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炎（ラテン語のflammaから）は、火の目に見えるガス状の部分です。炎は、薄い領域で起こる非常に発熱的な化学反応によって発生します。 [1]炎が十分に熱くなり、十分な密度のイオン化されたガス成分を持つようになると、プラズマと見なされます。[曖昧] [2]
機構
発光ゾーンの内部は1,500℃（2,730℉）を超える非常に高温になることがあります。[3]
炎の色と温度は、燃焼に関与する燃料の種類によって異なります。たとえば、ライターをろうそくにかざすと、加えられた熱によりろうそくのワックス内の燃料分子が気化します。[注 1]この状態では、燃料分子は空気中の酸素と容易に反応し、その後の発熱反応で十分な熱を放出してさらに多くの燃料を気化させ、安定した炎を維持します。炎の高温により、気化した燃料分子が分解し、さまざまな不完全燃焼生成物とフリーラジカルが形成され、これらの生成物は互いに反応し、次の炎（火）の反応に関与する酸化剤と反応します。
冷たい金属のスプーンを使って、ろうそくの炎のさまざまな部分を調べることができます。[4]炎の高い部分では燃焼の結果として水蒸気の沈殿が生じ、中央の黄色い部分ではすすが生じ、ろうそくの芯に近い部分では燃えていないワックスが生じます。金細工師は、金属製の吹き管を使って炎の高い部分を使って金や銀を溶かします。炎に十分なエネルギーがあると、メチリジンラジカル(CH) や二原子炭素(C 2 ) などの一時的な反応中間体の電子が励起され、これらの物質が余分なエネルギーを放出して可視光が放射されます (どのラジカル種がどの特定の色を生成するかについては、下のスペクトルを参照してください)。炎の燃焼温度が上昇すると (炎に燃えていない炭素などの小さな粒子が含まれている場合)、炎から放出される電磁放射の平均エネルギーも上昇します (黒体を参照)。
酸素以外の酸化剤も炎を生成するために使用できます。塩素中で水素を燃焼させると炎が発生し、その過程で燃焼生成物として塩化水素ガス(HCl) が放出されます。 [5]他にも多くの可能な化学組み合わせの 1 つに、ヒドラジンと四酸化窒素があります。これは自発燃焼性があり、ロケット エンジンでよく使用されます。フッ素ポリマーは、マグネシウム/テフロン/バイトンの組成など、金属燃料の酸化剤としてフッ素を供給するために使用できます。
炎の中で起こる化学反応は非常に複雑で、典型的には多数の化学反応と中間体（そのほとんどはラジカル）が関与します。例えば、よく知られている化学反応速度論スキームであるGRI-Mech [6]では、53の種と325の基本反応を使用してバイオガスの燃焼を記述しています。
燃焼に必要な成分を炎に分配する方法はいくつかあります。拡散炎では、酸素と燃料が互いに拡散し、両者が出会うところで炎が発生します。予混合炎では、酸素と燃料があらかじめ混合されているため、異なるタイプの炎になります。ろうそくの炎（拡散炎）は、層流の高温ガスで上昇する燃料の蒸発によって作動し、その後周囲の酸素と混合して燃焼します。
色
炎の色はいくつかの要因によって決まりますが、最も重要なのは一般的に黒体放射とスペクトル帯の放射で、スペクトル線放射とスペクトル線吸収も小さな役割を果たします。最も一般的なタイプの炎である炭化水素炎では、色を決定する最も重要な要因は酸素供給と燃料と酸素の事前混合の程度であり、これによって燃焼速度が決まり、温度と反応経路が決まり、さまざまな色合いが生成されます。
通常の重力条件下で空気取り入れ口が閉じられた実験室では、ブンゼンバーナーはピーク温度が約 2,000 K (3,100 °F) の黄色い炎 (安全炎とも呼ばれる) で燃焼します。黄色は、炎で生成される非常に細かいすす粒子の白熱光によって生じます。また、一酸化炭素も生成され、炎は接触する表面から酸素を奪う傾向があります。空気取り入れ口が開いていると、すすと一酸化炭素の生成は少なくなります。十分な空気が供給されると、すすも一酸化炭素も生成されなくなり、炎は青色になります (この青色のほとんどは、以前は明るい黄色の放出によって不明瞭でした)。右側の予混合 (完全燃焼)ブタン炎のスペクトルは、青色が特に炎内の励起分子ラジカルの放出によって生じていることを示しています。励起分子ラジカルは、可視スペクトルの青と緑の領域で、≈565 ナノメートルよりはるかに低い波長でほとんどの光を放出します。
拡散（不完全燃焼）炎の冷たい部分は赤く、温度が上昇するにつれて、黒体放射スペクトルの変化からわかるように、オレンジ、黄色、白へと変化します。特定の炎の領域では、このスケールで白に近いほど、炎のその部分は高温です。この変化は火災でよく見られ、燃料に最も近い部分が白色で、その上にオレンジ色がかっており、赤みがかった炎が最も高温になります。[7]青い色の炎は、煤の量が減少し、励起分子ラジカルからの青色の放射が優勢になった場合にのみ現れますが、空気中の煤の濃度が低いろうそくの底の近くでは、青色がよく見られます。[8]
明るい発光スペクトル線を持つ励起性物質を導入することで、炎に特定の色を与えることができます。分析化学では、この効果は炎試験（または炎発光分光法）で使用され、金属イオンの存在を判定します。花火では、花火用着色剤を使用して明るい色の花火を作ります。
温度
炎の温度を見るとき、変化したり適用されたりする要因は数多くあります。重要な要因の 1 つは、炎の色は必ずしも温度の比較を決定するものではないということです。これは、黒体放射だけが色を生成したり決定したりするものではないためです。したがって、炎の色は温度の推定値にすぎません。炎の温度を決定するその他の要因は次のとおりです。
