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Flamme und Datei:GA 343a 5.10.1921 Tafel 11.jpg: Unterschied zwischen den Seiten

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(Wandtafelzeichnung zu GA 343a, Vortrag vom 5. Oktober 1921 (Tafel 11))
 
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[[Datei:Flamme.jpg|miniatur|Rußende Flamme]]
Wandtafelzeichnung zu [[GA 343a]], Vortrag vom 5. Oktober 1921 (Tafel 11)
[[Datei:Kerzenflamme im plattenkondensator.ogv|miniatur|Eine Kerzenflamme im [[w:Plattenkondensator|Plattenkondensator]], der abwechselnd auf 25 kV Spannung aufgeladen und anschließend wieder entladen wurde. Die Flamme verformt sich im [[Elektrisches Feld|elektrischen Feld]], da sie ein [[Plasma (Physik)|Plasma]] ist und somit freie Ladungsträger enthält, die auf ein elektrisches Feld reagieren.]]
[[Datei:Dimethylamin flame.jpg|mini|Dimethylamin-Sauerstoff-Flamme bei verschiedenen Brennstoff/Oxidator-Verhältnissen stabilisiert im Niederdruck bei 40 mbar]]
Als '''Flamme''' wird der Bereich [[Verbrennung (Chemie)|brennender]] oder anderweitig [[Exotherme Reaktion|exotherm]] [[Chemische Reaktion|reagierender]] Gase und Dämpfe bezeichnet, in dem [[Licht]] [[Wikipedia:Spontane Emission|emittiert]] wird.
 
== Vorgang ==
Die bei einer [[Chemische Reaktion|Reaktion]] freigesetzte Strahlung wird durch die Lichtemission der Molekülbanden und das [[Linienspektrum|atomare Linienspektrum]] der an der Verbrennung beteiligten Moleküle und Atome sowie durch [[Festkörper|Feststoffpartikel]] und [[Aerosol]]e hervorgerufen. Feststoffpartikel wie Ruß oder Asche emittieren ein Strahlungsspektrum, das dem eines [[Schwarzer Körper|schwarzen Strahlers]] bei der Flammentemperatur entspricht. Soweit feste Partikel in der Flamme enthalten sind, überwiegt deren thermische Strahlung.
 
Bei den meisten technischen Anwendungen ist mit dem Begriff „Flamme“ die sichtbare Reaktion eines [[Brennstoff]]s mit dem [[Oxidation|oxidierenden]] [[Sauerstoff]] gemeint. Der Reaktionsbereich umfasst die Vorwärmzone, die Reaktionszone und die Gleichgewichtszone. Die Flamme bildet sich aus der Reaktionszone heraus. Dies führt meistens zu einem intensiven Leuchten, das den Reaktionsbereich scharf abgrenzt (''Flammfront'') und verschiedene Farbtöne annehmen kann. Ein bedeutsamer Anteil an der Flammenfärbung wird durch verschiedene Bestandteile in der Reaktionszone hervorgerufen:
 
* gelb bis orange: durch (glühende) Rußteilchen (Größenordnung einige 10 nm). Ihr Emissionsspektrum entspricht annähernd dem eines [[Schwarzer Körper|Schwarzen Strahlers]]
* blau: durch angeregte CO<sub>2</sub>-, CH-[[Radikale (Chemie)|Radikale]]
* türkis: durch C<sub>2</sub>-Moleküle.
 
== Begriffe ==
{{WikipediaDE|Flammenfärbung}}
 
Dagegen strahlen die Reaktionsprodukte der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen ([[Kohlendioxid|CO<sub>2</sub>]] und [[Wasser|H<sub>2</sub>O]]) eher im (nicht sichtbaren) [[Infrarotstrahlung|infraroten]] Spektralbereich. Sind in der Flamme eingebrachte Verunreinigungen vorhanden, kommt es zu intensiven [[Flammenfärbung]]en, deren Farbton von den Inhalten abhängt. Hier trägt hauptsächlich die Strahlung energetisch tief liegender Resonanzübergänge (erster angeregter Zustand) zum Flammenleuchten bei. Eine besonders einfache Farbänderung ins Gelbe lässt sich durch den Natriumanteil im [[Natriumchlorid|Kochsalz]] erreichen. Angewendet wird diese Möglichkeit bei [[Feuerwerkskörper]]n, die in allen Farben des [[Farbkreis]]es reagieren.
 
