Τι συμβαίνει στο ξύλο όταν καίγεται;

Με απλά λόγια, όταν το ξύλο έρχεται σε επαφή με τη φωτιά, υφίσταται θερμική αποικοδόμηση ή πυρόλυση. Η πυρόλυση του ξύλου οδηγεί στην απελευθέρωση ορισμένων πτητικών αερίων και στο σχηματισμό ξυλάνθρακα, η οποία τελικά υφίσταται αντιδράσεις φλόγας και πυρακτώσεως, αντίστοιχα, για την απελευθέρωση της θερμικής ενέργειας.

Εάν είστε το περιπετειώδες είδος ψυχής που του αρέσει το κάμπινγκ στη ζούγκλα, τότε ίσως να έχετε επίσης απολαύσει το να κάθεστε γύρω από μια φωτιά, απολαμβάνοντας τη γλυκιά καλοσύνη του s'mores. Αν ακούγεται σαν εσάς, τότε θα πρέπει να είστε ευγνώμονες για το ξύλο που έπρεπε να καεί για να απολαύσετε τη λιχουδιά.

(Φωτογραφία:pixabay)

Όλοι γνωρίζουμε τι συμβαίνει όταν το ξύλο αναμειγνύεται με τη φωτιά. Θα παράγει πρώτα λίγο καπνό και στη συνέχεια θα φουσκώσει με αποχρώσεις του πορτοκαλί και του κόκκινου. Η στοίβα της λαμπερής χόβολης τελικά σβήνει για να σχηματίσει ένα σωρό από ψυχρές γκρι στάχτες.

Όλα αυτά παρατηρούμε σε επιφανειακό επίπεδο, αλλά έχετε σκεφτεί τι συμβαίνει στο μοριακό επίπεδο του ξύλου κατά τη διάρκεια του πύρινου άκρου του;

Σύνθεση ξύλου

Η χημική σύνθεση του ξύλου ποικίλλει ανάλογα με το μέρος, τον τύπο και τη θέση του δέντρου από το οποίο προέρχεται το ξύλο. Ωστόσο, σε γενικές γραμμές, το ξύλο περιλαμβάνει δύο βασικά χημικά συστατικά:λιγνίνη (18-35%) και υδατάνθρακες (65-75%). Οι υδατάνθρακες όπως η κυτταρίνη (40-50%) και η ημικυτταρίνη (25-35%) συμβάλλουν στην πλειονότητα της σύνθεσης του ξύλου.

Χημική Σύνθεση του ξύλου.

Εκτός από αυτά τα πολύπλοκα μόρια, το ξύλο μπορεί επίσης να περιέχει ανόργανες ουσίες (στάχτη) και οργανικά εκχυλιστικά συστατικά (φαινολικές ενώσεις, λίπη, κεριά, τερπένια και τερπενοειδή).

Με λίγα λόγια, το ξύλο έχει μια στοιχειώδη σύνθεση από περίπου 50% άνθρακα, 6% υδρογόνο, 44% οξυγόνο και ίχνη μεταλλικών ιόντων. Σχεδόν όλα τα είδη ξύλου έχουν περίπου την ίδια στοιχειώδη σύνθεση.

Τι συμβαίνει όταν καίγονται τα ξύλα;

Όταν ανάβεις ξύλα στη φωτιά, καίγονται έμμεσα. Δηλαδή, υφίσταται μια αντίδραση καύσης, αντί να καίγεται. Δεν έχει νόημα, έτσι δεν είναι; Ποια είναι λοιπόν η διαφορά μεταξύ καύσης και καύσης;

Για να πραγματοποιηθεί η καύση, ένα καύσιμο όπως το ξύλο πρέπει να οξειδωθεί για να απελευθερώσει ενέργεια με τη μορφή θερμότητας, αλλά χωρίς φλόγες. Ενώ στην καύση (που είναι ένα είδος καύσης), η ενέργεια που απελευθερώνεται έχει τη μορφή φωτός (φλόγα). Δεδομένου ότι η περισσότερη ενέργεια μετατρέπεται σε φως, η ποσότητα της θερμότητας που παράγεται είναι συγκριτικά μικρότερη από αυτή που παράγεται κατά την καύση.

Με απλά λόγια, όταν το ξύλο έρχεται σε επαφή με τη φωτιά, υφίσταται θερμική αποικοδόμηση ή πυρόλυση.

Πυρόλυση ξύλου

Η πυρόλυση παίζει σημαντικό ρόλο στην καύση του ξύλου. Είναι μια διαδικασία θερμικής αποσύνθεσης οργανικής ύλης υπό αδρανή ατμόσφαιρα ή απουσία οξυγόνου. Η πυρόλυση του ξύλου οδηγεί στην απελευθέρωση ορισμένων πτητικών αερίων και στο σχηματισμό ξυλάνθρακα, η οποία τελικά υφίσταται αντιδράσεις φλόγας και πυρακτώσεως, αντίστοιχα, για την απελευθέρωση της θερμικής ενέργειας. Ως σύνθετη χημική αντίδραση, η πυρόλυση του ξύλου λαμβάνει χώρα σε τρία κύρια στάδια.

