4.1 Trä
Historia om vedeldning
Trä har använts som energikälla i tusentals år (den första kända användningen av eld fastställdes när arkeologer upptäckte människor som levde för 400 000 år sedan), och trä var den självklara källan för att göra eld. I Amerika, år 1637, led invånarna i Boston av bristen på ved. Det blev Amerikas första energikris efter mindre än ett sekel av bosättning. I slutet av 1700-talet uppfann Benjamin Franklin en gjutjärnskamin för inomhusbruk. Den höll värmen i rummet efter att elden brunnit ut. Den hade dock en konstruktionsbrist i och med att den inte hade något sätt att dra in luft, så bränderna slocknade snabbt. Så David R. Rittenhouse lade till en skorsten och ett avgasrör för att förbättra den.
Bränning av ved
Först ska vi titta på var energi lagras i material, med början i metanmolekylen. Förbränningen av metan är exotermisk (avger värme när reaktionen fortskrider), men reaktionen måste inledas innan den upprätthålls med fortsatt tillgång till metan och syre. Formeln nedan visar reaktionen i stökiometriskt format:
CH 4 +4 O 2 → CO 2 + H 2 O (plus värme!) Den här ekvationen visas inte korrekt på grund av en inkompatibel webbläsare. Se Tekniska krav i orienteringen för en lista över kompatibla webbläsare.
Figur 4.1 visar samma reaktanter och produkter, men med bindningarna före reaktionen och efter reaktionen, på molekylär/atomär nivå. Antalet atomer i varje molekyl förändras inte, men hur de är arrangerade och sammankopplade gör det. Den enda verkliga förändringen är hur atomerna är sammankopplade – det är de kemiska bindningarna. Eftersom ENERGI kommer ut ur ett brinnande system måste det betyda att mer energi lagras i 4 C-H-bindningar och 2 O-O-bindningar än i 4 H-O- och två C-O-bindningar. Den ENERGI som frigörs vid kemisk förbränning kommer från ENERGI som lagrats i kemiska bindningar av bränsle & syre.
Reaktanter: Metan kommer att reagera med två syremolekyler. Alla de fyra väteämnena i metan är förbundna med en enda kolatom genom 4 enkelbindningar. Syremolekylerna är vardera två syreatomer som är förbundna med en dubbelbindning.
Under förbränningen ordnar atomerna om sig och bildar nya bindningar.
Produkter: Kolatomen kopplas till två syreatomer med en dubbelbindning mellan kolet och varje syreatom för att producera en koldioxidmolekyl. Dessutom bildar var och en av de andra återstående syreatomerna 2 enkelbindningar till 2 av de återstående väteatomerna för att bilda en vattenmolekyl. Nettoprodukterna av reaktionen är 1 CO2-molekyl och 2H2O-molekyler.
Vi känner nu till reaktionskemin för metanförbränning, men trä är ett mycket mer komplext material än metan. Trä innehåller upp till 50 procent vatten. Vatten i veden minskar vedens värmevärde, och om veden är mycket våt leder det till en rökig eld. Träets viktigaste beståndsdelar (vi kommer att behandla detta mer ingående i en senare lektion) är cellulosa (det som papper tillverkas av) och lignin (den del av trädet som gör att det har en stabil struktur). För att starta en eld måste du vanligtvis antända ett material som brinner lätt för att börja värma upp träet (detta kan vara tidningspapper eller en ”eldstartare”). Komponenterna börjar sönderdelas av värmen (därför ”brinner” vi tekniskt sett inte ännu), vilket ger upphov till ångor och kol. Ångorna kallas ”flyktiga ämnen” och kolet består av kol och aska. Det är de flyktiga ämnena som faktiskt börjar brinna och ger upphov till en låga. Det kolrika kolet ger glödande glöd eller ”kol” som behövs för att hålla elden vid liv. Trä innehåller vanligtvis inte svavel, så inga svaveloxider (eller SOx) bildas.
Det kan finnas problem med vedeldning. Röken kommer från partiklar som inte brunnit eller bara delvis brunnit och som kan förorena atmosfären, och kommer vanligtvis från hartser i träden. Det är inget problem när en eller två personer eldar ved, men när tusentals människor eldar ved i eldstäder. I State College i Pennsylvania kan man på vintern se rök i luften från eldstäder. Vedeldning i eldstäder kan också avsätta sot och kreosot i skorstenarna, som om de inte rengörs med jämna mellanrum kan antändas. Vid förbränning av ved (eller egentligen det mesta) bildas aska (mineraler i ved och kol som reagerar med luft under förbränningsförhållanden) som måste bortskaffas. Trärök innehåller också en rad olika kemikalier som kan vara cancerframkallande.