== Charakterisierung ==
Es gibt mehrere Möglichkeiten, eine Flamme zu charakterisieren. Dazu gehört die Art der Strömung ([[Laminare Strömung|laminar]] oder [[Turbulente Strömung|turbulent]]),<ref>Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W.&nbsp;Dibble: [http://www.springer.com/de/book/9783540421283 ''Verbrennung – Physikalisch-Chemische Grundlagen, Modellierung und Simulation, Experimente, Schadstoffentstehung.''] Springer, Berlin/Heidelberg 2001, ISBN 978-3-540-42128-3, {{DOI|10.1007/978-3-642-56451-2}}.</ref> das Verhältnis von Brennstoff und Oxidator und, ob diese schon vor der Verbrennung gemischt oder nicht-gemischt vorliegen.
 
So liegt bei „vorgemischten Flammen“ schon ein [[Homogenität|homogenes]] Gemisch an Brennstoff und Oxidator vor, bevor der Verbrennungsprozess stattfindet (beispielsweise [[Lötlampe]] und [[Ottomotor]]). Bei „nicht-vorgemischten Flammen“ treffen [[Brennstoff]] und [[Oxidationsmittel]] erst in der Reaktionszone aufeinander und reagieren dort miteinander. Der Verbrennungsprozess findet hierbei an der Grenzfläche statt, an der sich die Gase mischen (beispielsweise [[Kerze]], Lagerfeuer, [[Flugzeugturbine]] und Druckzerstäuber-[[Ölbrenner]]).
 
Darüber hinaus kann man eine Flamme über ihr Brennstoff-Oxidator-Verhältnis beschreiben. Flammen mit einem Brennstoffüberschuss werden als „fette“ Flammen bezeichnet, während Flammen mit Oxidatorüberschuss „magere“ Flammen sind. Eine präzisere Angabe darüber, welche Mischung vorliegt, erfolgt über das Äquivalenzverhältnis&nbsp;Φ (chemische Bezeichnung) oder die [[Verbrennungsluftverhältnis|Luftzahl]]&nbsp;λ (technische Bezeichnung).
 
* Als ''Reduktionsflamme'' (''leuchtende Flamme'') wird eine Flamme mit niedrigem Sauerstoffanteil bezeichnet. Bei der [[Pyrolyse|pyrolytischen]] Verbrennungsreaktion werden aus den [[Kohlenwasserstoffe|Kohlenwasserstoff]][[molekül]]en CH-[[Radikale (Chemie)|Radikale]] gebildet<ref>Krzysztof Adam Grabinski: ''Experimental and numerical kinetic study on charged and excited species in oxyfuel combustion for CO2 capture'', Norwegian University of Science and Technology, 2016, [https://brage.bibsys.no/xmlui/handle/11250/2411561?show=full (Volltext)] </ref>. Diese reagieren (neben anderen Reaktionen) mit gebildeten Sauerstoff-Radikalen zu Wasserdampf weiter. Aufgrund des Sauerstoffmangels ([[Verbrennungsluftverhältnis]] <math>\lambda < 1</math>) werden vermehrt [[Kohlenstoffmonoxid]] und elementarer [[Kohlenstoff]] in Form von [[Ruß]] gebildet; beide können in der Hitze durch Sauerstoffaufnahme oxidiert werden. Die Flamme wirkt [[Reduktion (Chemie)|reduzierend]], in die Flamme gehaltene sauerstoffabgebende Substanzen werden dabei reduziert (siehe dazu auch [[Boraxperle]]). Die [[Emissivität]] des Rußes ist für das intensive Leuchten der Flamme verantwortlich, für dessen ''gelbe'' Farbe die relativ niedrige Verbrennungstemperatur (etwa 1.000–1.200 °C). Der Ruß aus solchen Abgasen kann die Innenwände von [[Schornstein]]en berußen oder bei intensiven Gebrauch von Kerzen und [[Öllampe]]n die Zimmerdecke verrußen.
* ''Oxidationsflammen'' enthalten Sauerstoff im Überschuss. Bei der Verbrennungsreaktion wird der gebundene Kohlenstoff der Kohlenwasserstoffe (aus C-C und C-H Bindungen) zu [[Kohlenstoffoxide]]n [[Oxidation|oxidiert]]. Oxidationsflammen sind heißer als Reduktionsflammen. Wegen des geringen Rußanteils leuchten sie nur schwach und weisen aufgrund von [[Chemilumineszenz]]<ref>Johannes Eichmeier: ''Kombinierte Verbrennung brennraumintern gemischter Kraftstoffe mit unterschiedlichen Zündwilligkeiten untersucht am Beispiel von Diesel und Benzin.'' Logos Verlag Berlin GmbH, 2012, ISBN 978-3-832-53172-0, S.&nbsp;59 ({{Google Buch|BuchID=gpL0wbrBzgoC|Seite=59}}).</ref> ''blaue'' Flammfronten auf (Chemilumineszenz von CH-Radikalen nahe 314, 390 und 431 nm, von OH-Radikalen mit einem Peak nahe 309 nm<ref>Maurizio De Leo, Alexei Saveliev, Lawrence A. Kennedy, Serguei A.Zelepouga: ''OH and CH luminescence in opposed flow methane oxy-flames. Another important sources of chemiluminescence;'', 2007, zitiert bei Krzysztof Adam Grabinski: ''Experimental and numerical kinetic study on charged and excited species in oxyfuel combustion for CO2 capture'', Norwegian University of Science and Technology, 2016, Seite 14 [https://brage.bibsys.no/xmlui/handle/11250/2411561?show=full (Volltext)]</ref>, von CO<sub>2</sub>-Radikalen um 415 nm <ref>Madleine M. Kopp, Olivier Mathieu, Eric L. Petersen: ''Rate Determination of the CO2* Chemiluminescence Reaction CO + O + M <--> CO2* + M'', 2014, zitiert bei Krzysztof Adam Grabinski: ''Experimental and numerical kinetic study on charged and excited species in oxyfuel combustion for CO2 capture'', Norwegian University of Science and Technology, 2016, Seite 14 [https://brage.bibsys.no/xmlui/handle/11250/2411561?show=full (Volltext)]</ref> und C<sub>2</sub> nahe 510 nm<ref>Eric Petersen, Madleine Kopp, Nicole Donato: ''Assessment of Current Chemiluminescence Kinetics Models at Engine Conditions'', 2011, zitiert bei Krzysztof Adam Grabinski: ''Experimental and numerical kinetic study on charged and excited species in oxyfuel combustion for CO2 capture'', Norwegian University of Science and Technology, 2016, Seite 14 [https://brage.bibsys.no/xmlui/handle/11250/2411561?show=full (Volltext)]</ref>).
[[Datei:Electromagnetic spectrum -de c.svg|mini|800px|zentriert]]
 
