Bạn đã từng bao giờ thắc mắc xem lửa sinh ra như thế nào chưa? Lửa có hình dạng như thế nào? Bản chất ngọn lửa ra sao?...
Lửa có thể phá huỷ ngôi nhà của bạn và tất cả những gì bạn có chỉ trong vòng chưa đến một giờ đồng hồ, biến một khu rừng rộng lớn chỉ còn lại than và tro tàn. Lửa cũng là một loại vũ khí đáng sợ, với sức tàn phá gần như vô hạn, mỗi năm lửa lấy đi nhiều mạng sống hơn bất kì một sức mạnh thiên nhiên nào khác.
Nhưng ngược lại, lửa lại có rất nhiều công dụng trong cuộc sống. Lửa cho chúng ta ánh sáng và hơi ấm. Lửa còn giúp nấu chín thức ăn, rèn kim loại, làm đồ gốm, nung gạch, và vận hành nhà máy nhiệt điện... Tóm lại, lửa là một thứ nguy hiểm, nhưng cũng là một phần không thể thiếu trong cuộc sống. Nó thực sự là một trong những yếu tố quan trọng nhất của lịch sử loài người.
Vậy, chính xác, lửa là gì?
Người Hy Lạp cổ cho rằng lửa là một trong những nguyên tố chính của vũ trụ, bên cạnh nước, đất và khí. Bạn có thể cảm nhận được lửa, giống như bạn có thể cảm nhận được đất, nước và khí vậy. Bạn cũng có thể nhìn, ngửi thấy lửa, và bạn có thể mang lửa đi bất cứ đâu.
Nhưng thực tế, lửa là một cái gì đó rất khác. Đất, nước và khí được cấu tạo bởi hàng tỉ nguyên tử, và luôn giữ nguyên dạng như vậy. Lửa thì không như vậy: lửa có thể chuyển sang những dạng khác – nó là một phần của các phản ứng hoá học.
Lửa là gì?
Thông thường, lửa sinh ra từ một phản ứng hoá học giữa oxy trong không khí và một loại chất đốt nào đó (gỗ, dầu hoả,...). Tất nhiên, gỗ và dầu hoả để trong không khí sẽ không thể tự cháy được. Để phản ứng cháy xảy ra, chúng ta cần phải làm nóng nhiên liệu đến nhiệt độ cháy của chúng – ignition temperature.
Trước tiên, chúng ta sẽ nói qua về quá trình khi đốt cháy một chất nào đó. Ví dụ, khi đốt một khúc gỗ, quá trình xảy ra như sau:
- Khúc gỗ nóng dần lên. Nguồn làm nóng có thể là bất cứ gì: que diêm, tập trung ánh sáng mặt trời, sự chà xát, một thứ gì đó đang cháy...
- Khi khúc gỗ đạt đến nhiệt độ khoảng 300 độ F (150 độ C), nhiệt sẽ làm phân huỷ một vài thành phần cellulose của khúc gỗ đó.
- Các thành phần bị tách ra của khúc gỗ đó, sẽ tạo thành khí bay hơi, đó chính là khói. Khói này bao gồm hidro, carbon và oxy. Khi ấy, khúc gỗ chỉ còn lại than củi – gần như là carbon tinh khiết, và tro tàn – chứa các khoáng chất không thể đốt cháy được (như canxi, kali...). Than củi chính là gỗ đã được làm nóng đến mức nó mất hết các loại khí bên trong và chỉ còn lại carbon. Và vì thế, sẽ không có khói sinh ra khi bạn đốt than củi.
Thực tế, khi đốt một khúc gỗ sẽ xảy ra hai quá trình riêng biệt.
- Khi khí sinh ra đủ nóng (tầm 500 độ F tức 260 độ C), các liên kết trong phân tử bị vỡ ra thành các nguyên tử nhỏ hơn, và chúng kết hợp với oxy trong không khí để sinh ra nước, CO2 và các sản phẩm khác.
