنار الكثير من الفوائد. ولذلك فإن النار بالتأكيد مهمة جداً لنا وعنصرا اساسياً للحياة وقوة مهمة للبشرية ولكن ماهي النار؟
في هذه المقالة من تفسيرات فيزيائية سوف نقوم بشرح من كيف تتولد النار وما مصدرها وكيف تتصرف؟؟!!
ما هي النار؟
اعتبر القدماء اليونانيون أن النار أحد العناصر الرئيسية للكون بجانب الماء والهواء والأرض. فانت تستطيع الشعور بالنار كما تشعر بالماء والهواء والارض فيمكنك ان تراها وتشمها وتحركها من مكان لأخر. ولكن في الحقيقة النار شيء مختلف تماماً. الارض والماء والهواء وكلها تتشكل من المادة والتي تتكون من الملايين الملاين من الذرات المتجمعة مع بعضها
البعض. ولكن النار ليست مادة على الاطلاق. انها مرئية ملموسة وهي اثر لتحول المادة من شكل الى اخر، وتكون النار جزء من تفاعل كيميائي.
من الطبيعي اننا نعرف ان النار تأتي من تفاعل كيميائي بين الاكسجين الموجود في الغلاف الجوي ومادة تعرف باسم الوقودمثل الخشب او البنزين. ولكن طبعا بوجود الخشب والبنزين لا يحدث النار تلقائيا بمجرد توفر الأكسجين ولكن يجب ان ان تتوفر الحرارة اللازمة للوقود لكي يصل الى درجة حرارة الاشتعال.
فيما يلي نستعرض الخطوات التي تحدث لاشتعال الخشب وانطلاق النار.
- شيء ما يجب ان يسخن الخشب ليصل إلى درجة حرارة عالية. مثل عود ثقاب أو ضوء مركز او الاحتكاك او مصدر نار متوفر مسبقاً
- عندما يصل الخشب إلى درجة حرارة 150 درجة مئوية فإن الحرارة تسبب تغير في جزء من مادة السيليلوز التي تكون الخشب.
- التغير الذي يطرأ على مادة السليلوز يسبب في انطلاق غاز قابل للاحتراق في الصورة التي نعرفها باسم الدخان تحتوي على الهيدروجين والكربون والاكسجين. عندما يتوقف الدخان فإن الخشب يكون تحول إلى كربون نقي يسمى الفحم ولهذا فإننا عندما نشتري الفهم فإنه يكون خشب تم تسخينه للتخلص من الدخان الذي يصدر من مادة السليلوز لارتفاع درجة حرارته وبالتالي عند اشعال الفحم لا نجد له دخان. وباحتراق الفحم يتحول في النهاية إلى رماد وهي المادة المتبقية من احتراق الفحم أو ما نسميه بمخلفات الحريق او المادة الغير قابلة للاحتراق والتي تكون في الغالب كالسيوم وبوتاسيوم وغيرها من المواد. والمعادلة الموضحة في الشكل التالي توضح الغازات لمنبعثة من تشخين الخشب.
اذا نستنتج مما سبق ان حرق الخشب يحدث على مرحلتين منفصلتين كل مرحلة عبارة عن تفاعل كيميائي وهما كما يلي:
-
عندما تكون الغازات القابلة للاحتراق والتي تنطلق في صورة دخان عند درجة حرارة 260 درجة مئوية فإن جزيئات الخشب تتكسر وتنفصل عن بعضها البعض وتتحد ذراتها مع الاكسجين لتكون الماء واول اكسيد الكربون ومواد أخرى وتلك العملية نسميها عملية الاحتراق.
-
الكربون الموجود في الخشب بعد الاحتراق يكون في صورة فحم يتحد مع الاكسحين ايضاً في تفاعل كيميائي ولكن عملية الاتحاد مع الأكسحين في هذا التفاعل تكون أبطىء ولهذا نلاحظ ان الفحم المشتعل يبقى حاراً لفترات طويلة. ينتج عن التفاعلات الكيميائة السابقة انطلاق الحرارة والتي تؤدي الى استمرار وبقاء النار مشتعلة.
اعلانات جوجل
ولهذا السبب تعلم الانسان كيف يستفيد من تلك الخاصية في الابقاء على النار مشتعلة لفترات زمنية طويلة فنحن نعلم مثلا ان وقود مثل البنزين يحترق في لمح البصر نتيجة لتبخر البنزين بارتفاع درجة الحرارة وتحوله الى غازات قابلة للاشتعال بدون ترك مخلفات مادية مثل الفحم ولكن بااستخدام مادة الشمع يمكن ان نجعل النار مستمرة لفترة طويلة نتيجة لان تبخر الشمع ابطىء بكثير من تبخر البنزين لذا بتقليل معدل التبخر للمادة المحترقة “الوقود” يمكننا الحصول على نار لفترة زمنية طويلة.
ينتج الضوء من النار لان ذرات الكربون في المادة المحترقة تسخن وبالتالي تثار هذه الذرات بالحرارة وتتخلص تلك الذرات من اثارتها باصدار الضوء المرئي كما يحدث في المصباح الكهربي عندما يمر التيار الكهربي في فتيلة المصباح وترتفع درجة حرارتها نتيجة لمقاومتها للتيار فينطلق الضوء منها طالما استمرت درجة حرارة الفتيلة مرتفعة.
