TERMODYNAMIKA.

Termodynamika to dział fizyki zajmujący się opisem zmiany ciepła na inne postacie energii i odwrotnie. Dostarcza podstaw teoretycznych do badania sprawności silników, takich jak np.: silniki parowe lub spalinowe.

Trzy podstawowe zasady termodynamiki można wyrazić jako:

I zasada termodynamiki;

• energia nie może powstawać ani zanikać, a energia cieplna i mechaniczna mogą się nawzajem przekształcać;

II zasada termodynamiki:

• bez dodatkowej pracy niemożliwe jest przekazanie ciepła od ciała zimnego do ciepłego

III zasada termodynamiki:

• nie jest możliwe doprowadzenie żadnego układu do temperatury zera bezwzględnego w procesie o skończonej liczbie kroków (również wyidealizowanego). Ciepło jest postacią energii równoważną energii kinetycznej (energii ruchu) drgających atomów lub cząsteczek substancji w temperaturze zera bezwzględnego.

W temperaturze zera bezwzględnego ruch zamiera i jest to jeden z wniosków, płynących z III zasady termodynamiki.

Istnieje również zerowa zasada termodynamiki mówiąca że jeżeli dwa układy są w równowadze termicznej z trzecim to są we wzajemnej równowadze.

Entropia.

Termodynamika wprowadza jeszcze jedną wielkość zwaną entropią.

W układach posiadających energię cieplną, entropia jest miarą niedostępności tej energii do zamiany na pracę mechaniczną. Jeżeli entropia wzrasta, mniej energii może być zamieniona na pracę. Lecz, podobnie jak w przypadku energii cieplnej, entropia maleje z temperaturą i III zasada termodynamiki mówi że w temperaturze zera bezwzględnego entropia kryształu idealnego wynosi zero.

Zero bezwzględne - najniższa możliwa teoretycznie temperatura,

zero Kelvinów (0^o K) jest równoważna - 273, 15^oC; w tej temperaturze cząsteczki są w bezruchu.

Integralny opis pożaru.

Scharakteryzowanie pożaru oznacza podanie wartości parametrów tego pożaru dla danej chwili czasu nas interesującego lub podać zależność tych parametrów od czasu.

Przy integralnym opisie pożaru wartości parametrów pożaru charakteryzują nam uśrednione po całej objętości lokalne war­tości tych parametrów. Inaczej mówiąc, jeżeli. używamy pojęcia temperatura pożaru to w tym, wypadku mamy na myśli uśrednioną po objętości pomieszczenia temperaturę gazów w typ pomieszczeniu. To samo dotyczy, takich parametrów jak: stężenie tlenu, stężenie produktów rozkładu i spalania, gęstości zadymienia.

Schemat integralnego opisu pożaru.

Integralny opis pożaru jest klasycznym opisem pożaru i podział na strefy w ramach tego opisu jest następujący:

Wyróżnia się strefę spalania, (na rysunku oznaczona I), strefę oddziaływania cieplnego (na rysunku oznaczoną II), oraz strefę zadymienia III, która w pomieszczeniu dla tego opisu, pokrywa się ze strefą oddziaływania cieplnego.

Strefowy /warstwy/ opis pożaru.

Rozdział na warstwy wewnątrz pomieszczenia wynika stąd, że ciepłe powietrze unosi się do góry tworząc strefę podsufitową lub inaczej mówiąc strefę zadymienia

Strefa ta charakteryzuje się tym że, jej temperatura jest wyższa niż powietrza przy podłodze, jej zadymienie i stężenie produktów rozkładu i spalania są tam największe. Mówiąc temperatura strefy podsufitowej lub stężenia toksycznych produktów rozkładu i spalania mamy na myśli uśrednioną temperaturę i średnie stężenia, z tym tylko że uśrednienie ma miejsce po objętości danej strefy. Nie uśredniamy po objętości całego pomieszczenia, ale po objętości danej strefy.

Schemat strefowego opisu pożaru.

Objętość pomieszczenia dzielimy na następujące strefy:

• strefa I lub inaczej mówiąc strefa spalania,

• strefa II - strefa konwekcyjna lub kolumna konwekcyjna;

• strefa III - strefa podsufitowa; strefa zadymienia;

• strefa IV - strefa oddziaływania promieniowania cieplnego.

Zasada zachowania energii i masy w warunkach pożarów.

Rozważmy zasadę zachowania energii opierając się na opisie integralnym. W wyniku spalania materiału palnego w ciągu jednostki czasu, w strefie spalania wydziela się pewna ilość ciepła. Zjawisko to charakteryzuje parametr zdefiniowany jako moc pożaru, lub szybkość wydzielania się ciepła. Jest to jeden z najistotniejszych parametrów pożaru. Szybkość wydzielania się ciepła determinuje rozwój pożaru i jest parametrem pierwotnym. Wszystkie pozostałe zjawiska mają charakter wtórny, ale te wtórne zjawiska jak np.: wymiana gazowa nie powstają bez wpływu na moc pożaru.

