Fuego

El fuego es la oxidación rápida de un material en el proceso químico exotérmico de combustión , liberando calor , luz y diversos productos de reacción . [1] [a] El fuego es caliente porque la conversión del doble enlace débil en oxígeno molecular, O 2 , en enlaces más fuertes en los productos de combustión dióxido de carbono y agua libera energía (418 kJ por 32 g de O 2 ); las energías de enlace del combustible juegan aquí sólo un papel menor. [2]En cierto punto de la reacción de combustión, llamado punto de ignición, se producen llamas. La llama es la parte visible del fuego. Las llamas consisten principalmente en dióxido de carbono, vapor de agua, oxígeno y nitrógeno. Si están lo suficientemente calientes, los gases pueden ionizarse para producir plasma . [3] Dependiendo de las sustancias encendidas y de las impurezas en el exterior, el color de la llama y la intensidad del fuego serán diferentes.

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La ignición y extinción de una pila de virutas de madera.
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Los mapas de incendios muestran mensualmente la ubicación de los incendios que arden activamente en todo el mundo, según las observaciones del espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS) del satélite Terra de la NASA . Los colores se basan en un recuento del número (no del tamaño) de los incendios observados dentro de un área de 1000 kilómetros cuadrados. Los píxeles blancos muestran el extremo superior del recuento: hasta 100 incendios en un área de 1000 kilómetros cuadrados por día. Los píxeles amarillos muestran hasta 10 incendios, el naranja muestra hasta cinco incendios y las áreas rojas solo un incendio por día.
Fuego de una barbacoa de Nochevieja .
Carbón quemándose.

El fuego en su forma más común puede resultar en conflagración , que tiene el potencial de causar daño físico a través de quemaduras . El fuego es un proceso importante que afecta los sistemas ecológicos de todo el mundo. Los efectos positivos del fuego incluyen estimular el crecimiento y mantener varios sistemas ecológicos. Sus efectos negativos incluyen peligro para la vida y la propiedad, contaminación atmosférica y contaminación del agua. [4] Si el fuego elimina la vegetación protectora , las fuertes lluvias pueden provocar un aumento de la erosión del suelo por el agua . [5] Además, cuando se quema la vegetación, el nitrógeno que contiene se libera a la atmósfera, a diferencia de elementos como el potasio y el fósforo que permanecen en las cenizas y se reciclan rápidamente en el suelo. Esta pérdida de nitrógeno provocada por un incendio produce una reducción a largo plazo de la fertilidad del suelo, pero esta fecundidad puede potencialmente recuperarse ya que el nitrógeno molecular de la atmósfera se " fija " y se convierte en amoniaco por fenómenos naturales como los rayos y la plantas leguminosas que "fijan nitrógeno" como el trébol , los guisantes y las judías verdes .

El fuego ha sido utilizado por los humanos en rituales , en la agricultura para limpiar la tierra, para cocinar, generar calor y luz, para señalización, propulsión, fundición , forja , incineración de desechos, cremación y como arma o modo de destrucción.

Química

El tetraedro de fuego

Los incendios comienzan cuando un material inflamable o combustible, en combinación con una cantidad suficiente de un oxidante , como gas oxígeno u otro compuesto rico en oxígeno (aunque existen oxidantes que no son oxígeno), se expone a una fuente de calor o temperatura ambiente por encima de la punto de inflamación de la mezcla de combustible / oxidante y es capaz de mantener una velocidad de oxidación rápida que produce una reacción en cadena . A esto se le llama comúnmente tetraedro de fuego . El fuego no puede existir sin todos estos elementos en su lugar y en las proporciones correctas. Por ejemplo, un líquido inflamable comenzará a arder solo si el combustible y el oxígeno están en las proporciones correctas. Algunas mezclas de combustible y oxígeno pueden requerir un catalizador , una sustancia que no se consume, cuando se agrega, en ninguna reacción química durante la combustión, pero que permite que los reactivos se quemen más fácilmente.

Una vez encendido, debe tener lugar una reacción en cadena mediante la cual los incendios pueden mantener su propio calor mediante la liberación adicional de energía térmica en el proceso de combustión y pueden propagarse, siempre que haya un suministro continuo de un oxidante y combustible.

