4.1 Drewno
Historia spalania drewna
Drewno było używane jako źródło energii przez tysiące lat (pierwsze znane użycie ognia zostało określone, gdy archeolodzy dokonali odkryć ludzi żyjących 400,000 lat temu), a drewno było oczywistym źródłem do wytwarzania ognia. W obu Amerykach, w 1637 roku, mieszkańcy Bostonu cierpieli z powodu niedoboru drewna. Stało się to pierwszym kryzysem energetycznym w Ameryce po mniej niż jednym wieku od osiedlenia. Pod koniec 1700 roku Benjamin Franklin wynalazł żeliwny piec do użytku wewnętrznego. Utrzymywał on ciepło w pomieszczeniu po wypaleniu się ognia. Miał on jednak wadę konstrukcyjną polegającą na tym, że nie miał możliwości doprowadzenia powietrza, więc ogień szybko gasł. Więc David R. Rittenhouse dodał komin i rurę wydechową, aby poprawić na nim.
Spalanie drewna
Po pierwsze, będziemy patrzeć na to, gdzie energia jest przechowywana w materiałach, począwszy od cząsteczki metanu. Spalanie metanu jest egzotermiczne (uwalnia ciepło w trakcie reakcji), ale reakcja musi zostać zapoczątkowana, zanim będzie się utrzymywać przy ciągłej dostępności metanu i tlenu. Poniższy wzór przedstawia reakcję w formacie stechiometrycznym:
CH 4 +4 O 2 → CO 2 + H 2 O (plus ciepło!) To równanie nie jest wyświetlane poprawnie z powodu niekompatybilnej przeglądarki. Zobacz Wymagania techniczne w Orientacji, aby uzyskać listę kompatybilnych przeglądarek.
Rysunek 4.1 przedstawia te same reagenty i produkty, ale z wiązaniami przed reakcją i po reakcji, na poziomie molekularnym/atomowym. Liczba atomów w każdej cząsteczce nie zmienia się, ale to, jak są one ułożone i połączone, już tak. Jedyną prawdziwą zmianą jest sposób, w jaki atomy są połączone – są to wiązania chemiczne. Skoro z płonącego układu wydobywa się ENERGIA, to musi to oznaczać, że więcej energii jest zmagazynowane w 4 wiązaniach C-H i 2 wiązaniach O-O niż w 4 wiązaniach H-O i dwóch C-O. ENERGIA uwalniana podczas spalania chemicznego pochodzi z ENERGII zmagazynowanej w wiązaniach chemicznych paliwa & tlenu.
Reagenty: Metan będzie reagował z dwiema cząsteczkami tlenu. Wszystkie cztery hydrogeny w metanie są połączone z pojedynczym atomem węgla za pomocą 4 wiązań pojedynczych. Cząsteczki tlenu to każde dwa atomy tlenu połączone wiązaniem podwójnym.
Podczas spalania atomy zmieniają układ i tworzą nowe wiązania.
Produkty: Atom węgla łączy się z 2 atomami tlenu z podwójnym wiązaniem pomiędzy węglem i każdym tlenem, aby wytworzyć jedną cząsteczkę dwutlenku węgla. Dodatkowo, każdy z pozostałych atomów tlenu tworzy 2 wiązania pojedyncze z 2 pozostałymi atomami wodoru, tworząc cząsteczkę wody. Produktami netto reakcji są 1 cząsteczka CO2 i 2 cząsteczki H2O.
Znamy teraz chemię reakcji spalania metanu, ale drewno jest znacznie bardziej złożonym materiałem niż metan. Drewno zawiera do 50% wody. Woda w drewnie obniża jego wartość opałową, a jeśli drewno jest bardzo wilgotne, prowadzi do dymienia ognia. Głównymi składnikami drewna (omówimy to dokładniej w późniejszej lekcji) są celuloza (z której zrobiony jest papier) i lignina (część drzewa, która sprawia, że ma ono mocną strukturę). Aby wzniecić ogień, zwykle trzeba zapalić materiał, który łatwo się pali, aby rozpocząć ogrzewanie drewna (może to być gazeta lub „podpałka”). Komponenty zaczynają się rozkładać pod wpływem ciepła (dlatego technicznie nie mamy jeszcze do czynienia ze „spalaniem”), co powoduje powstawanie oparów i węgla drzewnego. Opary nazywane są „lotnymi substancjami”, a węgiel drzewny składa się z węgla i popiołu. To właśnie substancje lotne zaczynają się palić, tworząc płomień. Bogaty w węgiel węgiel drzewny wytwarza żarzący się żar lub „węgielki”, które są potrzebne do podtrzymania ognia. Drewno zazwyczaj nie zawiera siarki, więc nie ma tlenków siarki (lub SOx) są produkowane.
Mogą być problemy z paleniem drewna. Dym pochodzi z cząstek stałych, które nie zostały spalone lub tylko częściowo spalone, które mogą zanieczyścić atmosferę i zazwyczaj pochodzą z żywic w drzewach. Nie jest to problem, gdy jedna lub dwie osoby palą drewnem, ale gdy tysiące ludzi pali drewnem w kominkach. W State College, Pennsylvania, w zimie, można zobaczyć dym w powietrzu z kominków. Pożary drewna w kominkach mogą również osadzać się sadza i kreozot w kominach, które, jeśli nie są czyszczone okresowo, mogą się zapalić. Podczas spalania drewna (a właściwie większości rzeczy) powstaje popiół (minerały zawarte w drewnie i węglu, które reagują z powietrzem w warunkach spalania); popiół musi zostać usunięty. Dym drzewny zawiera również różne substancje chemiczne, które mogą być rakotwórcze.
.