火のしくみ

一般に、火は大気中の酸素と何らかの燃料(木材やガソリンなど)との化学反応から発生します。 もちろん、木やガソリンは酸素に囲まれているからといって、自然に火がつくわけではありません。

典型的な薪ストーブの火の流れを説明します。

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何かが薪を非常に高い温度まで熱します。 熱は、マッチ、集束した光、摩擦、雷、すでに燃えている何かなど、さまざまなものから来ることができます。

木材が華氏 300 度 (摂氏 150 度) に達すると、熱により木材を構成するセルロース材料の一部が分解されます。

分解された物質の一部は、揮発性ガスとして放出されます。 これが「煙」である。 煙は、水素、炭素、酸素の化合物である。 残りの材料は、ほぼ純粋な炭素である炭と、木材中の燃えないミネラル(カルシウム、カリウムなど)のすべてである灰を形成します。 木炭を買うと、この炭が手に入る。 炭は、薪を加熱して揮発性ガスをほぼすべて除去し、炭素を残したものである。 だから、炭火は煙が出ずに燃えるのです。

そして、実際の木材の燃焼は、2つの別々の反応によって起こります。

  • 揮発性ガスが十分に熱いとき(約 500 度 F(木の場合は 260 度 C)です)。 化合物の分子がバラバラになり、原子が酸素と再結合して、水や二酸化炭素などの生成物ができます。
  • 炭の中の炭素も同様に酸素と結合しますが、これはよりゆっくりとした反応です。
  • 炭の中の炭素も酸素と結合しますが、これはもっと遅い反応です。だからBBQの炭は長い間熱く保つことができるのです。 火の中の化学反応が多くの新しい熱を発生させるという事実が、火を持続させているのです。 多くの燃料は一度に燃えます。 ガソリンはその好例だ。 熱でガソリンが気化し、すべて揮発性のガスとして燃える。 炭になることはない。 人類は、燃料を計量して火をコントロールする方法も学んできた。

    ロウソクは、ロウをゆっくりと気化させて燃やす道具です。

    熱すると、上昇する炭素原子(および他の物質の原子)は光を発します。 この「熱が光を生む」効果を「白熱」といい、電球の光を生むのと同じようなものです。 目に見える炎ができるのは、このためです。 炎の色は、燃やすものやその温度によって変化します。 炎の中の色の変化は、温度ムラによって起こります。

    発光するだけでなく、上昇した炭素の粒子が煤として周囲の表面に付着することもあります。

Fire forms a sphere in microgravity.
Fire forms a sphere in microgravity.
Photo courtesy NASA

火の化学反応について危険なことは、それが自己増殖する事実であることだ。 炎の熱そのものが燃料を発火温度に保つので、周りに燃料と酸素がある限り燃え続けます。 炎は周囲の燃料を加熱するので、ガスも放出する。

地球上では、炎がどのように燃えるかは重力によって決まります。

地球上では、重力が炎の燃え方を決定します。炎の中の高温のガスは、周囲の空気よりはるかに高温(かつ低密度)なので、低圧に向かって上向きに移動します。 このため、火は一般に上方に広がり、炎が常に上部に「尖って」いるのもこのためです。 もし、スペースシャトルのような微小重力環境で火をつけたら、球状になるでしょうね!

そして、その球状になった炎を、さらに大きくしていくのです。