Si el oxidante es oxígeno del aire circundante, la presencia de una fuerza de gravedad , o de alguna fuerza similar causada por la aceleración, es necesaria para producir convección , que elimina los productos de combustión y aporta oxígeno al fuego. Sin gravedad, un fuego se rodea rápidamente de sus propios productos de combustión y gases no oxidantes del aire, que excluyen el oxígeno y extinguen el fuego. Debido a esto, el riesgo de incendio en una nave espacial es pequeño cuando se desplaza en vuelo inercial. [6] [7] Esto no se aplica si se suministra oxígeno al fuego mediante algún proceso que no sea la convección térmica.

El fuego se puede extinguir eliminando cualquiera de los elementos del tetraedro de fuego. Considere una llama de gas natural, como la de un quemador de la estufa. El fuego puede extinguirse mediante cualquiera de los siguientes métodos:

  • apagar el suministro de gas, lo que elimina la fuente de combustible;
  • cubriendo la llama por completo, lo que sofoca la llama ya que la combustión usa el oxidante disponible (el oxígeno en el aire) y lo desplaza del área alrededor de la llama con CO 2 ;
  • aplicación de agua, que elimina el calor del fuego más rápido de lo que el fuego puede producirlo (de manera similar, soplar con fuerza sobre una llama desplazará el calor del gas que se quema actualmente de su fuente de combustible, hacia el mismo extremo), o
  • aplicación de un químico retardante como el halón a la llama, que retarda la reacción química en sí hasta que la velocidad de combustión es demasiado lenta para mantener la reacción en cadena.

Por el contrario, el fuego se intensifica al aumentar la tasa general de combustión. Los métodos para hacer esto incluyen equilibrar la entrada de combustible y oxidante en proporciones estequiométricas , aumentar la entrada de combustible y oxidante en esta mezcla equilibrada, aumentar la temperatura ambiente para que el propio calor del fuego sea más capaz de sostener la combustión, o proporcionar un catalizador, un no- medio reactivo en el que el combustible y el oxidante pueden reaccionar más fácilmente.

Fuego

Una vela 's de llama
Experimento del fuego de la corona del noroeste, Canadá
Foto de un incendio tomada con una exposición de 1/4000 de segundo
El fuego se ve afectado por la gravedad. Izquierda: Llama en la Tierra; Derecha: Flame on the ISS

Una llama es una mezcla de gases en reacción y sólidos que emiten luz visible, infrarroja y, a veces, ultravioleta , cuyo espectro de frecuencia depende de la composición química del material en combustión y los productos de reacción intermedios. En muchos casos, como la quema de materia orgánica , por ejemplo madera, o la combustión incompleta de gas, las partículas sólidas incandescentes llamadas hollín producen el familiar resplandor rojo anaranjado del "fuego". Esta luz tiene un espectro continuo . La combustión completa de gas tiene un color azul tenue debido a la emisión de radiación de longitud de onda única de varias transiciones de electrones en las moléculas excitadas formadas en la llama. Por lo general, hay oxígeno involucrado, pero el hidrógeno que se quema en cloro también produce una llama que produce cloruro de hidrógeno (HCl). Otras posibles combinaciones que producen llamas, entre muchas, son el flúor y el hidrógeno , y la hidracina y el tetróxido de nitrógeno . Las llamas de hidrógeno e hidracina / UDMH son igualmente azul pálido, mientras que la quema de boro y sus compuestos, evaluados a mediados del siglo XX como combustible de alta energía para motores a reacción y cohetes , emite una llama verde intensa, lo que lleva a su apodo informal de "Dragón Verde". .

