Wprowadzenie do Stanów Skupienia i Zmian Fazowych
Materia może znajdować się w kilku stanach skupienia, nazywanych również fazami termodynamicznymi. Stan skupienia substancji zależy od ilorazu energii kinetycznej cząsteczek i energii oddziaływań między tymi cząsteczkami. Jeżeli iloraz ten jest mały, to materia występuje w stanie stałym.
Krzepnięcie lub topnienie danej substancji (krystalicznej) przy danym ciśnieniu zachodzą w tej samej temperaturze. Z kolei parowanie lub skraplanie zachodzi przy różnej temperaturze. Na przykład, woda w stanie stałym, czyli lód, przy ciśnieniu atmosferycznym 1 atm (101 325 Pa) topi się w temperaturze 0°C. Ogólnie, faza ciała zależy od ciśnienia i temperatury, w jakich się znajduje.
Dla różnych substancji sporządza się tak zwane wykresy równowagi fazowej. Wszystkie punkty, które leżą na tych krzywych, opisują stan równowagi fazowej, co oznacza, że w tak określonym ciśnieniu i temperaturze ciało może się znajdować jednocześnie w dwóch fazach. Punkt przecięcia się trzech krzywych wskazuje na stan równowagi trzech faz i jest to tak zwany punkt potrójny. Punkt potrójny to stan, w jakim dana substancja może istnieć jednocześnie w trzech fazach w równowadze termodynamicznej. Dla wody, punkt potrójny występuje w temperaturze T=0,01 °C (273,16 K) i ciśnieniu p=611,66 Pa, kiedy woda w stanie ciekłym, lód i para wodna są w równowadze termodynamicznej. Wykresy równowagi fazowej można sporządzić dla dowolnego ciała i nie zawsze dotyczą one tylko wspomnianych stanów skupienia. Temperatura wrzenia obniża się wraz ze zmniejszaniem się ciśnienia. Jeżeli dane ciało ma więcej faz, krzywych na wykresie będzie tyle, ile jest faz termodynamicznych tej substancji.
Definicje Podstawowych Zmian Stanu Skupienia
- Topnienie to zmiana stanu skupienia ze stałego na ciekły. Topnienie wymaga zwiększenia energii wewnętrznej ciała (dostarczenia ciepła), dzięki czemu cząsteczki ciała zmieniają swoją strukturę z krystalicznej na swobodną.
- Krzepnięcie (krystalizacja) to zmiana stanu skupienia z ciekłego na stały. Krzepnięcie polega na oddaniu części energii wewnętrznej ciała (oddaniu ciepła), dzięki czemu cząsteczki ciała zmieniają swoją strukturę ze swobodnej na krystaliczną.
- Parowanie to zmiana stanu skupienia z ciekłego na gazowy. Parowanie polega na odrywaniu się cząsteczek o największej energii od powierzchni swobodnej cieczy. Aby cząsteczki oderwały się, muszą uzyskać odpowiednią energię.
- Skraplanie (kondensacja) to zmiana stanu skupienia z gazowego na ciekły. Podczas skraplania gaz ochładzając się oddaje energię, a jego cząsteczki tracą na prędkości. Ich siły przyciągania zbliżają je do siebie, a struktura cząsteczek zaczyna zwierać się, aż przybierze strukturę cieczy.
Nagłe Zjawiska Pożarowe Związane ze Zmianą Stanu Skupienia Gazów
Rozwijający się pożar wewnętrzny sam w sobie jest groźnym zjawiskiem. Ogień zamknięty w czterech ścianach niesie ze sobą dodatkowo niebezpieczeństwo wystąpienia zjawisk pożarowych niespotykanych przy pożarach na przestrzeni otwartej. Trzeba brać pod uwagę różne typy zapłonu gazów pożarowych czy wsteczny ciąg płomienia. Z charakterystyki krzywej pożaru wiadomo, że mechanizm przejścia w pożar w pełni rozwinięty jest bardzo gwałtowny. Temperatura i ilość wydzielanego ciepła przyrastają wówczas bardzo szybko, a czas ten mierzony jest w sekundach. Te nagłe zmiany mogą nastąpić w sposób, który jest niezwykle groźny dla ratowników.
Rozgorzenie (Flashover)
Rozgorzenie, znane również jako flashover, jest zjawiskiem, w którym następuje radiacyjne zapalenie wszystkich palnych powierzchni w pomieszczeniu, spowodowane nagromadzeniem się niespalonych produktów pirolizy w warstwie gazów pożarowych. Jest to pewny znak przed nadchodzącym rozgorzeniem, którego konsekwencją jest szybkie rozprzestrzenienie pożaru.
