Flammer – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

20. oktober 2008

Flammer

Kære Spørg om Fysik
I min undervisning gennemgik jeg lysudsendelsen fra glødepærer og stjerner og andre varme elementer. Jeg nævnte, at jo mere blår lyset var, desto varmere var det. Jeg fik så det gode spørgsmål om hvorfor flammen fra en lighter er varmere i den gule det af flammen.

Jeg har ikke ummiddelbart kunne fremskaffe gode svar fra dem jeg spurgte, men fik denne spørgeservice - så nu sender jeg så spørgsmålet videre til Spørg om Fysik.

Venlig hilsen
J R

Når man taler om flammer, er der to forskellige måder de frembringes på. Den ene er f.eks. en stearinlysflamme. Her bringes en brændbar gas, i stearinlyset er det fordampet stearin (eller paraffin og andre) , op over der sit flammepunkt.

Den nødvendige ilt kommer så til forbrændingsområdet ved diffusion ind igennem flammen (altså at ilten trænger ind igennem overfladen indtil den indgår i forbrændingen) eller konvektion dvs. blanding ved, at den varme luft stiger op og trækker luft ind fra siderne, som blandes med den brændbare gas eventuelt ved hvirveldannelse.

Den anden proces har man f.eks. i et gaskomfur eller en bunsenbrænder (de brændere som anvendes f.eks. i kemi). Den blev konstrueret af Robert W.E.Bunsen (1811 - 1899) i 1855 til spektralanalyse (stoffer opvarmes, der laves et spektrum af den lysende flamme f.eks. med en prisme, og de indgående stoffers "fingeraftryk" i form af  spektrallinjer kan ses). Her strømmer en gas ud af en snæver dyse.

Man kan aerodynamisk vise, at når en luftmængde strømmer ud af en dyse, er der lavt tryk lige efter dysen. Det betyder, at man kan så trukket luft ind til gassen, så der er en luft-gasblanding, som går videre op i røret. Den når så frem til enden af røret i brænderen, hvor den antændes. Det betyder, at der kun er lidt behov for mere tilførsel af luft til flammen. De gasser vi brænder f.eks. metan og brint eller for flaskegas propan og butan er alle eksplosive blandet med luft. Så længe hastigheden gas-luftblandingen er større end den hastighed eksplosionen breder sig med, bliver flammen stabil. Bliver hastigheden for lav slår flammen tilbage og ender nede ved dysen, som en "stearinlysagtig" flamme med lufttilførsel som stearinlysflammen.

Det der sker i bunsenflammen og andre tilsvarende brændere (teclubrænderen, mekerbrænderen) og i et almindeligt gasapparat, er at hvis luftmængden indstilles passende bliver flammen næsten usynligt. I den indre kegleformige del af flammen bliver temperaturen omkring 500 ⁰C. Her sker i det væsentlige en pyrolyse af f.eks. metan eller den gas der anvendes.

Den svage blågrønne farve er båndspektre af CH og C2. I et tyndt lag imellem den indre flamme og den ydre flamme, som man kalder flammefronten, omdannes disse radikaler til CO, CO2 og H2O. I resten af flammen forbrændes H2 og CO til slutprodukterne, som er CO2 og H2O dvs. kuldioxid og vand. I denne del af flammen kan spekteret af CO ses.

Temperaturen i den ydre flamme er 1200 - 1700 ⁰C afhængigt af gasblandingen, hvis lufttilførselen er optimeret. Laver man eksperimenter og måler på gasflammer kan DONG oplyse blandingens sammensætning på et givet tidspunkt, tilsvarende med flaskegas kan leverandøren oplyse sammensætningen når datoen for fyldningen kendes. De to viste bunsenflammer er den højre med optimal luftmængde og den venstre med lidt mindre luft (fra nettet).

De flammetemperaturer der kan nås med en brænder og luft er omtrent: Methan, Propan og Butan 1900 - 2000 ⁰C, Acetylen 2500 - 2600 ⁰C, Hydrogen 2000 - 2100  ⁰C med ilt 500 - 800 ⁰C mere. Den varmeste flamme jeg kender er flammen fra Dicyanoacetylem (C4N2) i ilt 4900 - 5000 ⁰C.

For stearinlysets vedkommende eller de flammer, man ser i en brændeovn, som er gasser der opstår ved nedbrydning af det anvendte træ, er processerne stort set de samme. De gasformige forbrændingsprodukter opvarmes stærkt så de lyser.

Det der især kan få flammen til at lyse, er faste partikler f.eks. kul (som så senere forbrænder eller soder omgivelserne). I den inderste kerne af flammen er temperaturen ca. 500 - 1000 ⁰C, de frie radikaler som frembringes ved pyrolysen er her f.eks. OH, CH, C2 og HCO. Der frembringes i flammen også kulstof (grafit/sod), som altså er i væsentlig grad medvirkende til at gøre flammen lysende.

Den yderste del af flammen, som er i kontakt med luften og dermed med ilt, er sløret. Her i sløret er stearinflammen varmest afhængig af sammensætning mm. omkring 1200 - 1400 ⁰C. På billedet (fra C. Christiansen, P la Cour og K Prytz: Hverdagsfysik 1898) er området mærket 1 fordampet stearin, 2 er området med kulpartikler og 3 er sløret, hvor den endelige forbrænding sker.  Om spektre se også i fysiksvar: farver og Newtons forsøg, Før elektriciteten anvendte man stearinlys, og hvor der var gas, lysgas. Det bragtes til at lyse enten ved at underforsyne det med luft, så flammen blev lysende (og sodede), ved yderligere at brede den ud så den bliver flad med en stor overflade (fiskehalebrænder) kunne man få mere lys ud af flammen ellers også med gasglødenet og tilsvarende, se nedenfor.

Vil man have meget lys ud af en flamme, gøres dette bedst ved at opvarme faste genstande, så de gløder og dermed lyser (en kraftigt komprimeret gas lyser dog også kraftigt kontinuert), de giver så normalt et kontinuert spektrum, som i øvrigt kan anvendes til at finde temperaturen med ud fra Plancks strålingslov. Det kan gøres f.eks. ved anvendelse af glødenet, som er bomuld imprægneret med oxider af f.eks. cerium, thorium mm. Når flammen tændes første gang brændes nettet af og tilbage står et skelet af oxider, som man så opvarmer til hvidglødhede og anvender som lyskilde, de såkaldte stærklyslamper. Disse lamper kan opvarmes med petroleum, benzin eller gas. 

I gamle dage brugte man til cykler, damptog, fyrtårne og biler acetylenlygter. De bestod af en lukket beholder med calciumkarbid og vand, der dannes så acetylen. Denne flamme er meget varm, men ikke lysende hvis der tilføres luft. I flammen anbragtes et stykke kalk, som så bliver hvidglødende og lyser kraftigt. I stedet for kalk kan bruges en lille Zircon, som er mere holdbar. Billedet herover er en cykellygte fra omkring 1900 (US patent).

Med venlig hilsen
Malte Olsen