In parole povere, combustione significa bruciare. Affinché il processo di combustione abbia luogo, sono necessari carburante, ossigeno e una fonte di calore di accensione per avviare una reazione chimica a catena; in un falò, ad esempio, il legno è il combustibile, l’aria circostante fornisce l’ossigeno e un fiammifero o un accendino possono accendere il fuoco. L’aumento di uno di questi elementi aumenterà l’intensità del fuoco, mentre l’eliminazione di uno di essi causerà l’arresto del processo. Se il fuoco viene soffocato con acqua o sporcizia, ad esempio, l’ossigeno non può più raggiungere il calore e il carburante e si spegne.
Carburante
Il carburante è la sostanza che brucia durante il processo di combustione. Tutti i combustibili contengono energia potenziale chimica; questa è la quantità di energia che verrà rilasciata durante una reazione chimica. Quanta energia rilascia una sostanza mentre brucia è chiamata calore di combustione. Ogni combustibile ha una specifica densità di energia, ovvero quanti megajoule (MJ) di energia vengono prodotti per chilogrammo (kg) di sostanza; il metano, ad esempio, ha una densità energetica di 55.5 MJ/kg, il che significa che può fornire più energia dello zolfo a 9.16 MJ/kg.
Un’ampia varietà di sostanze può essere utilizzata come combustibile, ma gli idrocarburi sono tra i più comuni. Questi includono metano, propano, benzina e carburante per aerei, solo per citarne alcuni; tutti i combustibili fossili, inclusi carbone e gas naturale, sono idrocarburi. Altre sostanze comunemente usate come combustibili includono idrogeno, alcol e biocarburanti, come il legno.
Durante la combustione, il carburante viene trasformato in calore e scarico. Quando la benzina brucia, ad esempio, produce acqua (vapore), anidride carbonica, azoto, monossido di carbonio e altri elementi. La combustione può anche rilasciare particolati, che sono minuscole particelle che galleggiano nell’aria; quelli rilasciati dalla combustione di combustibili fossili e legno spesso contribuiscono all’inquinamento atmosferico. Tuttavia, lo scarico può essere utilizzato per scopi benefici, come fornire la spinta che spinge un razzo in aria. La maggior parte dei gas di scarico è sotto forma di gas a causa del calore prodotto dal processo di combustione, ma può anche essere in forma liquida o solida.
Ossigeno
Affinché il carburante possa bruciare nel processo di combustione, deve anche contenere ossigeno. La fonte più comune è l’aria, che contiene circa il 21% di ossigeno. Altre fonti, spesso note come ossidanti o agenti ossidanti, includono perossido di idrogeno, nitrato di potassio e molte altre. Quando un agente ossidante viene introdotto in un combustibile, rilascia ossigeno e può aumentare la velocità con cui il fuoco brucia.
Come il carburante, l’ossigeno non deve essere sotto forma di gas, anche se è molto comune. In un razzo solido, ad esempio, un ossidante solido viene miscelato con il carburante per creare il propellente, che brucia quando viene acceso e spinge il razzo in avanti. La navetta spaziale e altri veicoli spaziali utilizzano l’ossigeno liquido come parte del processo di combustione.
Quando un fuoco non ha abbastanza ossigeno, non brucia completamente. Questa combustione incompleta produce monossido di carbonio, carbonio (fuliggine) e altri particolati che contaminano l’aria. La combustione incompleta in un caminetto o in una fornace di una casa può rilasciare gas tossici ed essere molto pericolosa.
calore
Il calore o l’accensione è ciò che avvia il processo di combustione. Poiché il calore viene prodotto anche quando qualcosa brucia, una volta avviato il processo, non è sempre necessario ulteriore calore per mantenere attiva la reazione chimica a catena. La scintilla iniziale che innesca il processo chimico può essere fornita da una fiamma, dall’attrito o persino dal calore del sole.
In caso di combustione spontanea, fermentazione o ossidazione possono creare calore sufficiente per accendere un incendio. In un cumulo di compost, ad esempio, i batteri possono iniziare a scomporre i composti organici, creando abbastanza calore e ossigeno per provocare la combustione. Alcuni materiali, chiamati sostanze piroforiche, si infiammano se esposti all’aria o all’acqua; fosforo e plutonio sono due esempi. Quando questi materiali incontrano una fonte di carburante, possono innescare un incendio molto difficile da spegnere.
Controllo del processo di combustione
Poiché tutte e tre le parti sono necessarie per la combustione, l’aumento o la diminuzione di una di esse influenzerà il processo. L’aumento della quantità di ossigeno aggiunto a un incendio utilizzando un agente ossidante, ad esempio, farà bruciare il fuoco più velocemente. La rimozione o la riduzione della fonte di carburante la farà bruciare più piccola o si estinguerà.
Ci sono tre modi fondamentali per fermare il processo di combustione:
porta via il carburante,
togliere l’ossigeno,
e/o togliere il calore.
La combustione può essere interrotta anche arrestando la reazione chimica a catena che crea le fiamme. Ciò è particolarmente importante quando alcuni metalli, come il magnesio, bruciano perché l’aggiunta di acqua al fuoco lo renderà solo più forte. In tali casi, vengono utilizzati prodotti chimici secchi o alometani per fermare la reazione.
Quale di questi è il modo migliore per spegnere un incendio dipende dal tipo e dalle dimensioni dell’incendio. In un incendio domestico, ad esempio, i vigili del fuoco usano acqua o schiuma per impedire all’ossigeno di raggiungere il carburante e per ridurre la temperatura. Mentre l’acqua può essere utilizzata in una foresta o in un incendio boschivo, rimuovere nuovo combustibile per il fuoco rimuovendo i cespugli e la vegetazione morta dall’area è spesso una parte importante per fermarlo.