4.1 Fa
A faégetés története
A fát évezredek óta használják energiaforrásként (a tűz első ismert használatát akkor állapították meg, amikor a régészek felfedezték a 400 000 évvel ezelőtt élő embereket), és a fa volt a nyilvánvaló forrás a tűz előállításához. Amerikában 1637-ben a bostoniak a fa hiányától szenvedtek. Ez lett Amerika első energiaválsága, kevesebb mint egy évszázadnyi letelepedés után. Az 1700-as évek végén Benjamin Franklin feltalált egy öntöttvas kályhát beltéri használatra. Ez megtartotta a hőt a helyiségben, miután a tűz kiégett. Tervezési hibája azonban az volt, hogy nem tudott levegőt beszívni, így a tűz gyorsan kialudt. Ezért David R. Rittenhouse kéményt és kipufogócsövet épített hozzá, hogy továbbfejlessze.
Fa elégetése
Először is megnézzük, hol tárolódik az energia az anyagokban, kezdve a metánmolekulával. A metán égése exoterm (a reakció előrehaladtával hőt szabadít fel), de a reakciót be kell indítani, mielőtt a metán és az oxigén folyamatos rendelkezésre állásával fennmaradna. Az alábbi képlet sztöchiometrikus formában mutatja a reakciót:
CH 4 +4 O 2 → CO 2 + H 2 O (plusz hő!) Ez az egyenlet nem jelenik meg megfelelően egy nem kompatibilis böngésző miatt. A kompatibilis böngészők listáját lásd a Tájékozódási útmutatóban a Műszaki követelményeknél.
A 4.1. ábra ugyanazokat a reaktánsokat és termékeket mutatja, de a reakció előtti és utáni kötésekkel, molekuláris/atomos szinten. Az egyes molekulákban lévő atomok száma nem változik, de az igen, ahogyan elrendeződnek és kapcsolódnak. Az egyetlen valódi változás az atomok kapcsolódási módja – ezek a kémiai kötések. Mivel egy égő rendszerből ENERGIA jön ki, akkor ez azt kell, hogy jelentse, hogy 4 C-H kötésben és 2 O-O kötésben több energia tárolódik, mint 4 H-O és két C-O kötésben. A kémiai égés során felszabaduló ENERGIA a tüzelőanyag & oxigén kémiai kötéseiben tárolt ENERGIÁBÓL származik.
Reaktánsok: A metán két oxigénmolekulával lép reakcióba. A metán mind a négy hidrogénje 4 egyszerű kötéssel kapcsolódik egyetlen szénatomhoz. Az oxigénmolekulák mindegyike két oxigénatom, amelyek kettős kötéssel kapcsolódnak egymáshoz.
Az égés során az atomok átrendeződnek és új kötéseket képeznek.
Termékek: A szénatom 2 oxigénatomhoz kapcsolódik, a szén és az egyes oxigének között kettős kötéssel, így egy szén-dioxid molekula keletkezik. Emellett a többi megmaradt oxigénatom mindegyike 2 egyszerű kötést képez a megmaradt 2 hidrogénatomhoz, így egy vízmolekula keletkezik. A reakció nettó termékei 1 CO2-molekula és 2H2O-molekula.
Most már ismerjük a metán elégetésének reakciókémiáját, de a fa sokkal összetettebb anyag, mint a metán. A fa akár 50%-ban vizet is tartalmaz. A fában lévő víz csökkenti a fa fűtőértékét, és ha a fa nagyon nedves, akkor füstös tüzet eredményez. A fa fő összetevői (ezt egy későbbi leckében részletesebben is tárgyaljuk) a cellulóz (ebből készül a papír) és a lignin (a fa azon része, amely a fa szilárd szerkezetét adja). Ahhoz, hogy tüzet gyújtsunk, általában egy könnyen égő anyagot kell meggyújtanunk, hogy elkezdjük melegíteni a fát (ez lehet újságpapír vagy “tűzgyújtó”). Az összetevők a hőtől bomlásnak indulnak (ezért technikailag még nem “égünk”), ami gőzöket és szenesedést eredményez. A gőzöket “illékony anyagoknak” nevezzük, a szén pedig szénből és hamuból áll. Az illékony anyagok azok, amelyek ténylegesen égni kezdenek, és lángot hoznak létre. A szénben gazdag szén izzó parazsat vagy “parazsat” termel, amely a tűz fenntartásához szükséges. A fa jellemzően nem tartalmaz ként, így nem keletkeznek kén-oxidok (vagy SOx).
A fa elégetése problémákat okozhat. A füst a nem vagy csak részben elégett részecskékből származik, amelyek szennyezhetik a légkört, és jellemzően a fákban lévő gyantákból származnak. Ez nem akkor probléma, ha egy-két ember éget fát, hanem akkor, ha több ezer ember éget fát a kandallókban. A pennsylvaniai State College-ban télen a kandallókból származó füstöt lehet látni a levegőben. A kandallókban égő fa korom és kreozot is lerakódhat a kéményekben, ami ha nem tisztítják rendszeresen, meggyulladhat. A fa (vagy valójában a legtöbb dolog) elégetésekor hamu keletkezik (a fában és a szénben lévő ásványi anyagok, amelyek égési körülmények között reakcióba lépnek a levegővel); a hamut el kell távolítani. A fafüst számos olyan vegyi anyagot is tartalmaz, amelyek rákkeltőek lehetnek.