4.1 Lemn
Istoria arderii lemnului
Lemnul a fost folosit ca sursă de energie de mii de ani (prima utilizare cunoscută a focului a fost determinată atunci când arheologii au făcut descoperiri de oameni care trăiau acum 400.000 de ani), iar lemnul a fost sursa evidentă pentru a face foc. În America, în 1637, locuitorii din Boston sufereau din cauza lipsei de lemn. Aceasta a devenit prima criză energetică a Americii după mai puțin de un secol de la colonizare. La sfârșitul anilor 1700, Benjamin Franklin a inventat o sobă din fontă pentru uz interior. Aceasta păstra căldura în încăpere după ce focul se stingea. Cu toate acestea, avea un defect de proiectare prin faptul că nu avea cum să tragă aer, astfel că focul se stingea rapid. Așa că David R. Rittenhouse a adăugat un coș de fum și o țeavă de eșapament pentru a o îmbunătăți.
Combustirea lemnului
În primul rând, ne vom uita unde este stocată energia în materiale, începând cu molecula de metan. Arderea metanului este exotermă (eliberează căldură pe măsură ce reacția avansează), dar reacția trebuie să fie inițiată înainte de a se menține cu disponibilitatea continuă a metanului și a oxigenului. Formula de mai jos prezintă reacția în format stoichiometric:
CH 4 +4 O 2 → CO 2 + H 2 O (plus căldură!) Această ecuație nu se afișează corect din cauza unui browser incompatibil. Consultați Cerințele tehnice din orientare pentru o listă de browsere compatibile.
Figura 4.1 prezintă aceiași reactanți și produși, dar cu legăturile înainte de reacție și după reacție, la nivel molecular/atomic. Numărul de atomi din fiecare moleculă nu se schimbă, dar modul în care aceștia sunt aranjați și conectați da. Singura schimbare reală este modul în care sunt legați atomii – acestea sunt legăturile chimice. Din moment ce dintr-un sistem de ardere iese ENERGIE, atunci trebuie să însemne că mai multă energie este stocată în 4 legături C-H și 2 legături O-O decât în 4 legături H-O și două legături C-O. ENERGIA eliberată în timpul combustiei chimice provine din ENERGIA stocată în legăturile chimice ale combustibilului & oxigenului.
Reactanți: Metanul va reacționa cu două molecule de oxigen. Toți cei patru hidrogeni din metan sunt legați de un singur atom de carbon prin 4 legături simple. Moleculele de oxigen sunt fiecare câte doi atomi de oxigen conectați printr-o legătură dublă.
În timpul combustiei, atomii se rearanjează și formează noi legături.
Produse: Atomul de carbon se conectează la 2 atomi de oxigen cu o legătură dublă între carbon și fiecare oxigen pentru a produce o moleculă de dioxid de carbon. În plus, fiecare dintre ceilalți atomi de oxigen rămași formează 2 legături simple cu 2 dintre atomii de hidrogen rămași pentru a forma o moleculă de apă. Produsele nete ale reacției sunt 1 moleculă de CO2 și 2 molecule de H2O.
Cunoaștem acum chimia reacției de combustie a metanului, dar lemnul este un material mult mai complex decât metanul. Lemnul conține până la 50% apă. Apa din lemn va reduce puterea calorifică a lemnului, iar dacă lemnul este foarte umed, va duce la un foc afumat. Principalele componente ale lemnului (vom aborda acest aspect mai în profunzime într-o lecție ulterioară) sunt celuloza (din care este fabricată hârtia) și lignina (partea copacului care îl face să aibă o structură robustă). Pentru a aprinde un foc, în mod obișnuit trebuie să aprindeți un material care arde ușor pentru a începe să încălziți lemnul (acesta poate fi un ziar sau un „inițiator de foc”). Componentele încep să se descompună din cauza căldurii (prin urmare, din punct de vedere tehnic nu „ardem” încă), ceea ce produce vapori și carbonizare. Vaporii se numesc „substanțe volatile”, iar carbonizarea este compusă din carbon și cenușă. Volatilele sunt cele care încep de fapt să ardă, producând o flacără. Carbonul bogat în carbon produce cărbuni incandescenți sau „cărbuni”, care sunt necesari pentru a întreține focul. De obicei, lemnul nu conține sulf, astfel încât nu se produc oxizi de sulf (sau SOx).
Pot exista probleme cu arderea lemnului. Fumul provine de la particulele care nu au ars sau au ars doar parțial, care pot polua atmosfera, și care provin de obicei din rășinile din copaci. Nu este o problemă atunci când una sau două persoane ard lemne, ci atunci când mii de oameni ard lemne în șeminee. În State College, Pennsylvania, iarna, se poate vedea în aer fumul de la șeminee. Focurile de lemne din șeminee pot depune, de asemenea, funingine și creozot în coșurile de fum, care, dacă nu sunt curățate periodic, se pot aprinde. Arderea lemnului (sau, de fapt, a majorității lucrurilor) va produce un material cenușă (minerale din lemn și cărbune care reacționează cu aerul în condiții de ardere); cenușa trebuie eliminată. Fumul de lemn conține, de asemenea, o varietate de substanțe chimice care pot fi cancerigene.
.