Il fuoco è la manifestazione visibile di una reazione chimica (combustione) che avviene tra due sostanze diverse (combustibile e comburente) con emissione di energia sensibile (calore e luce). Anche se in passato era definito come uno dei "quattro elementi", oggi sappiamo che il fuoco non è uno degli stati della materia, quanto piuttosto il risultato di un processo chimico-fisico. Esso infatti si manifesta come un bagliore (detto fiamma), causando il rilascio di grandi quantità di calore e gas e spegnendosi quando la reazione finisce.
Cos'è la Combustione?
Per ottenere il fuoco è necessario prima definire il processo di combustione. La combustione è una reazione chimica fra molecole che comporta l'ossidazione di un elemento, il quale perde uno o più elettroni, e la riduzione di un altro, che guadagna elettroni. Questa reazione genera calore e radiazioni elettromagnetiche, fra cui luce visibile (la fiamma).
Gli Ingredienti Necessari per la Combustione
Per innescare il processo di combustione sono necessari tre "ingredienti":
- Combustibile: Un materiale solido, liquido o gassoso che subisce una sottrazione di elettroni, come ad esempio zolfo, idrogeno o lunghe catene di carbonio. I combustibili sono sostanze in grado di reagire con l’ossigeno o con altro comburente, producendo energia termica. Possono essere classificati in base allo stato fisico differenziandosi in combustibili solidi, liquidi e gassosi, in grado di produrre energia termica a seguito di una reazione di combustione.
- Comburente: Ovvero l'agente che permette la reazione di ossidazione, come l'ossigeno. Generalmente si prende in considerazione, quale comburente, solamente l’ossigeno dell’aria (alla percentuale del 21% nell’ambito dei costituenti l’aria stessa), ma esistono altri comburenti. I comburenti sono tutte quelle sostanze in grado di ossidare i materiali combustibili, il più comune è l’ossigeno contenuto nell’aria.
- Sorgente di Calore: Ad esempio una scintilla.
Combustibile, comburente ed energia di attivazione sono i tre elementi che compongono il triangolo del fuoco. La presenza di un combustibile e di un comburente non è sufficiente, da sola, a determinarne lo sviluppo.
Il Ruolo della Sorgente di Calore
Ma perché abbiamo bisogno di una sorgente di calore per accendere un fuoco? Il combustibile deve potersi trasformare in gas e deve trovarsi a temperature elevate affinché il processo di combustione si instauri. Una volta riscaldato, infatti, il combustibile subisce il processo di pirolisi, una decomposizione chimica che permette agli atomi presenti (nel caso del legno ci riferiamo ad atomi di carbonio) di dividersi dagli altri elementi, come l’idrogeno. Il carbonio si lega poi all’ossigeno dell’aria grazie al processo di ossidazione, in cui il carbonio cede all’ossigeno un elettrone. Si cominciano quindi a formare i primi prodotti: anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O).
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La reazione di combustione è esotermica, ovvero sprigiona calore. In funzione del tipo di combustibile utilizzato, il calore rilasciato dalla combustione sarà più o meno elevato. Per definire questa proprietà termica si parla di potere calorifico.
Come si Origina il Fuoco: Dal Fuoco alla Fiamma
Una volta innescato il processo di combustione, esso si autoalimenta utilizzando il calore generato per innescare nuove reazioni. La combustione non genera solo prodotti chimici, ma è accompagnato anche da fenomeni fisici. Il primo è la chemiluminescenza, ovvero la generazione di fotoni da parte di elettroni eccitati. Questo fenomeno spiega la formazione di luce blu attorno al punto di combustione che può arrivare a 1400 °C. Un secondo fenomeno, l’incandescenza, si può instaurare attorno a questa fiamma e genera luce di colore rosso. Questa luce è più fredda e la sua temperatura varia dai 500 °C ai 900 °C. In questo strato vi è la formazione di fuliggine, che tende a brillare a queste temperature, e si sprigiona di conseguenza anche calore.