- Carbon trong than củi cũng sẽ phản ứng với oxy, nhưng phản ứng này diễn ra chậm hơn. Chính vì vậy, khi bạn nướng một thứ gì đó bằng than củi, bạn sẽ thấy chúng nóng rất lâu.
Các phản ứng này khi xảy ra sẽ toả rất nhiều nhiệt. Chuỗi các phản ứng xảy ra liên tục, lượng nhiệt sinh ra đủ để duy trì ngọn lửa. Quá trình phản ứng trên đúng với khi ta đốt một khúc gỗ, nhưng với nhiều loại nhiên liệu khác thì quá trình chỉ xảy ra có một bước. Xăng là một ví dụ. Nhiệt năng sẽ hoá hơi xăng và rồi đốt cháy chúng, than không được sinh ra như khi đốt gỗ. Loài người đã học được cách điều chỉnh nhiên liệu cần dùng và điều chỉnh ngọn lửa cho phù hợp với mục đích sử dụng. Ngọn nến chính là một dạng cho thấy sự bay hơi chậm và bốc cháy của sáp.
Khi được làm nóng, các nguyên tử carbon (và cũng như các nguyên tố khác) phát ra ánh sáng. Hiện tượng “nhiệt sinh ra ánh sáng” này có tên gọi incandescence, về cơ bản cũng tương tự như việc bóng đèn dây tóc có thể phát sáng vậy. Và chính hiện tượng này sẽ cho ta nhìn thấy được ngọn lửa. Màu sắc của ngọn lửa rất đa dạng, phụ thuộc vào cái gì đang cháy và nó nóng đến mức nào. Khi bạn thấy một ngọn lửa có nhiều màu sắc, ví dụ như nhìn vào ngọn lửa bếp ga, bạn sẽ thấy nó có nhiều màu sắc khác nhau, đấy chính là do sự khác nhau về nhiệt độ. Thông thường, nơi nóng nhất của ngọn lửa - ở dưới cùng – có màu xanh lam, trong khi đó, nơi có nhiệt độ thấp nhất có màu vàng và màu cam.
Thêm nữa, các nguyên tử carbon có thể để lại những vệt đen xung quanh khi cháy sáng, đó chính là muội than hay bồ hóng, mà chúng ta thường thấy ở đáy các loại nồi khi nấu nướng bằng bếp than.
Thứ nguy hiểm nhất ở đây là, các phản ứng hoá học mà có xảy ra sự cháy, chúng có tính tự tồn tại lâu dài – self-perpetuating. Sức nóng từ ngọn lửa có thể giữ cho nhiên liệu luôn ở nhiệt độ cháy, và chúng sẽ cháy mãi cho đến khi hết nhiên liệu hoặc hết oxy xung quanh. Ngọn lửa cháy làm nhiên liệu xung quanh bốc hơi, khi hơi ga bắt lửa chúng sẽ cháy tiếp, và ngọn lửa lan ra khắp nơi.
Trên Trái Đất, trọng lực quyết định tính chất của ngọn lửa. Những dòng khí nóng hơn sẽ có trọng lượng riêng nhỏ hơn, và chúng sẽ trôi lên trên về phía áp lực thấp hơn. Đó là lý do bạn quan sát thấy ngọn lửa thường “nhọn” ở đầu. Nếu bạn nhóm một ngọn lửa ở một môi trường không trọng lực, ví dụ như trong tàu vũ trụ, thì bạn sẽ thấy ngọn lửa có hình cầu!
Tính đa dạng của ngọn lửa
Trong phần trước, chúng ta đã được thấy, lửa là kết quả của phản ứng hoá học giữa hai chất khí, điển hình là oxy và khí ga. Khí ga được tạo nên bởi nhiệt. Nói cách khác, khi được cung cấp nhiệt năng ban đầu, các liên kết trong phân tử khí ga bị bẻ gãy, các nguyên tử được giải phóng sẽ phản ứng với oxy trong không khí và từ đó sinh ra hợp chất khác cùng với lượng nhiệt lớn hơn.
