燃焼について詳しく解説

燃焼は発熱化学反応です（つまり、熱の形でのエネルギーの生成を伴います）。

ファイアトライアングル

火の三角形

燃焼の化学反応は、燃料、酸化剤、活性化エネルギーの 3 つの要素が十分な割合で組み合わされた場合にのみ発生します。この関係は、火の三角形によって象徴的に表されます。

燃料は次のとおりです。

• ガス（ブタン、プロパン、都市ガス、二水素など）、
• 液体（ガソリン、ディーゼル、オイル、灯油など）、
• 固体（木、紙、ボール紙、布地、プラスチックなど）。

異なるボディが混在している場合もあります。

酸化剤は化学反応におけるもう 1 つの反応物質です。ほとんどの場合、それは周囲の空気であり、特にその主成分の 1 つである酸素です。火から空気を奪うことによって、私たちは火を消します。たとえば、火のついたティーライトキャンドルをジャムの瓶に入れて瓶の蓋を閉めると、炎は消えます。逆に、薪の火に息を吹きかけると、火が活性化されます（より多くの空気が取り込まれます）。一部のトーチでは、燃焼を改善するために純酸素が追加されています。

特定の非常に特殊なケース（爆発性の場合が多い）では、酸化剤と燃料は同一の物体です（例えば、有名なニトログリセリン、還元部分にグラフトされた酸化部分を含む不安定な分子）。

反応は活性化エネルギーによって引き起こされます。熱の生成により、ほとんどの場合、この反応は自立的に進行するか、連鎖反応へと増幅することもあります。

活性化エネルギーが火災の引き金となります。これは通常、熱です。たとえば、擦られるマッチ、加熱する電線、または別の炎（火の伝播）、火花（ガスライター、ライターのフリント、または始動または停止する電気製品からの）です。しかし、活性化エネルギーを提供する他の方法があります。電気、放射線、圧力などで、常に温度を上昇させることができます。

燃焼を消すためのプロセス

燃焼反応を消すには、火の三角形の 3 つの要素のうち 1 つを取り除く必要があります。

• 燃料の除去: 燃焼を供給するバルブまたは蛇口の閉鎖…
• 酸化剤の除去（窒息）：ドライアイス消火器、毛布などの使用。
• 活性エネルギーの除去（冷却）：水噴霧消火器の使用…

化学的アプローチ

酸素中でのメタンの燃焼

燃焼反応は、他のすべての反応と同様、2 つの物体の分子間の結合を破壊し、より化学的に安定した新しい分子を生成することです。

例: 酸素中でのメタンの燃焼

$$ {\rm CH_4 + 2O_2 \to CO_2 + 2H_2O} $$

二酸化炭素

$$ {\scriptstyle\rm CO_2} $$

そして水

$$ {\scriptstyle\rm H_2O} $$

酸素やメタンよりも安定しています。

燃焼は酸化還元反応であり、この場合は酸化剤による燃料の酸化です。

• 燃料は燃焼中に酸化される物体です。それは還元剤であり、電子を失います。
• 酸化体は還元される体です。それは酸化剤であり、電子を受け取ります。

触媒と呼ばれる特定の化合物は、その存在によって、反応を活性化するために必要なエネルギー量を、エネルギーを減少させたり (活性化剤) 増加させたり (阻害剤) して変化させます。

固体燃料の場合、活性化エネルギーにより燃料が気化または熱分解します。このようにして生成されたガスは酸化剤と混合し、可燃性混合物を生成します。燃焼によって生成されるエネルギーが必要な活性化エネルギー以上の場合、燃焼反応は自立します。

発生するエネルギーと発熱量

燃焼によって生成されるエネルギー量はジュール (J) で表されます。これは反応エンタルピーです。応用分野 (オーブン、バーナー、内燃機関、消防) では、燃料の単位質量あたりの反応エンタルピー、または 1キログラムの燃料の燃焼によって得られるエネルギーである発熱量の概念がよく使用されます。燃料。一般にキロジュール/キログラムで表されます（kJ/kg または kJ・kg ^-1と表記されます）。

炭化水素が燃焼すると、水が蒸気の形で放出されます。この水蒸気には多量のエネルギーが含まれています。したがって、このパラメータは発熱量の評価のために特に考慮され、次のように定義されます。

• 高位発熱量 (GCV) : 「単位燃料の完全燃焼によって放出されるエネルギー量。水蒸気が凝縮し、熱が回収されると想定されます。」 ^{[ 1 ]} 。
• 低位発熱量 (LCV) : 「単位燃料の完全燃焼によって放出される熱量。水蒸気は凝縮せず、熱は回収されないと仮定します。」 ^{[ 2 ]} 。

PCI と PCS の違いは、水の蒸発潜熱(Lv) に発生する蒸気量 (m) を掛けたもので、約 2,250 kJ kg ^-1になります (後者の値は圧力と温度に依存します)。

私たちには関係がある

火炎前線の速度と爆発

燃焼は火炎面の速度によって特徴付けられます。

• 爆発の速度は秒速数百メートル
• 爆発：秒速1キロメートル程度の速度（音速より速い）

金属火災

金属の酸化は一般にゆっくりと進行します。したがって、放出される熱は強力であり、ゆっくりと環境中に放散されます。これは腐食領域（鉄や鋼の錆など）です。

ただし、場合によっては酸化が激しく、燃焼が発生することがあります。注目すべきケースは次の 5 つです。

• 空気中でのマグネシウムの燃焼:マグネシウムは容易に燃焼し、非常に明るく白い光を発します。以前は写真のフラッシュに使用されていました。
• 水中でのナトリウムの燃焼: 厳密に言えば、燃焼するのはナトリウムではありません。ナトリウムは水と激しく反応して二水素の放出を引き起こし、反応によって発生する熱により二水素が空気中で発火します。
• アルミノテルミー: ここでの酸化剤は金属酸化物であり、2 つの固体間の化学反応です。
• 高温および高濃度の酸素での燃焼：金属が非常に強く加熱され、純粋な酸素が送られると、反応は自立するのに十分な速さになります。この現象は、火炎切断やサーマルランスに使用され、また、酸素ボトル（例えば、医療用酸素ボトルやトーチボトル）の調整器で発生する可能性のある「発砲」事故でもあります。
• 粉末または泡状の金属の燃焼: 化学反応は金属と空気との接触で起こります。泡状または粉末の場合、この接触面(比表面積) が非常に大きいため、反応が起こります。したがって、速度が速く、放出される熱もかなり大きくなります。ダストブローに匹敵する現象です。

宇宙飛行への応用

燃焼は宇宙飛行の分野で宇宙船に推進エネルギーを提供するために使用されます。英語での対応する用語は、 「burning (燃焼)」と「compression (燃焼)」です。

推進剤で使用される燃焼の種類に応じて、次のことについて話します。

• 紙巻きタバコの燃焼（英語では、シガレット・バーニングおよびエンド・バーニング）。前方または後方に向かって長手方向に進む平らな燃焼面を特徴とする粉末のブロックの燃焼です。

• 浸食燃焼(英語ではerosive burn ) は、燃焼ガスの流れによってブロックの浸食が引き起こされる場合の粉末ブロックの燃焼です。

• 外部横燃焼（英語では、外部燃焼）。縦方向に伸び、外側から内側に向​​かって進む燃焼面を特徴とする粉末ブロックの燃焼です。

• 内部横燃焼(英語では内部燃焼) は、中央のチャネルから内側から外側に向かって起こる粉末ブロックの燃焼です。