El resplandor de una llama es complejo. La radiación de cuerpos negros se emite a partir de partículas de hollín, gas y combustible, aunque las partículas de hollín son demasiado pequeñas para comportarse como cuerpos negros perfectos. También hay emisión de fotones por átomos y moléculas desexcitados en los gases. Gran parte de la radiación se emite en las bandas visible e infrarroja. El color depende de la temperatura de la radiación del cuerpo negro y de la composición química de los espectros de emisión . El color dominante de una llama cambia con la temperatura. La foto del incendio forestal en Canadá es un excelente ejemplo de esta variación. Cerca del suelo, donde se produce la mayor parte de las quemaduras, el fuego es blanco, el color más caliente posible para la materia orgánica en general, o amarillo. Por encima de la región amarilla, el color cambia a naranja, que es más frío, luego a rojo, que es aún más frío. Por encima de la región roja, la combustión ya no se produce y las partículas de carbono sin quemar son visibles como humo negro .

La distribución común de una llama en condiciones normales de gravedad depende de la convección , ya que el hollín tiende a subir a la parte superior de una llama general, como en una vela en condiciones normales de gravedad, haciéndola amarilla. En microgravedad o gravedad cero , [8] como en un entorno en el espacio exterior , la convección ya no se produce y la llama se vuelve esférica, con una tendencia a volverse más azul y más eficiente (aunque puede apagarse si no se mueve de manera constante, ya que el CO 2 de la combustión no se dispersa tan fácilmente en microgravedad y tiende a sofocar la llama). Hay varias explicaciones posibles para esta diferencia, de las cuales la más probable es que la temperatura esté distribuida de manera suficientemente uniforme como para que no se forme hollín y se produzca una combustión completa. [9] Experimentos de la NASA revelan que las llamas de difusión en microgravedad permiten que se oxide completamente más hollín después de su producción que las llamas de difusión en la Tierra, debido a una serie de mecanismos que se comportan de manera diferente en microgravedad en comparación con las condiciones normales de gravedad. [10] Estos descubrimientos tienen aplicaciones potenciales en la ciencia aplicada y la industria , especialmente en lo que respecta a la eficiencia del combustible .

En los motores de combustión , se toman varios pasos para eliminar una llama. El método depende principalmente de si el combustible es aceite, madera o un combustible de alta energía como el combustible para aviones .

Temperaturas adiabáticas típicas

La temperatura de llama adiabática de un par determinado de combustible y oxidante es aquella a la que los gases logran una combustión estable.

  • Oxy - dicianoacetileno 4990 ° C (9000 ° F)
  • Oxi - acetileno 3.480 ° C (6.300 ° F)
  • Oxihidrógeno 2.800 ° C (5.100 ° F)
  • Aire - acetileno 2.534 ° C (4.600 ° F)
  • Soplete (aire - gas MAPP ) 2200 ° C (4000 ° F)
  • Mechero Bunsen (aire - gas natural ) 1300 a 1600 ° C (2400 a 2900 ° F) [11]
  • Vela (aire - parafina ) 1000 ° C (1800 ° F)

Cada ecosistema natural tiene su propio régimen de incendios , y los organismos en esos ecosistemas están adaptados o dependen de ese régimen de incendios. El fuego crea un mosaico de diferentes parches de hábitat , cada uno en una etapa diferente de sucesión . [12] Diferentes especies de plantas, animales y microbios se especializan en explotar una etapa en particular, y al crear estos diferentes tipos de parches, el fuego permite que exista un mayor número de especies dentro de un paisaje.

La ciencia del fuego es una rama de la ciencia física que incluye el comportamiento, la dinámica y la combustión del fuego . Las aplicaciones de la ciencia del fuego incluyen protección contra incendios , investigación de incendios y manejo de incendios forestales .

El registro fósil de incendios aparece por primera vez con el establecimiento de una flora terrestre en el período Ordovícico Medio , hace 470  millones de años , [13] permitiendo la acumulación de oxígeno en la atmósfera como nunca antes, a medida que las nuevas hordas de plantas terrestres bombeaban como un producto de desecho. Cuando esta concentración se elevó por encima del 13%, permitió la posibilidad de un incendio forestal . [14] Los incendios forestales se registraron por primera vez en el registro fósil del Silúrico tardío , hace 420  millones de años , por fósiles de plantas carbonizadas . [15] [16] Aparte de una brecha controvertida en el Devónico tardío , el carbón vegetal está presente desde entonces. [16] El nivel de oxígeno atmosférico está estrechamente relacionado con la prevalencia del carbón vegetal: claramente, el oxígeno es el factor clave en la abundancia de incendios forestales. [17] El fuego también se volvió más abundante cuando los pastos irradiaban y se convirtió en el componente dominante de muchos ecosistemas, hace alrededor de 6 a 7 millones de años ; [18] esta leña proporcionó yesca que permitió la propagación más rápida del fuego. [17] Estos incendios generalizados pueden haber iniciado un proceso de retroalimentación positiva , mediante el cual produjeron un clima más cálido y seco más propicio para los incendios. [17]