Ciepło wydzielone w czasie spalania można podzielić na następujące składniki opisane na rysunku.

Zasady zachowania energii w warunkach pożaru wewnętrznego.

q - ciepło wypromieniowane ze strefy spalania do otoczenia. W przypadku pożarów wewnętrznych strumień ten przechodząc przez strefę oddziaływania cieplnego może być częściowo pochłonięty przez gaz znajdujący się w tej strefie. Jeżeli strefa jest silnie zadymiona wówczas strumień ten jest pochłonięty całkowicie i idzie na podniesienie temperatury tego gazu. Silne pochłanianie ma miejsce również wówczas gdy w gazie jest dużo pary wodnej i dwutlenku węgla. W przeciwnym razie promieniowanie to dociera do przedmiotów znajdujących się w pomieszczeniu oraz do konstrukcji i nagrzewa je. Część ciepła która dotarła do konstrukcji odprowadzana jest w głąb materiału na drodze przewodnictwa q_λ.

q_p - jest to ta część ciepła która podgrzewa produkty spalania. Ogrzane produkty spalania unoszą się do góry niosąc ze sobą energię i mieszają się z gazem znajdującym się w pomieszczeniu.

q_k - przenoszenie ciepła na drodze konwekcji. Strumienie konwekcyjne spełniają w pożarze istotną rolę. Unoszenie produktów spalania pozwala na napływ do strefy spalania powietrza podtrzymującego proces spalania.

Należy również pamiętać o tym że w procesie wymiany gazowej część energii jest „ wynoszona” przez wypływające nagrzane gazy q₁, ale również wnosi ze sobą pewną ilość energii powietrze napływające do pomieszczenia q₂.

Rozkład ciśnienia w pomieszczeniu w warunkach pożaru.

Strefa spalania jest nie tylko źródłem energii, ale również jest źródłem masy. Masy gazów wychodzących ze strefy spalania są to produkty spalania i rozkładu termicznego. Mieszają się one z gazem zawartym w objętości pomieszczenia. Gaz podgrzewa się, rośnie ciśnienie. Wzrost ciśnienia wewnątrz pomieszczenia powoduje wypływ gazu przez wszystkie otwory znajdujące się w pomieszczeniu. Wypływ gazu wszystkimi otworami pomieszczenia na początku pierwszej fazy pożaru jest cechą charakterystyczną dla wszystkich pożarów wewnętrznych.

W rezultacie wypływu gazu, średnie ciśnienie wewnątrz pomieszczenia maleje. Do pomieszczenia zaczyna napływać powietrze z zewnątrz.

Rozkład ciśnienia w pomieszczeniu w warunkach pożaru.

Ciśnienie wewnątrz pomieszczenia maleje razem z wysokością. Maleje ono również i na zewnątrz pomieszczenia, przy czym spadek ciśnienia na zewnątrz z wysokością jest większy. Oznacza to, że istnieje pewna wysokość, na której ciśnienie wewnątrz pomieszczenia i na zewnątrz są sobie równe. Płaszczyzna znajdująca się na wysokości odpowiadającej równym ciśnieniom nosi nazwę płaszczyzny równych ciśnień /PRC/ lub często nazywa się ją strefą neutralną. Poniżej strefy neutralnej ciśnienie wewnątrz pomieszczenia jest mniejsze niż na zewnątrz, powyżej zaś ciśnienie jest większe od ciśnienia zewnętrznego. Na początku strefa neutralna znajduje się zawsze z fizycznego punktu widzenia na poziomie podłogi. Zgodnie z jej definicją ciśnienie wewnątrz pomieszczenia w każdym jego punkcie jest większe od ciśnienia zewnętrznego. Gaz wypływa każdym otworem wentylacyjnym. W miarę upływu czasu strefa neutralna podnosi się do góry. Kiedy strefa neutralna znajdzie się powyżej dolnej krawędzi np.: otworu okiennego wówczas zaczyna do pomieszczenia napływać powietrze G₂, oczywiście powyżej strefy neutralnej gaz w dalszym ciągu wypływa G₁.

Schemat wymiany gazowej w warunkach pożaru wewnętrznego. Opis integralnyWędrówka strefy neutralnej kończy się w miarę rozwoju pożaru. Zajmuje ona położenie zawsze między dolną, a górną krawędzią okna.

Z obliczeń wynika że w czasie rozwoju pożaru ilość powietrza napływającego do pomieszczenia jest zawsze mniejsza od ilości wypływających gazów.

Wymiana gazowa w warunkach pożaru przy opisie integralnym.

---