Στάδιο 1

Για να ξεκινήσει η καύση του ξύλου, μια πηγή θερμότητας έρχεται σε επαφή με το ξύλο παρουσία αέρα. Αυτό προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας μιας περιοχής στο ξύλο. Καθώς η θερμοκρασία του ξύλου φτάνει τους 100°C, το νερό στο ξύλο αρχίζει να βράζει και να εξατμίζεται. Όπως ίσως γνωρίζετε, είναι δύσκολο να καείτε ξύλα με υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία. Επομένως, η αφυδάτωση του ξύλου είναι απαραίτητη για να ξεκινήσει η καύση. Περίπου στους 160°C, η αφυδάτωση έχει ολοκληρωθεί.

Η καύση του ξύλου απελευθερώνει αέρια όπως διοξείδιο του άνθρακα μαζί με υδρατμούς (Φωτογραφία :Nasky/Shutterstock)

Η ημικυτταρίνη στο ξύλο αρχίζει να αποσυντίθεται μεταξύ του εύρους θερμοκρασίας από 200°C έως 280°C. Η αποσύνθεση προκαλεί την παραγωγή αερίων, όπως διοξείδιο του άνθρακα, μονοξείδιο του άνθρακα, οξικό και μυρμηκικό οξύ.

Τα αέρια που απελευθερώνονται κατά το πρώτο στάδιο, δεν πιάνουν φωτιά μέχρι να εξατμιστεί τελείως η υγρασία και η θερμοκρασία είναι αρκετά υψηλή.

Στάδιο 2

Το δεύτερο στάδιο της καύσης του ξύλου είναι ένα στάδιο παραγωγής θερμότητας. Ξεκινά όταν η θερμοκρασία του ξύλου είναι πάνω από 280°C. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου, απελευθερώνεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας, μαζί με άκαυστα αέρια όπως μεθάνιο και μεθανόλη, υδρατμοί και διοξείδιο του άνθρακα. Αυτά τα αέρια ονομάζονται δευτερεύοντα αέρια και αποτελούν περίπου το 60% της πιθανής θερμότητας στο ξύλο. Η καύση αυτών των αερίων είναι σημαντική για την αποτελεσματική καύση ξύλου.

Σε αυτό το στάδιο, η κυτταρίνη αρχίζει να αποσυντίθεται και φτάνει στο μέγιστο περίπου στους 320°C. Η αποσύνθεση της κυτταρίνης οδηγεί σε σχηματισμό απανθράκωσης, πίσσας και πτητικών προϊόντων.

Στάδιο 3

Σε θερμοκρασίες άνω των 320°C, ο ρυθμός αποσύνθεσης της λιγνίνης εντείνεται. Σε αυτό το σημείο της καύσης του ξύλου, όλα τα αέρια προϊόντα εξατμίζονται. Το αέριο αναμιγνύεται με τον αέρα για να κρυώσει και να σχηματίσει καπνό ή να πάρει φωτιά για να καεί στις φλόγες. Το μόνο στερεό προϊόν της πυρόλυσης του ξύλου είναι οι αλυσίδες άνθρακα από μόρια κυτταρίνης και λιγνίνης που μένουν πίσω ως κάρβουνο. Περίπου το 20-30% του βάρους του ξύλου μετατρέπεται σε κάρβουνο.

Μια στοίβα από λαμπερά κάρβουνα (Φωτογραφία :Buncha Lim/Shutterstock)

Το κρεβάτι με κάρβουνο συνεχίζει να καίει για μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά με χαμηλή απόδοση θερμότητας. Το λαμπερό κάρβουνο θα ακτινοβολήσει την ενέργειά του και θα δροσιστεί απουσία οξυγόνου. Ωστόσο, όπως γνωρίζουμε, το να φυσάει αέρας στο λαμπερό κάρβουνο κάνει να καεί πιο φωτεινό και να εξαπλώσει τη φωτιά. Ως εκ τούτου, η φωτιά μπορεί να αναζωπυρωθεί παρέχοντας νέο οξυγόνο στο κρεβάτι με κάρβουνο και προσθέτοντας περισσότερα ξύλα.

Ένα μικρό ποσοστό ξύλου που δεν κάηκε, γνωστό ως στάχτη, μένει πίσω αφού αφαιρεθούν όλα τα εύφλεκτα προϊόντα. Η τέφρα του ξύλου περιέχει ανθρακικό κάλιο, το οποίο δρα ως καλό λίπασμα του εδάφους.

Συμπέρασμα

Μέχρι τώρα, μπορεί να θεωρούσατε ότι η καύση του ξύλου είναι μια απλή διαδικασία όπου η φωτιά καίει κάθε μόριο που έρχεται στο δρόμο της, αλλά νομίζω ότι είναι προφανές ότι τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά όσο φαίνονται!

Όταν το ξύλο έρχεται σε επαφή με τη φωτιά, προκαλεί μια σειρά από πολύπλοκες χημικές αντιδράσεις. Η καύση του ξύλου έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα, υδρατμών και διαφόρων αέριων προϊόντων, καθώς και το σχηματισμό μαύρων στερεών υπολειμμάτων όπως κάρβουνο και τέφρα.