Wsteczny Ciąg Płomienia (Backdraft)
Backdraft to gwałtowne zapalenie się gazów pożarowych w pomieszczeniu, które przez pewien czas pozostawało w warunkach niedoboru tlenu, a następnie zostało nagle dopowietrzone. Zjawiska te były do niedawna bardzo rzadkie. W takiej sytuacji wytworzyła się idealna mieszanka, czekająca jedynie na źródło zapłonu. Backdraft jako zdarzenie przejściowe może nastąpić w ciągu kilku sekund. Sytuacje, w których może nastąpić zapalenie się gazów pożarowych w pomieszczeniu, mogą być różne, ale spowodują podobny wynik w postaci szybkiego rozprzestrzenienia pożaru, często z "cofnięciem się płomienia" lub "odrzutem płomienia" z pomieszczenia poprzez warstwę gazów.
Zdarza się, że gazy pożarowe w takich pomieszczeniach nagrzewają się powoli, co może być pewnym znakiem niebezpieczeństwa backdraftu w momencie otwarcia. Należy obserwować dynamikę dymu - jego kolor, prędkość, gęstość, dynamika, skłonność do szybkiego unoszenia pozwolą dowodzącemu umiejscowić ogień i ocenić stopień rozwoju pożaru. Wskazuje na backdraft na przykład dym wydostający się z obiektu każdym możliwym otworem, często gęsty i turbulentny.
Co się dzieje podczas cofania się strumienia powietrza?
Chłodzenie Fazy Gazowej Wodą jako Metoda Gaszenia
Woda jest i była uważana za środek gaśniczy od czasów, gdy człowiek poznał ogień, głównie ze względu na jej właściwości fizykochemiczne, takie jak wysokie ciepło parowania, które pozwala na efektywne odbieranie energii z pożaru. Aby przerwać proces gwałtownego rozprzestrzeniania się pożaru (np. rozgorzenia), należy schłodzić gazy, czyli źródło ciepła, oraz wszystkie palne powierzchnie, które stanowią potencjalne paliwa.
Chłodzenie fazy gazowej to kluczowa strategia. Polega ona na wprowadzeniu wody wewnątrz pomieszczenia, co spowoduje nagłe jej przejście w stan przegrzanej pary. Proces ten pochłania ogromne ilości ciepła z otoczenia, redukując temperaturę i energię gazów pożarowych, co zapobiega ich zapaleniu (deflagracji). Neutralizacja atmosfery pożaru odgrywa kluczową rolą w zwiększaniu szans na przeżycie strażaków i poszkodowanych.
Znaczenie Rozmiaru Kropel Wody
Kiedy strumień gaśniczy staje się rozpylony i kiedy strumień rozpylony staje się mgłą, to ważne pytania, na które starano się odpowiedzieć w kilku opracowaniach. Rozgraniczenie pomiędzy strumieniem rozpylonym i mgłą pozostaje umowne, ale zazwyczaj przyjmuje się, że mgła wodna składa się z kropel o średnicy mniejszej niż 500 mikronów (0,5 mm), natomiast strumień rozpylony może zawierać krople o średnicy mniejszej niż 5000 mikronów (5 mm).
Badania poświęcone efektom stosowania wodnych prądów rozpylonych w pożarach pomieszczeń wykazały, że:
- Strumienie rozproszone o 330 mikronowych kroplach obniżały temperaturę ścian o 57°C.
- Strumienie rozproszone o 667 mikronowych kroplach obniżały temperaturę ścian o 124°C.
- Strumienie rozproszone o 779 mikronowych kroplach obniżały temperaturę ścian o 195°C.
Bardzo małe cząstki wody zawieszały się w warstwach przegrzanego gazu, co prowadziło do ich skurczenia i znacznego obniżenia temperatury. Zastosowanie drobnych kropel wody w górnej strefie pomieszczenia skutkuje mniejszym czasem „rezydencji” (lotu) w gazach, co zwiększa efektywność chłodzenia.
Taktyka i Techniki Gaszenia z Wykorzystaniem Zmian Fazowych
W celu niedopuszczenia do nagłego rozwoju i rozprzestrzenienia się pożaru, jedną z taktyk, którą można zastosować, jest podanie tzw. szybkiej wody. Środek gaśniczy powinien być podany w sposób ciągły, ze znaczną wydajnością i na całą zagrożoną powierzchnię. Jest to możliwe, gdy pożar jest stale dopowietrzany i znajduje się w stadium tuż przed fazą rozwiniętą.
