4.1 Legno
Storia della combustione del legno
Il legno è stato usato come fonte di energia per migliaia di anni (il primo uso conosciuto del fuoco fu determinato quando gli archeologi fecero scoperte di esseri umani che vivevano 400.000 anni fa), e il legno era la fonte ovvia per fare fuoco. Nelle Americhe, nel 1637, gli abitanti di Boston soffrirono per la scarsità di legna. Divenne la prima crisi energetica dell’America dopo meno di un secolo di insediamento. Alla fine del 1700, Benjamin Franklin inventò una stufa in ghisa per uso interno. Essa manteneva il calore nella stanza dopo che il fuoco si era spento. Tuttavia, aveva un difetto di progettazione: non aveva modo di far entrare l’aria, quindi il fuoco si spegneva rapidamente. Così David R. Rittenhouse aggiunse un camino e un tubo di scarico per migliorarlo.
Combustione della legna
Primo, vedremo dove viene immagazzinata l’energia nei materiali, iniziando dalla molecola del metano. La combustione del metano è esotermica (rilascia calore man mano che la reazione procede), ma la reazione deve essere avviata prima di sostenersi con la continua disponibilità di metano e ossigeno. La formula sottostante mostra la reazione in formato stechiometrico:
CH 4 +4 O 2 → CO 2 + H 2 O (più calore!) Questa equazione non viene visualizzata correttamente a causa di un browser incompatibile. Vedi i requisiti tecnici nell’Orientamento per una lista di browser compatibili.
La figura 4.1 mostra gli stessi reagenti e prodotti, ma con i legami prima della reazione e dopo la reazione, a livello molecolare/atomico. Il numero di atomi in ogni molecola non cambia, ma come sono disposti e collegati sì. L’unico vero cambiamento è come gli atomi sono collegati – questi sono i legami chimici. Poiché l’ENERGIA esce da un sistema che brucia, allora deve significare che c’è più energia in 4 legami C-H e 2 legami O-O che in 4 legami H-O e due C-O. L’ENERGIA rilasciata durante la combustione chimica proviene dall’ENERGIA immagazzinata nei legami chimici del combustibile & ossigeno.
Reagenti: Il metano reagisce con due molecole di ossigeno. Tutti i quattro idrogeni nel metano sono collegati ad un singolo atomo di carbonio da 4 legami singoli. Le molecole di ossigeno sono ciascuna due atomi di ossigeno collegati da un doppio legame.
Durante la combustione, gli atomi si riorganizzano e formano nuovi legami.
Prodotti: L’atomo di carbonio si collega a 2 atomi di ossigeno con un doppio legame tra il carbonio e ogni ossigeno per produrre una molecola di anidride carbonica. Inoltre, ciascuno degli altri atomi di ossigeno rimanenti forma 2 legami singoli con 2 degli atomi di idrogeno rimanenti per formare una molecola di acqua. I prodotti netti della reazione sono 1 molecola di CO2 e 2 molecole di H2O.
Ora conosciamo la reazione chimica della combustione del metano, ma il legno è un materiale molto più complesso del metano. Il legno contiene fino al 50% di acqua. L’acqua nel legno ridurrà il potere calorifico del legno, e se il legno è molto umido, porterà ad un fuoco fumoso. I componenti principali del legno (ne parleremo più approfonditamente in una lezione successiva) sono la cellulosa (di cui è fatta la carta) e la lignina (la parte di un albero che gli conferisce una struttura robusta). Per accendere un fuoco, di solito si deve accendere un materiale che brucia facilmente per iniziare a riscaldare il legno (questo può essere un giornale o un “fire starter”). I componenti cominciano a decomporsi per il calore (quindi non stiamo ancora tecnicamente “bruciando”), il che produce vapori e carbone. I vapori sono chiamati “volatili” e il carbone è composto da carbonio e cenere. I volatili sono ciò che effettivamente comincia a bruciare, producendo una fiamma. Il carbone ricco di carbonio produce braci incandescenti o “carboni”, che sono necessari per mantenere il fuoco sostenuto. Il legno non contiene tipicamente zolfo, quindi non vengono prodotti ossidi di zolfo (o SOx).
Ci possono essere problemi con la combustione del legno. Il fumo proviene dal particolato non bruciato o bruciato solo parzialmente che può inquinare l’atmosfera, e tipicamente proviene dalle resine degli alberi. Non è un problema quando una o due persone bruciano la legna, ma quando migliaia di persone bruciano la legna nei caminetti. A State College, Pennsylvania, in inverno, si può vedere il fumo nell’aria dai caminetti. I fuochi di legna nei camini possono anche depositare fuliggine e creosoto nei camini, che se non vengono puliti periodicamente, possono incendiarsi. Bruciando la legna (o la maggior parte delle cose) si produce un materiale di cenere (minerali nel legno e nel carbone che reagiscono con l’aria in condizioni di combustione); la cenere deve essere smaltita. Il fumo di legna contiene anche una varietà di sostanze chimiche che possono essere cancerogene.