4.1 Dřevo
Historie spalování dřeva
Dřevo se jako zdroj energie používá již tisíce let (první známé použití ohně bylo zjištěno při objevech lidí žijících před 400 000 lety archeology) a dřevo bylo zřejmým zdrojem pro rozdělávání ohně. V Americe v roce 1637 trpěli obyvatelé Bostonu nedostatkem dřeva. Stala se z toho první energetická krize v Americe po necelém století osídlení. Koncem 17. století vynalezl Benjamin Franklin litinová kamna pro vnitřní použití. Udržovala teplo v místnosti i po vyhoření ohně. Měla však konstrukční chybu v tom, že neměla možnost nasávat vzduch, takže požáry rychle uhasínaly. David R. Rittenhouse proto přidal komín a výfukové potrubí, aby jej vylepšil.
Spalování dřeva
Nejprve se podíváme na to, kde je v materiálech uložena energie, a začneme molekulou metanu. Spalování metanu je exotermické (při reakci se uvolňuje teplo), ale reakce musí být zahájena, než se udrží za stálé dostupnosti metanu a kyslíku. Níže uvedený vzorec ukazuje reakci ve stechiometrickém formátu:
CH 4 +4 O 2 → CO 2 + H 2 O (plus teplo!) Tato rovnice se nezobrazuje správně kvůli nekompatibilnímu prohlížeči. Seznam kompatibilních prohlížečů naleznete v části Technické požadavky v Orientaci.
Obrázek 4.1 ukazuje stejné reaktanty a produkty, ale s vazbami před reakcí a po reakci, na molekulární/atomární úrovni. Počet atomů v každé molekule se nemění, ale způsob jejich uspořádání a spojení ano. Jedinou skutečnou změnou je způsob, jakým jsou atomy propojeny – jedná se o chemické vazby. Vzhledem k tomu, že ENERGIE vychází z hořícího systému, pak to musí znamenat, že více energie je uloženo ve 4 vazbách C-H a 2 vazbách O-O než ve 4 vazbách H-O a dvou vazbách C-O. ENERGIE uvolněná při chemickém spalování pochází z ENERGIE uložené v chemických vazbách paliva & kyslíku.
Reaktanty: Metan bude reagovat se dvěma molekulami kyslíku. Všechny čtyři vodíky v methanu jsou spojeny s jedním atomem uhlíku 4 jednoduchými vazbami. Molekuly kyslíku jsou vždy dva atomy kyslíku spojené dvojnou vazbou.
Při hoření se atomy přeskupí a vytvoří nové vazby.
Produkty: Atom uhlíku se spojí se dvěma atomy kyslíku dvojnou vazbou mezi uhlíkem a každým kyslíkem a vznikne jedna molekula oxidu uhličitého. Navíc každý ze zbývajících atomů kyslíku vytvoří 2 jednoduché vazby se 2 zbývajícími atomy vodíku a vznikne molekula vody. Čistými produkty reakce jsou 1 molekula CO2 a 2 molekuly H2O.
Dnes známe reakční chemii spalování metanu, ale dřevo je mnohem složitější materiál než metan. Dřevo obsahuje až 50 % vody. Voda ve dřevě snižuje výhřevnost dřeva, a pokud je dřevo velmi vlhké, vede to k zakouření ohně. Hlavními složkami dřeva (podrobněji se jimi budeme zabývat v některé z dalších lekcí) jsou celulóza (z níž se vyrábí papír) a lignin (část dřeva, díky níž má pevnou strukturu). Abyste mohli založit oheň, musíte obvykle zapálit materiál, který snadno hoří, aby se dřevo začalo zahřívat (mohou to být noviny nebo „podpalovač“). Složky se začnou teplem rozkládat (technicky vzato tedy ještě „nehoříme“), čímž vznikají výpary a uhel. Výpary se nazývají „těkavé látky“ a uhel se skládá z uhlíku a popela. Těkavé látky jsou to, co skutečně začíná hořet a vytváří plamen. Uhlíky bohaté na uhlík vytvářejí žhavé uhlíky, které jsou potřebné k udržení ohně. Dřevo obvykle neobsahuje síru, takže nevznikají žádné oxidy síry (neboli SOx).
Při spalování dřeva mohou nastat problémy. Kouř pochází z částic, které neshořely nebo shořely jen částečně a které mohou znečišťovat ovzduší, a obvykle pochází z pryskyřic ve stromech. Není to problém, když dřevo spaluje jeden nebo dva lidé, ale když dřevo v krbech spalují tisíce lidí. Ve State College v Pensylvánii je v zimě vidět v ovzduší kouř z krbů. Při spalování dřeva v krbech se také mohou v komínech usazovat saze a kreozot, které, pokud nejsou pravidelně čištěny, mohou vzplanout. Při spalování dřeva (nebo vlastně většiny věcí) vzniká popel (minerální látky obsažené ve dřevě a uhlí, které za podmínek hoření reagují se vzduchem); popel se musí likvidovat. Kouř ze dřeva také obsahuje řadu chemických látek, které mohou být karcinogenní.
.