Thực tế, chỉ có một số hợp chất bị bẻ gãy và phản ứng theo cách trên, các nguyên tử phải bị hút lẫn nhau theo một cách nào đó. Nếu ta thử với nước chẳng hạn, khi bạn đun sôi nước, nước nóng sẽ hoá thành hơi, bay lên gặp khí oxy nhưng sẽ không có phản ứng xảy ra. Đó là do các nguyên tử hidro và oxy trong nước và nguyên tử oxy của không khí không đủ sức hút để tạo nên phản ứng, do vậy phân tử nước không bị bẻ gãy và phản ứng không xảy ra.
Những hợp chất dễ cháy nhất, đó chính là hợp chất có chứa carbon và hidro, chúng dễ dàng kết hợp với oxy trong không khí để tạo CO2, nước và các chất khí khác.
Những chất cháy khác nhau sẽ bắt lửa và cháy ở những nhiệt độ khác nhau. Chúng cần một lượng nhiệt nhất định để có thể chuyển các chất từ dạng ban đầu thành dạng hơi, và thêm lượng nhiệt nữa để có thể bắt đầu phản ứng với oxy. Lượng nhiệt cần thiết phụ thuộc vào bản chất của phân tử tạo nên loại nhiên liệu đó. Người ta thường chia thành 2 ngưỡng nhiệt độ: một là piloted ignition temperature, là mức nhiệt độ cần thiết để biến nhiên liệu thành dạng khí có khả năng cháy khi gặp tia lửa điện. Và mức thứ hai, unpiloted ignition temperature, cao hơn rất nhiều so với mức một, ở nhiệt độ này, nhiên liệu sẽ lập tức cháy mà không cần đến tia lửa điện.
Kích cỡ của chất đốt cũng ảnh hưởng nhiều đến việc chúng cháy nhanh hay không. Một thân cây to sẽ có khả năng hấp thụ nhiều nhiệt hơn, sẽ cần lượng nhiệt lớn hơn để đốt cháy chúng. Ngược lại, một mẩu gỗ cỡ que diêm sẽ cháy dễ dàng vì chúng được làm nóng lên rất nhanh.
Lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy các loại nhiên liệu cũng phụ thuộc nhiều vào lượng năng lượng chúng toả ra và tốc độ cháy của chúng. Cả hai yếu tố này, đều phụ thuộc nhiều vào cấu tạo của loại chất đốt. Một vài hợp chất phản ứng với oxy rất nhanh và mạnh, chúng toả ra một lượng nhiệt lớn. Với một vài loại khác, thì lại chỉ toả ra lượng nhiệt nhỏ. Tương tự, tốc độ phản ứng của chất đốt với oxy có thể nhanh hoặc chậm, như trong ví dụ về than củi ở trên.
Hình dạng của loại chất đốt cũng làm ảnh hưởng đến tốc độ cháy. Những mảnh mỏng sẽ cháy nhanh hơn những mảnh lớn do diện tích tiếp xúc của chúng với oxy lớn hơn. Ví dụ, một mảnh gỗ dẹt, hoặc một tờ giấy sẽ cháy nhanh hơn một khối gỗ có cùng khối lượng, do mảnh gỗ và tờ giấy có diện tích tiếp xúc với không khí lớn hơn.
Và từ đó, bạn có thể thấy, lửa từ những loại nhiên liệu khác nhau, giống như những loài vật khác nhau vậy, chúng có những đặc điểm khác nhau. Dựa vào đó, các chuyên gia có thể xác định được ngọn lửa bắt nguồn như thế nào khi quan sát chúng và xem chúng ảnh hưởng sang môi trường xung quanh như thế nào. Ngọn lửa từ những loại nhiên liệu dễ cháy sẽ gây tác hại nhiều hơn so với loại nhiên liệu cháy chậm và toả ít nhiệt năng.