Bushman iniciando un incendio en Namibia
Proceso de encendido de un fósforo

La capacidad de controlar el fuego supuso un cambio drástico en los hábitos de los primeros humanos. Hacer fuego para generar calor y luz hizo posible que las personas cocinaran alimentos, aumentando simultáneamente la variedad y disponibilidad de nutrientes y reduciendo las enfermedades al matar organismos en los alimentos. [19] El calor producido también ayudaría a las personas a mantenerse calientes en climas fríos, permitiéndoles vivir en climas más fríos. El fuego también mantuvo a raya a los depredadores nocturnos. La evidencia de comida cocida se encuentra desde hace 1  millón de años , [20] aunque probablemente el fuego no se usó de manera controlada hasta hace 400.000 años. [21] Existe alguna evidencia de que el fuego pudo haber sido utilizado de forma controlada hace aproximadamente 1 millón de años. [22] [23] La evidencia se generaliza alrededor de 50 a 100 mil años atrás, lo que sugiere un uso regular a partir de esta época; Curiosamente, la resistencia a la contaminación del aire comenzó a evolucionar en las poblaciones humanas en un momento similar. [21] El uso del fuego se volvió progresivamente más sofisticado, y se utilizó para crear carbón vegetal y controlar la vida silvestre desde hace "decenas de miles" de años. [21]

El fuego también se ha utilizado durante siglos como método de tortura y ejecución, como lo demuestra la muerte por quema , así como los dispositivos de tortura como la bota de hierro , que se puede llenar con agua, aceite o incluso plomo y luego calentar a la intemperie. fuego para la agonía del usuario.

Pintura de la Catedral y el edificio de la Academia después del Gran Incendio de Turku , por Gustaf Wilhelm Finnberg , 1827

Por la Revolución Neolítica , [ cita requerida ] durante la introducción de la agricultura basada en granos, la gente de todo el mundo utilizó el fuego como una herramienta en la gestión del paisaje . Estos incendios eran típicamente quemaduras controladas o "incendios fríos", [ cita requerida ] en contraposición a "incendios calientes" incontrolados, que dañan el suelo. Los incendios calientes destruyen plantas y animales y ponen en peligro a las comunidades. Esto es especialmente un problema en los bosques de hoy, donde se previene la quema tradicional para estimular el crecimiento de cultivos maderables. Los fuegos fríos generalmente se realizan en primavera y otoño. Despejan la maleza y queman la biomasa que podría provocar un incendio en caso de que se vuelva demasiado densa. Proporcionan una mayor variedad de entornos, lo que fomenta la diversidad de animales y plantas. Para los humanos, hacen que los bosques densos e intransitables sean transitables. Otro uso humano del fuego en lo que respecta a la gestión del paisaje es su uso para despejar la tierra para la agricultura. La agricultura de tala y quema sigue siendo común en gran parte de África tropical, Asia y América del Sur. "Para los pequeños agricultores, es una forma conveniente de despejar áreas cubiertas de maleza y liberar nutrientes de la vegetación en pie de regreso al suelo", dijo Miguel Pinedo-Vasquez, ecólogo del Centro de Investigación y Conservación Ambiental del Earth Institute . [24] Sin embargo, esta útil estrategia también es problemática. El crecimiento de la población, la fragmentación de los bosques y el calentamiento del clima están haciendo que la superficie de la tierra sea más propensa a incendios fugitivos cada vez más grandes. Estos dañan los ecosistemas y la infraestructura humana, causan problemas de salud y envían espirales de carbono y hollín que pueden fomentar un calentamiento aún mayor de la atmósfera y, por lo tanto, retroalimentar a más incendios. En la actualidad, a nivel mundial, en un año determinado se queman hasta 5 millones de kilómetros cuadrados, un área de más de la mitad del tamaño de Estados Unidos. [24]

