Quando si osserva un oggetto prendere fuoco senza una fiamma apparentemente visibile, la reazione iniziale è spesso di stupore. Ma qual è la spiegazione scientifica dietro questo fenomeno? Questo articolo esplora le proprietà del carburante, la natura della fiamma e le varie sorgenti di innesco, offrendo una comprensione approfondita del calore e della fiamma.
La "Fiamma Invisibile": Un Fenomeno Scientifico
L'episodio più comune in cui ci si può imbattere in una "fiamma invisibile" avviene usando un normale gel igienizzante per le mani. Molti di questi prodotti contengono alcol etilico (etanolo) in concentrazioni che possono superare il 60%. L'etichetta di alcuni gel riporta, ad esempio, il 62% di alcol etilico in massa. Quando il gel viene avvicinato a una fonte di calore o di innesco (accendino, fiammifero o un’altra fiamma già accesa), l’alcol reagisce con l’ossigeno dell’aria producendo anidride carbonica e vapore acqueo, liberando energia sotto forma di calore e luce.
Tuttavia, se osserviamo la fiamma a una certa angolazione o in condizioni di luce intensa, questa può risultare quasi invisibile. La principale ragione risiede nella natura chimica dell'alcol etilico. Quando brucia, l’etanolo genera una fiamma relativamente fredda (rispetto, ad esempio, a quella prodotta da idrocarburi più complessi come il butano o la benzina) e di colore bluastro o quasi trasparente. Di conseguenza, in condizioni di luce ambientale forte o con un determinato sfondo, la fiamma può essere vista solo con difficoltà. Inoltre, man mano che l’alcol si consuma, la fiamma diminuisce di intensità, accentuando l’effetto di “sparizione”.
Di conseguenza, se avviciniamo alla fiamma invisibile un pezzo di carta, quest'ultima comincerà a bruciare. Se non si è a conoscenza della presenza della fiamma, una persona potrebbe pensare si tratti di autocombustione (un processo in cui una sostanza prende fuoco da sola, senza alcun innesco esterno), ma nel nostro caso si tratta semplicemente di un "effetto ottico" della fiamma dell'alcol etilico.
L'Esperimento della Candela e del Fumo
Lo sapevate che è possibile accendere una candela attraverso il suo fumo? Si tratta di un esperimento semplice da fare in casa per stupire chiunque: basterà una candela e un accendino. Non appena si forma un "filo" di fumo dopo averla spenta, sarà possibile accendere nuovamente la candela facendo entrare a contatto il fumo con la fiamma dell'accendino. La fiamma correrà lungo il fumo fino a raggiungere lo stoppino.
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Per capire la chimica e la fisica dietro questo esperimento, è necessario comprendere il funzionamento della candela. Partiamo dal capire cos'è la cera dal punto di vista chimico. La composizione della cera della candela può essere di diverse tipologie: paraffina, esteri misti, cera d'api, stearina etc. Sono solide a temperature ambiente e fondono con il calore; Bruciano a contatto con la fiamma, quindi sono dei buoni combustibili. Se si accende la candela, lo stoppino comincia ad impregnarsi di cera liquida, la quale alimenterà la fiamma. Il principio che permette allo stoppino di rimanere sempre "inzuppato" di cera liquido è chiamato capillarità.
Il calore generato dalla combustione continuerà a fondere la cera e manterrà accesa la fiamma. Nel momento in cui si spegne la candela, lo stoppino sarà sufficientemente caldo da vaporizzare la cera liquida. Di conseguenza, all'interno del fumo visibile, saranno presenti anche molecole in stato gassoso provenienti direttamente dalla candela. Quindi, una fonte di calore (come la fiamma di un accendino) sarà in grado di innescare la reazione di combustione di queste molecole e quindi di bruciare il fumo.
La fiamma, dunque, correrà lungo il "filo" di fumo e raggiungerà lo stoppino, riaccendendo la candela. Questo semplice esperimento può essere effettuato per spiegare i cambi di stato della materia (fisica) e la reazione di combustione (chimica). Ad ogni modo, fare sempre attenzione alla fiamma in quanto le alte temperature possono causare ustioni.
Le Basi della Prevenzione e Lotta agli Incendi
Come ripetuto più volte in questi anni, parlando delle basi della prevenzione e lotta agli incendi, le condizioni necessarie per avere una combustione sono la presenza del combustibile, la presenza del comburente e la presenza di una energia di attivazione (innesco/sorgente di calore). Posto che solo la presenza contemporanea di questi tre elementi può dar luogo al fenomeno dell’incendio e al mancare di almeno uno di essi l’incendio si spegne, ci soffermiamo oggi proprio sulle sorgenti di attivazione dell’incendio.
Le Sorgenti di Attivazione:
- Piccole fiamme
- Scintille
- Superfici calde
- Attrito
- Radiazione termica
- Autocombustione
- Reazioni chimiche esotermiche
Piccole Fiamme, Scintille e Superfici Calde
Riguardo alle possibili sorgenti di attivazione dell’incendio (energia di attivazione), la dispensa per i corsi di tipo 1-FOR descrive le caratteristiche delle sorgenti d’ignizione più comunemente note, “riportando anche degli esempi finalizzati ad evidenziare in quali situazioni le suddette sorgenti possono risultare efficaci nell’attivazione di un incendio”. Ad esempio si sofferma su una “piccola fiamma prodotta da una candela, fiammiferi o accendino”.
