Il processo di combustione.

La combustione è una reazione di ossidazione incontrollata che avviene velocemente e con forte sviluppo di energia termica (reazione esotermica) e luce e può essere semplicemente rappresentata in modo schematico, da un triangolo i cui lati sono costituiti dai tre elementi necessari affinché essa possa svilupparsi; quindi, in assenza di uno di essi non si ottiene una combustione e tale considerazione è alla base dei sistemi di spegnimento degli incendi.

Una definizione più precisa conduce ad affermare che l’incendio è la risultante della combinazione di quattro elementi essenziali che devono contemporaneamente concorrere affinché esso si verifichi:

  • il combustibile che è il materiale in grado di combinarsi chimicamente con l’ossigeno (o altra sostanza) con emissione di energia termica;
  • il comburente che è la sostanza che alimenta la combustione mediante ossidazione del combustibile;
  • una sorgente che rilascia un adeguato valore di energia termica e che è in grado di dare avvio al processo di combustione (raggiungimento della temperatura di ignizione del combustibile); ad esempio, un fiammifero di legno, o la fiamma di una candela, sono in grado di rilasciare nell’ambiente una potenza termica di circa 80 W;
  • la formazione o liberazione di gruppi atomici chimicamente attivi (radicali) capaci di produrre reazioni a catena (ossidazione).

Quando la combustione ha inizio, generalmente, il combustibile si trova allo stato gassoso (gas di pirolisi) oppure, se è allo stato liquido, ha raggiunto una temperatura tale da emettere vapori infiammabili (temperatura di infiammabilità) che, mescolandosi al comburente (l’ossigeno è una sostanza comburente che è contenuta in aria con una percentuale in volume pari al 21%) in determinate concentrazioni (campo di infiammabilità), danno luogo a miscele combustibili che in presenza di una adeguata energia di innesco avviano la combustione.

In relazione alla velocità che regola il processo, si può avere:

  • una normale combustione quando l’ossidazione non è molto rapida;
  • una deflagrazione, quando l’ossidazione procede velocemente (velocità del fronte di propagazione della fiamma di alcune decine di m/s);
  • una detonazione se il processo è praticamente istantaneo (velocità supersonica del fronte di propagazione della fiamma di alcune migliaia di m/s).

La velocità di ossidazione, che dipende dalla velocità di vaporizzazione con cui si forma il combustibile, costituisce l’elemento determinante e caratterizzante del fenomeno poiché da essa dipendono,la velocità di decomposizione e la successiva combinazione dei prodotti ottenuti, nonché l’energia termica sviluppata.

Aria teorica di combustione

Per ottenere il massimo rilascio di energia termica da un materiale combustibile è necessario che la sua combustione sia completa (stechiometrica); infatti, in caso contrario, la reazione si arresterà ad uno stadio intermedio originando una limitata energia termica e vari composti chimici intermedi.

Per determinare la massa d’aria termica richiesta per la combustione completa di un materia occorre esaminare le reazioni chimiche di ossidazione del carbonio e dell’idrogeno in quanto essi sono contenuti in quasi tutte le sostanze combustibili.

Reazione di ossidazione del carbonio:Reazione di ossidazione dell’idrogeno (formazione del vapore acqueo)

Quindi, per ogni 12 g di carbonio (1 mole) e 4 g di idrogeno (2 moli), sono necessari 22,4 litri (volume occupato a 0°C da una mole) di ossigeno per una combustione completa; inoltre, tenuto conto che l’ossigeno è contenuto in aria con una percentuale di circa il 21%, si ottiene che il volume Varia di aria necessario per la combustione è legato a quello Vo2 dell’ossigeno dalla relazione:

Si ribadisce che per ottenere il massimo rilascio di energia termica dalla combustione di una sostanza combustibile è necessario che essa sia completa; infatti, in caso contrario, si ha:

  • in presenza di difetto d’aria si forma monossido di carbonio anziché anidride carbonica e non tutta l’energia termica disponibile viene liberata durante la combustione;
  • in presenza di eccesso d’aria si sviluppa la massima energia termica possibile durante la combustione ma si ottengono temperature inferiori in quanto essa si distribuisce su una massa d’aria più grande.

Si coglie l’occasione per rappresentare, per completezza di informazione, che il processo di combustione progredisce con molta facilità se l’aria comburente si arricchisce di ossigeno (concentrazione volumetrica percentuale nell’ambiente maggiore del 21%); al riguardo, è stato osservato che nei gas combustibili:

  • il campo di infiammabilità diventa più ampio in quanto aumenta il limite superiore di infiammabilità;
  • la velocità del fronte di propagazione della fiamma cresce di circa dieci volte;
  • la temperatura di ignizione diminuisce.

Nelle suddette condizioni, anche i solidi combustibili hanno un comportamento pressoché similare; al riguardo, per valori della concentrazione volumetrica percentuale di ossigeno presente nell’aria comburente superiori al 25-30% si verifica che:

  1. il processo di combustione ha inizio con maggiore facilità;
  2. materiali inizialmente incombustibili possono diventare combustibili;
  3. il valore della velocità di combustione aumenta sensibilmente (da dieci a cento volte maggiore di quello che si ha con una concentrazione volumetrica percentuale del 21%);
  4. in un ambiente chiuso, a parità di altre condizioni, vengono raggiunti valori più elevati di temperatura.

Le predette considerazioni acquistano molta importanza quando la combustione si sviluppa all’interno di particolari ambienti (ad esempio, all’interno di camere iperbartiche).