- 火災（特に住宅火災）では、炎の温度が低いほど赤くなり、煙が多く出ることが多い。この場合、炎の一般的な黄色と比べて赤色は、温度が低いことを示唆している。これは、室内に酸素が不足しているために不完全燃焼が起き、炎の温度が低く、600～850℃（1,112～1,562℉）にとどまることが多いためである。つまり、一酸化炭素（可燃性ガス）が大量に生成され、逆流の危険性が最も高くなる。逆流が発生すると、自然発火点以上の可燃性ガスが酸素にさらされ、一酸化炭素と過熱炭化水素が燃焼し、一時的に最高2,000℃（3,630℉）の温度になる。[要出典]
一般的な炎の温度
これは、さまざまな一般的な物質の炎の温度の大まかなガイドです（1 気圧で 20 °C (68 °F) の空気中）。
最高気温
ジシアノアセチレンは、化学式C 4 N 2の炭素と窒素の化合物で、酸素中では明るい青白色の炎を出して5,260 K (4,990 °C; 9,010 °F)の温度で燃焼し、オゾン中では最高6,000 K (5,730 °C; 10,340 °F)で燃焼します。[10]この高い炎の温度は、燃料に水素が含まれていないこと（ジシアノアセチレンは炭化水素ではない）に一部起因しており、燃焼生成物の中に水は含まれていません。
化学式(CN) 2で表されるシアンは、酸素中で燃焼すると4,525℃（8,177℉）を超える温度の、知られている中で2番目に熱い自然の炎を発生させます。[11] [12]
涼しい炎
120 °C (248 °F) という低温でも、燃料と空気の混合物は化学反応を起こし、冷炎と呼ばれる非常に弱い炎を発生させる。この現象は1817 年にハンフリー・デービーによって発見された。このプロセスは反応混合物の温度と濃度の微妙なバランスに依存し、条件が整えば外部の点火源がなくても開始できる。化学物質、特に反応の中間生成物のバランスの周期的な変動により炎に振動が生じ、典型的な温度変動は約 100 °C (212 °F)、つまり「冷」から完全点火までである。この変動は爆発につながることもある。[9] [13]
微小重力下で
2000年にNASAの実験により、重力が炎の形成と構成に間接的な役割を果たしていることが確認された。[14]通常の重力条件下での炎の一般的な分布は対流に依存しており、すすは炎の上部に上がる傾向があるため（通常の重力条件下でのろうそくなど）、炎が黄色くなる。微小重力または軌道上などの無重力環境では、自然対流は発生しなくなり、炎は球形になり、より青く効率的になる傾向がある。この違いにはいくつかの説明が考えられ、最も可能性が高いのは、温度が十分に均一に分布しているためすすが形成されず、完全燃焼が発生するという仮説である。[15] NASAの実験により、微小重力での拡散炎では、通常の重力条件と比較して微小重力で異なる一連のメカニズムの作用により、地球上の拡散炎よりも多くのすすが生成された後、完全に酸化されることが明らかになった。[16]これらの発見は、特に燃料効率に関して、応用科学や民間産業に応用できる可能性がある。
熱核炎
炎は化学エネルギーの放出によってのみ駆動される必要はない。恒星では、軽い原子核（炭素やヘリウムなど）から重い原子核（鉄族まで）まで燃焼することによって駆動される亜音速の燃焼前線が炎として伝播する。これはIa型超新星のいくつかのモデルで重要である。熱核炎では、熱伝導が種の拡散よりも優位であるため、炎の速度と厚さは熱核エネルギーの放出と熱伝導率（多くの場合、縮退電子の形で）によって決定される。[17]
参照
注記
参考文献
- ^ Law, CK (2006). 「層流予混合炎」.燃焼物理学. ケンブリッジ、イギリス: ケンブリッジ大学出版局. p. 300. ISBN 0-521-87052-6。
- ^ 「炎にはプラズマが含まれているか？」。驚きの答えが見つかる科学の質問。2022年6月26日閲覧。
- ^ Zheng, Shu; Ni, Li; Liu, Huawei; Zhou, Huaichun (2019年4月1日). 「ハイパースペクトル画像技術を用いたろうそくの炎の温度と放射率の分布の測定」. Optik . 183 : 222–231. Bibcode :2019Optik.183..222Z. doi :10.1016/j.ijleo.2019.02.077. ISSN 0030-4026. S2CID 126553613.
- ^ GhostarchiveとWayback Machineにアーカイブ：「What Is Fire?」。YouTube 。 2019年11月27日閲覧。
- ^ 「塩素と水素の反応」。2008年8月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 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」。2007年10月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2007年11月8日閲覧。
- ^ クリストファー・W・シュミット、スティーブ・A・サイムズ（2008年）。焼死した人間の遺体の分析。アカデミック・プレス。pp.2-4。ISBN 978-0-12-372510-3。
- ^ Jozef Jarosinski、Bernard Veyssiere (2009)。燃焼現象：炎の形成、伝播、消炎のメカニズム。CRC Press。p. 172。ISBN 978-0-8493-8408-0。
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- ^ ジョーンズ、ジョン・クリフォード（2003年9月）。「低温酸化」。炭化水素プロセスの安全性：学生と専門家のためのテキスト。タルサ、オクラホマ州：ペンウェル。pp. 32-33。ISBN 978-1-59370-004-1。
- ^ 微小重力下での螺旋状の炎 Archived 19 March 2010 at the Wayback Machine、National Aeronautics and Space Administration、2000年。
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