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Si segnala che una sorgente d’ignizione rappresentata da una piccola fiamma, come quella generata dalle sorgenti indicate, “produce flussi termici maggiori nella direzione della fiamma, piuttosto che in direzione trasversale alla fiamma. Questo conferma la propensione della fiamma di una candela ad accendere combustibili a qualche distanza immediatamente sopra la fiamma ma non anche combustibili posti a lato di essa”.
La scintilla elettrica “non è facilmente distinta dall’arco elettrico, tranne per la durata”. Si ricorda che l'arco elettrico “persiste come una scarica per un certo intervallo di tempo. È quindi più semplice considerare tutti questi fenomeni elettrici come archi di diversa durata e lasciare il termine scintilla per rappresentare una particella solida o goccia fusa riscaldata da qualche processo. Più un arco elettrico persiste a lungo nel tempo, più questo è in grado di riscaldare i materiali posti nei suoi immediati dintorni, trasferendo ad essi calore.
Il documento indica che la maggior parte degli oggetti caldi “sono riscaldati mediante una fiamma, mediante riscaldamento per attrito, o dal flusso di corrente elettrica che li attraversa. Se materiali combustibili entrano in contatto con questi elementi riscaldanti, possono essere innescati”.
La valutazione di un eventuale accensione di un combustibile a causa di una superficie calda “non è una semplice questione di confronto tra la temperatura della superficie con la temperatura di autoaccensione del combustibile. L’accensione di qualsiasi combustibile non si verificherà se non vi è abbastanza calore che viene trasferito in una massa sufficiente di combustibile e tale da stabilire una fiamma persistente. Il trasferimento di calore da una superficie dipende infatti dalla natura e dalla forma della superficie, dalla natura del contatto, e se il contatto con il combustibile viene mantenuto sufficientemente a lungo”.
Attrito e Radiazione Termica
Si indica che, come fonte di accensione, “l'attrito è riconducibile al caso di un ‘oggetto caldo’. L'attrito tra due superfici in movimento genera calore (come nei freni a disco di un'automobile, che possono diventare estremamente caldi). L’attrito è stato sempre considerato una fonte di accensione di un fuoco, si pensi a quello generato strofinando due bastoncini di legno l’uno contro l’altro, facendo ruotare una punta di legno in una depressione ricavata nell’altro pezzo. In questo caso il legno è utilizzato, perché oltre ad essere un combustibile, è un cattivo conduttore di calore, permettendo così di accumulare il calore generato per attrito senza disperderlo fino a raggiungere l’accensione dei bastoncini”.
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Si sottolinea che l’attrito spesso “è un fenomeno indesiderato e causa d’innesco di incendi, specialmente nelle macchine che contengono parti in movimento”. Ad esempio “un cuscinetto in rotazione che si surriscalda a causa di una lubrificazione inadeguata può provocare proiezione di frammenti metallici caldi, e il successivo innesco di materiali combustibili adiacenti. Ogni cuscinetto che non dispone di un'adeguata lubrificazione può diventare caldo attraverso l'attrito, e il contatto dell'oggetto caldo con un combustibile di facile accensione può provocare un incendio”.
La radiazione termica “gioca un ruolo molto importante come principale causa di propagazione degli incendi, meno come fonte primaria d’accensione”. In particolare la trasmissione del calore per conduzione “non è l’unico modo di attivazione di un incendio, in alcuni casi l’incendio può attivarsi se c’è un sufficiente calore radiante. In questo caso, le qualità riflettenti o assorbenti del combustibile sono di fondamentale importanza, così come la sua densità e la conduttività termica. Tutto ciò che è necessario è che il combustibile possa assorbire più calore di quello che può dissipare, raggiungendo per questo una temperatura superiore a quella di autoaccensione anche se localmente in alcune zone”.
Autocombustione e Reazioni Chimiche Esotermiche
L'autocombustione si verifica “quando un materiale combustibile si innesca in assenza di sorgenti esterne di attivazione. Infatti, nell’autocombustione, l’energia di attivazione è fornita dal calore generato da processi quali reazioni biochimiche o fermentazioni. In generale, l’autocombustione si ha quando una sostanza si ossida (brucia) ad una velocità tale che la generazione di calore supera la sua dissipazione, con un accumulo di energia termica tale da provocare l’accensione”.
Un certo numero di composti chimici “sono in grado di generare grande calore, anche con formazione di fiamme. Alcuni incendi accidentali, avvenuti all’interno di negozi di prodotti per la casa, sono conseguenti a perdite o fuoriuscite di agenti corrosivi (acidi o basi) che sono entrati in contatto con metalli o di materiali combustibili che, al contatto con forti ossidanti (cloro per piscina), hanno dato luogo ad una reazione esotermica”.
Vaporizzatori a Fiamma
Mentre la maggior parte dei vaporizzatori sono elettrici e utilizzano una batteria per convertire l'energia nel calore necessario per vaporizzare l'erba, i dispositivi alimentati a fiamma utilizzano il calore di una fiamma di un normale accendino o un accendino torcia più potente. Tuttavia, poiché l'erba che tocca direttamente la fiamma la farebbe bruciare e provocherebbe la combustione, il riscaldamento è indiretto, utilizzando la fiamma per riscaldare il materiale e far passare quest'aria calda attraverso l'erba (riscaldamento per convezione).
Vantaggi dei Vaporizzatori a Fiamma:
- Nessuna necessità di batterie o prese elettriche
- Design spesso più semplice e costo inferiore
- Produzione di vapore puro dal sapore eccellente
Esempi di Vaporizzatori a Fiamma:
- VapCap (di DynaVap)
- VaporGenie
- Vapman
- Vaponic Plus
- Vaporizzatori Sticky Brick
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