Existen numerosas aplicaciones modernas del fuego. En su sentido más amplio, casi todos los seres humanos de la tierra utilizan el fuego en un entorno controlado todos los días. Los usuarios de vehículos de combustión interna emplean fuego cada vez que conducen. Las centrales térmicas proporcionan electricidad a un gran porcentaje de la humanidad.

Hamburgo después de cuatro bombardeos incendiarios en julio de 1943, que mataron a unas 50.000 personas [25]

El uso del fuego en la guerra tiene una larga historia . El fuego fue la base de todas las primeras armas térmicas . Homero detalló el uso del fuego por los soldados griegos que se escondieron en un caballo de madera para quemar Troya durante la guerra de Troya . Más tarde, la flota bizantina utilizó el fuego griego para atacar barcos y hombres. En la Primera Guerra Mundial , los primeros lanzallamas modernos fueron utilizados por la infantería y se montaron con éxito en vehículos blindados en la Segunda Guerra Mundial. En esta última guerra, bombas incendiarias fueron utilizados por el Eje y aliados por igual, sobre todo en Tokio, Rotterdam, Londres, Hamburgo y, notoriamente, en Dresden ; en los dos últimos casos, las tormentas de fuego fueron causadas deliberadamente en las que un anillo de fuego que rodeaba cada ciudad [ cita requerida ] fue atraído hacia adentro por una corriente ascendente causada por un grupo central de incendios. La Fuerza Aérea del Ejército de los Estados Unidos también utilizó ampliamente incendiarios contra objetivos japoneses en los últimos meses de la guerra, devastando ciudades enteras construidas principalmente con casas de madera y papel. El uso de napalm se empleó en julio de 1944, hacia el final de la Segunda Guerra Mundial ; [26] aunque su uso no atrajo la atención del público hasta la Guerra de Vietnam . [26] También se utilizaron cócteles Molotov .

Utilizar como combustible

Una central eléctrica de carbón en la República Popular China
Año de vida ajustado por discapacidad para incendios por cada 100.000 habitantes en 2004 [27]
  sin datos
  menos de 50
  50-100
  100-150
  150-200
  200–250
  250–300
  300–350
  350–400
  400–450
  450–500
  500–600
  más de 600

Poner el combustible en llamas libera energía utilizable. La madera era un combustible prehistórico y aún hoy es viable. El uso de combustibles fósiles , como el petróleo , el gas natural y el carbón , en las plantas de energía suministra la gran mayoría de la electricidad del mundo en la actualidad; la Agencia Internacional de Energía declara que casi el 80% de la energía mundial provino de estas fuentes en 2002. [28] El fuego en una central eléctrica se usa para calentar agua, creando vapor que impulsa las turbinas . Luego, las turbinas hacen girar un generador eléctrico para producir electricidad. El fuego también se utiliza para proporcionar trabajo mecánico directamente, tanto en motores de combustión externos como internos .

Los restos sólidos inquemables de un material combustible que quedan después de un incendio se denominan clínker si su punto de fusión está por debajo de la temperatura de la llama, de modo que se fusiona y luego solidifica cuando se enfría, y ceniza si su punto de fusión está por encima de la temperatura de la llama.

Los programas de prevención de incendios forestales en todo el mundo pueden emplear técnicas como el uso de incendios forestales y las quemaduras prescritas o controladas . [29] [30] El uso de incendios forestales se refiere a cualquier incendio de causas naturales que se monitorea pero se permite arder. Las quemaduras controladas son incendios iniciados por agencias gubernamentales en condiciones climáticas menos peligrosas. [31]

Los servicios de extinción de incendios se proporcionan en las áreas más desarrolladas para extinguir o contener incendios incontrolados. Los bomberos capacitados usan aparatos contra incendios , recursos de suministro de agua como tuberías principales de agua y bocas de incendio o pueden usar espuma de clase A y B dependiendo de lo que esté alimentando el fuego.