ينطلق الضوء من النار في صورة لهب Flame والهب له لون مميز يعتمد على مادة الاحتراق بدرجة رئيسية ويعتمد أيضا على درجة الحرارة. الالوان المختلفة والصادرة من اللهب هي بسبب تغير درجة الحرارة في شعلة اللهب نفسها. فالجزء الاسخن في اللهب يكون في اسفله والجزء الاكثر برودة في اعلى منطقة في اللهب.ولهذا يبدو لون اللهب في الاسفل ازرق بينما أعلى اللهب يكون اللون قريبا من اللون البرتقالي أو الأصفر.
وبالاضافة الى الضوء المنبعث من اللهب فإن جسميات من الكربون تتجمع حول اللهب في صورة شبيه بجسميات الغبار كما في الشكل التالي:
يكمن الخطر في النار في انها عملية كيميائية تستمر ذاتياً وبدون توقف طالما توفرت المواد اللازمة للاحتراق، فالحرارة التي تنتج عن اللهب توفر للوقود درجة حرارة الكافية لاستمرار في الاشتعال طالما توفر الوقود والاكسجين حول اللهب. ويقوم اللهب بتسخين الغازات المحيطة باللهب لتطلق المزيد من الغازات التي تنتشر بسرعة لتعمل على نشر النار واتساع منطقة تأثيره
على الارض حيث تؤثر الجاذبية على الطريقة التي ينتشر فيها اللهب فالغازات التي تحيط به تكون درجة حرارتها كبيرة واقل كثافة من الهواء المحيط بها ولهذا فإن اللهب يتجه للأعلى حيث يكون الضغط اقل. ولهذا السبب فإن النار دائما تتنتشر وتنطلق للاعلى في شكل سهم متجه للاعلى كما يتضح في الشكل التالي:
الغازات المحيطة وتأثيرها على شكل اللهب
ولكن لو نظرنا الى اللهب في مكان عديم الجاذبية مثل على سطح مركبة فضائية فإن اللهب يأخذ شكل كروي كما في الشكل التالي:
(A) شكل النار على الأرض، (B) شكل النار في حالة انعدام الجاذبية
المتغيرات المؤثرة على النار
الاكسجين
مما سبق وجدنا ان النار هي عبارة عن نتيجة لعملية تفاعل كيميائية بين نوعين من الغازات هما الاكسجين والغاز المتسرب من المادة في صورة وقود، مع ضرورة توفر الحرارة اللازمة لذلك. حيث تعمل الحرارة على توفير الطاقة اللازمة للذرات لتتمكن من التحرر من ارتباطها وتتبخر لتتحد مع ذرات الاكسجين في الجو لتكون مادة جديدة تساهم في توفير مصدر مستمر من الحرارة لتستمر العملية الكيميائية وتستمر النار.
يجب ان نعلم ان الكثير من العمليات الكيميائية المشابهة تحدث في حياتنا العملية ولكن لا تنتج ناراً فعلى سبيل المثال عندما نقوم بتسخين الماء فان الغاز المتبخر في صورة بخار ماء لا يتحد مع ذرات الاكسجين في الهواء وبالتالي لايمكن ان يتولد عن هذه العملية ناراً.
ولكن اكثر المركبات تحدث نار هي التي تحتوي الكربون والهيدروجين لانهما يتحدان مع الاكسجين بسهولة لتكوين ثاني اكسيد الكربون او تكوين الماء وغازات اخرى.
درجة الحرارة
تختلف درجات الحرارة اللازم توفرها للوقود لكي يشتعل وينتج النار. وهذا بالتأكيد بسبب اختلاف طبيعة المادة ودرجة الحرارة اللازمة للتحول من حالتها الصلبة او السائلة الى الحالة الغازية.
حجم الوقود
يلعب حجم المادة القابلة للاشتعال “الوقود” في درجة انتشار النار واتساع تأثيره، فمثلاً في منطقة تكثر فيها الاشجار فإنها تمتص الحرارة بكمية كبيرة وبالتالي سوف توفر الغازات القابلة للاشتعال بكثافة مما يساهم في انتشار النار بسرعة كبيرة.
الحرارة الناتجة من الوقود
عند احتراق الوقود فإن الحرارة المنطلقة منها تختلف في مقدارها حسب نوع مادة الوقود وكذلك سرعة انتشاره الذي يعتمد على سرعة تفاعله مع الاكسجين.
شكل اللهب
يلعب شكل اللهب بدرجة كبيرة دوراً اساسياً في سرعة الاحتراق، فقطعة صعيرة من الوقود (قطعة من الخشب) تحترق اسرع بكثير من قطعة كبيرة وذلك لان اغلب سطحها يكون معرضاًً للاكسجين. ومثال على ذلك اذا كان لديك قصاصات صغيرة من الورق تحترق بسرعة اكبر من نفس كتلة الورق المكدسة.
بهذا نكون قد وضحنا ما هي النار وكيف تنتج وسببها والظروف اللازمة توفرها وعلمنا ان النار تختلف باختلاف العوامل المؤثرة عليها.
لمزيد من المعلومات يرجى الاطلاع على الروابط التالية
http://webexhibits.org/causesofcolor/3B.html
http://science.nasa.gov/headlines/y2000/ast12may_1.htm
http://microgravity.grc.nasa.gov/combustion/cfm/cfm_index.htm