Il colore della fiamma e la sua temperatura dipendono dal tipo e dalla quantità di comburente presente durante la reazione. Per facilitare il processo di combustione, infatti, si può pre-miscelare comburente e combustibile in quantità differenti. In carenza di ossigeno la combustione sarà meno efficiente, si creerà fuliggine e la fiamma prenderà una colorazione rossastra. In presenza di una miscela ricca di ossigeno il colore della fiamma apparirà blu, senza generazione di prodotti di combustione intermedi.
Il fuoco è quindi il risultato di tante reazioni di combustione che generano prodotti solidi e gassosi, calore e radiazioni elettromagnetiche, fra cui i fotoni. In mancanza di comburente o combustibile, la reazione si interrompe e il fuoco si spegne.
Fasi di un Incendio
- Ignizione: La fase iniziale in cui il fuoco si accende.
- Propagazione: Il fuoco inizia a diffondersi.
- Incendio Generalizzato: La velocità di combustione si innalza, la temperatura aumenta e vengono prodotti rilevanti volumi di fumi e gas con propagazione improvvisa delle fiamme attraverso gas e vapori incombusti. Si tratta di uno stadio di transizione da un incendio in crescita a uno pienamente sviluppato dove tutti i materiali combustibili sono coinvolti allo stesso tempo nell’incendio.
La trasmissione di calore all’interno degli edifici diventa rilevante e la resistenza strutturale di pareti, soffitti, pilastri e travi può essere seriamente compromessa. Esempi di trasmissione del calore a distanza dal posto in cui viene prodotto sono rappresentati dalla sua propagazione attraverso elementi metallici strutturali degli edifici, o dalla diffusione, attraverso scale o altri collegamenti verticali, di fumi e correnti di aria o gas caldi, generati da un incendio.
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In questa fase il raffreddamento è lento e ugualmente pericoloso: zone apparentemente fredde possono celare fuoco latente che aspetta “nuovo carburante” per poter dar vita ad un nuovo incendio.
Come si Spegne un Incendio
Quando per lo spegnimento si usa l’acqua si interviene soprattutto sull’elemento calore, con il raffreddamento del combustibile fino all’interruzione della combustione. L’acqua, infatti, ha una grandissima capacità di assorbire calore e per farla evaporare servono ben 539 calorie per ogni grammo, più 70 - 80 cal/g per innalzarne la temperatura da quella ambientale a quella di ebollizione.
Quando si getta sabbia o terra sul fuoco si agisce sul comburente sottraendolo alla combustione. Anche un violento getto d’acqua ha questa azione sul combustibile gassoso; è questo uno dei motivi per cui nello spegnimento degli incendi boschivi si preferiscono pompe capaci di elevate pressioni e basse portate.
Tipi di Incendi
- Incendi di superficie: Sono i più frequenti e bruciano la vegetazione al livello del suolo. Sono gli incendi più comuni nei nostri boschi, bruciano la lettiera, l’erba, le foglie e i rami morti (vegetazione di superficie).
- Incendi delle chiome: Sono gli incendi più pericolosi perché le fiamme si estendono alle chiome degli alberi. Interessano in particolare i rimboschimenti di conifere allo stato di perticaia ad elevata densità.
Il Calore
Il calore è la causa principale della propagazione degli incendi. Come ogni forma di energia, il c. può trasformarsi in altre forme o originarsi da energia di natura diversa. Il c. trasmesso a un corpo non si accumula in esso come tale, ma sotto forma di energia interna in quanto il c., avendo significato soltanto come forma di energia in trasferimento, non può essere posseduto dai corpi.
Le varie teorie sulle quali si è basata l’interpretazione della natura del c. possono molto schematicamente essere suddivise in cinetiche (secondo le quali il c. è il movimento delle parti minime dei corpi) e sostanzialistiche (il c. è una sostanza sui generis).
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Trasmissione del Calore
La trasmissione del c. può avvenire per conduzione, per convezione, per irraggiamento: in quest’ultimo modo, che a differenza degli altri due non ha bisogno dell’intermediario di un mezzo materiale, il c. si propaga per onde elettromagnetiche.
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