La prevención de incendios está destinada a reducir las fuentes de ignición. La prevención de incendios también incluye educación para enseñar a las personas cómo evitar provocar incendios. [32] Los edificios, especialmente las escuelas y los edificios altos, a menudo realizan simulacros de incendio para informar y preparar a los ciudadanos sobre cómo reaccionar ante un incendio en un edificio. Iniciar deliberadamente incendios destructivos constituye un incendio provocado y es un delito en la mayoría de las jurisdicciones. [33]

Los códigos de construcción modelo requieren protección pasiva contra incendios y sistemas activos de protección contra incendios para minimizar el daño resultante de un incendio. La forma más común de protección activa contra incendios son los rociadores contra incendios . Para maximizar la protección pasiva contra incendios de los edificios, los materiales de construcción y el mobiliario en la mayoría de los países desarrollados se someten a pruebas de resistencia al fuego , combustibilidad e inflamabilidad . También se prueban tapizados , alfombras y plásticos utilizados en vehículos y embarcaciones.

Donde la prevención de incendios y la protección contra incendios no han logrado prevenir daños, el seguro contra incendios puede mitigar el impacto financiero. [34]

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Esta visualización muestra los incendios detectados en los Estados Unidos desde julio de 2002 hasta julio de 2011. Busque incendios que ardan de manera confiable cada año en los estados del oeste y en todo el sureste.

Restaurante dañado por el fuego a la espera de demolición

Se utilizan diferentes métodos y medidas de restauración según el tipo de daño por incendio ocurrido. Los equipos de administración de la propiedad , el personal de mantenimiento del edificio o los propios propietarios pueden realizar la restauración después de un daño por incendio ; sin embargo, a menudo se considera que contactar a un especialista certificado en restauración de daños por incendio es la forma más segura de restaurar la propiedad dañada por el fuego debido a su capacitación y amplia experiencia. [35] La mayoría generalmente se enumeran en "Restauración de incendios y agua" y pueden ayudar a acelerar las reparaciones, ya sea para propietarios individuales o para las instituciones más grandes. [36]

Las empresas de restauración de agua y fuego están reguladas por el Departamento de Asuntos del Consumidor del estado correspondiente, generalmente la junta de licencias de contratistas del estado. En California, todas las empresas de restauración de agua y fuego deben registrarse en la Junta Estatal de Licencias de Contratistas de California. [37] Actualmente, la Junta Estatal de Licencias de Contratistas de California no tiene una clasificación específica para "restauración de daños por agua y fuego". Por lo tanto, la Junta Estatal de Licencias del Contratista requiere tanto una certificación de asbesto (ASB) como una clasificación de demolición (C-21) para realizar trabajos de restauración de incendios y agua. [38]

  • Aodh (nombre de pila)
  • Hoguera
  • La historia química de una vela
  • Fuego de colores
  • Control del fuego por los primeros humanos
  • Quemación rápida
  • Fuego (elemento clásico)
  • Investigación de incendios
  • Mirador de fuego
  • Torre de vigilancia contra incendios
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  • Pozo de fuego
  • Seguridad contra incendios
  • Triángulo de fuego
  • Torbellino de fuego
  • Adoración al fuego
  • Prueba de llama
  • Código de seguridad de vida
  • Lista de incendios
  • Lista de fuentes de luz
  • Teoría del flogisto
  • Quema de piano
  • Prometeo , la figura mitológica griega que dio fuego a la humanidad
  • Pyrokinesis
  • Pirólisis
  • Piromanía
  • Autoinmolación

Notas

  1. ^ Los procesos oxidativos más lentos como la oxidación o la digestión no están incluidos en esta definición.

Citas

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Fuentes

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  • Cómo funciona el fuego en HowStuffWorks
  • ¿Qué es exactamente el fuego? de The Straight Dope
  • On Fire , un tutorial científico basado en Adobe Flash de NOVA (serie de televisión)
  • "20 cosas que no sabías sobre ... fuego" de la revista Discover