{{Anker|Stichflamme}}Eine ''Stichflamme'' entsteht, sobald sich ein oxidationsfähiges, unter Druck stehendes Gasgemisch plötzlich mit Sauerstoff verbinden kann. Dabei muss die Aktivierungsenergie dieser Reaktion durch eine äußere Zündquelle erreicht werden, insbesondere, wenn die Zündtemperatur des jeweiligen Reaktionsgemisches überschritten wird.
 
== Trivia ==
* Die bisher heißeste Flamme entsteht bei einer Reaktion von [[Dicyanoethin]] und [[Ozon]] bei 40&nbsp;bar [[Druck (Physik)|Druck]] und erreicht eine [[Flammentemperatur]] von etwa 6000&nbsp;°C. Die theoretischen Verbrennungstemperaturen von Kohlenwasserstoffen mit [[Luft]] liegen um 2000&nbsp;°C. Solche bei Idealbedingungen möglichen Temperaturen werden in alltäglichen Flammen bei weitem nicht erreicht, da sich das Gas bei der Verbrennung durch die Strahlungsemission abkühlt. Sehr heiße Flammen treten auch bei den [[Trägerrakete]]n für [[Satellit (Raumfahrt)|Weltraumsatelliten]] aus.
 
* Die abgeleitete Bedeutung „Flamme“ wird seit dem 18.&nbsp;Jahrhundert [[Metapher|metaphorisch]] für ein Mädchen genutzt, in das man verliebt und für welches man also entflammt ist. Vergleiche dazu auch den Liedtext ''Kein Feuer, keine Kohle kann brennen so heiß, // Als heimlich stille Liebe, von der niemand nichts weiß.'' (Volkslied, 18.&nbsp;Jahrhundert.)
 
== Siehe auch ==
* {{WikipediaDE|Flamme}}
* {{WikipediaDE|Feuer}}
* {{WikipediaDE|Feuerung}}
* {{WikipediaDE|Kirchhoffsches Strahlungsgesetz}}
* {{WikipediaDE|Vormischflamme}}
* {{WikipediaDE|Diffusionsflamme}}
* flammenlose Verbrennung in einem [[Wikipedia:Porenbrenner|Porenbrenner]]
 
== Weblinks ==
{{Wikiquote|Flamme}}
{{Wiktionary|Flamme}}
* Norbert Peters: [https://www.itv.rwth-aachen.de/fileadmin/LehreSeminar/TechnischeVerbrennung/Technische_Verbrennung_Diplom.pdf Technische Verbrennung] – Vorlesungsumdruck, RWTH Aachen (PDF; 3,6&nbsp;MB)
 
== Einzelnachweise ==
<references />
 
{{Normdaten|TYP=s|GND=4154542-4}}
 
[[Kategorie:Artikel mit Video]]
[[Kategorie:Verbrennung]]
[[Kategorie:Brand]]
[[Kategorie:Feuer]]
 
{{Wikipedia}}

Version vom 11. August 2017, 14:04 Uhr

Wandtafelzeichnung zu GA 343a, Vortrag vom 5. Oktober 1921 (Tafel 11)