Technika „Pulsowania” (Pulsing)
Technika „pulsowania” na prądownicy, polegająca na krótkich „wytryskach” wody, jest obecnie bardzo popularnym sposobem czasowego wyeliminowania samego pożaru z listy priorytetów w sytuacji, kiedy z jakiegoś powodu nie można od razu podjąć akcji gaśniczej. Celem jest szybkie zapanowanie nad pożarem, by nie zdążył rozwinąć się do rozmiarów zagrażających życiu i zdrowiu.
Technika ta pozwala zobojętnić atmosferę pomieszczenia, ostudzić palną atmosferę oraz ocenić prawdopodobieństwo zapalenia się gazów pożarowych. Daje to podwójną korzyść: po pierwsze, ogranicza dalsze rozprzestrzenianie gazów i dymu w obiekcie, a po drugie, zabezpiecza przed nagłym rozprzestrzenieniem ognia na inne pomieszczenia. Pożar zamknięty w jednym pomieszczeniu przestaje się rozwijać.
Mechanizm i Efektywność Pulsowania
Podczas jednego wytrysku mgły wodnej, o wydajności 100 l/min, do stożka wtłoczone zostanie około 1.6 litra wody. Ta woda może zostać odparowana, co spowoduje skurczenie nagrzanych gazów. Na przykład, jednostka nagrzanego powietrza o temperaturze 538°C zajmuje objętość jednego metra sześciennego. Nagrzane gazy pożarowe, będące w temperaturze 538°C, w wyniku jednego wytrysku mgły wodnej mogą zostać ochłodzone do temperatury około 100°C. Symulacje pokazują, że np. w pomieszczeniu o kubaturze 50 m³ można zredukować objętość gazów pożarowych z 50 m³ do 47.1 m³ za pomocą jednego wytrysku mgły wodnej.
Efekt chłodzenia fazy gazowej jest zmaksymalizowany, gdy prądownik dokładnie rozumie cele i możliwości tej techniki oraz jest bardzo doświadczony w „pulsacyjnym” posługiwaniu się prądownicą. Taka precyzja jest trudna do osiągnięcia w zadymionym pomieszczeniu.
Co się dzieje podczas cofania się strumienia powietrza?
Zastosowanie i Zalecenia
Należy stosować odpowiednie techniki otwierania drzwi i przestrzennej mgły wodnej. Zaleca się celować strumieniem w miejsce, gdzie sufit styka się ze ścianami, jednocześnie „omiatania” prądem wody, unikając zbytniego „przemoczenia” powierzchni. Pulsowanie do góry w miarę posuwania się w głąb pomieszczenia jest kluczowe. To pozwala na wprowadzenie w górnych warstwach pomieszczenia drobnej mieszaniny kropel i uzyskanie optymalnego efektu. Ważne jest unikanie kontaktu wody z gorącymi powierzchniami.
W przypadku pożarów wewnętrznych ważne jest „sprawdzenie” warunków, obserwując, czy na podłogę spadają krople wody i nasłuchując trzasków, które towarzyszą parowaniu kropel wody. Zastosowanie przestrzennej mgły wodnej może zostać użyte do ugaszenia palących się gazów w szybki i bezpieczny sposób, zwłaszcza w sytuacjach porozgorzeniowych.
Paul Grimwood był bardzo pomocny w rozwoju technik związanych z chłodzeniem fazy gazowej od 1984 roku. Jego książka pt. "Fire Fighting Techniques" (ang. techniki zwalczania pożarów) uwypukliła wiele aspektów dla strażaków na całym świecie i wzmocniła teorie powstające w tych czasach w Szwecji. Badania przeprowadzone przez strażaków ze Sztokholmu, a także w ośrodkach takich jak Dade Florida, Seattle, Paryż, Walencja czy Amsterdam, stale weryfikują i udoskonalają te metody.
Wyzwania i Ograniczenia
Jednym z kluczowych aspektów jest świadomość niebezpieczeństw związanych z rozgorzeniem i backdraftem. Strażacy muszą brać pod uwagę wpływ rozmiaru otworu na rozwój pożaru. Obowiązkiem kierującego działaniem ratowniczym (KDR) jest zapewnienie jak największego komfortu pracy i bezpieczeństwa ratowników, co obejmuje odpowiednie wyposażenie rot gaśniczych, m.in. w sprzęt termowizyjny, oraz zapewnienie asekuracji.
Pomiary temperatury podczas testów wykazały, że nawet krótkotrwałe wystawienie na wysokie temperatury może spowodować poparzenia. Skóra ludzka musi być wystawiona na działanie temperatury 71°C przez 60 sekund lub 82°C przez 30 sekund, lub 100°C przez 15 sekund, aby doznać oparzeń II stopnia. Prawidłowe zastosowanie technik chłodzenia fazy gazowej może zapewnić strażakom do 30 sekund, zanim doznają oni oparzeń podczas podejścia do źródła pożaru.