Καύση

Με τον όρο καύση χαρακτηρίζεται (πλέον) οποιαδήποτε χημική αντίδραση συνοδεύεται από έκλυση θερμότητας ίσως και φωτός, που συνδυάζονται (συχνά) με την εμφάνιση φλόγας, από θερμά αέρια προϊόντα, ή λάμψης. Οι καύσεις είναι εξώθερμες οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις, μεταξύ ενός (τουλάχιστον) καυσίμου και ενός (τουλάχιστον) οξειδωτικού. Παλιότερα ονομαζόταν καύση κάθε αντίδραση με το οξυγόνο (Ο2) που ελευθερώνει θερμότητα και φως. Σήμερα είναι δεκτό ότι και άλλες χημικές ουσίες εκτός του Ο2 μπορούν να προκαλέσουν διάφορες καύσεις. Τέτοιες χημικές ουσίες είναι το όζον (O3), το φθόριο (F2), το χλώριο (Cl2) κ.ά. Πάντως, συνήθως όταν αναφέρεται ο όρος καύση, χωρίς άλλη διευκρίνιση, εννοείται ότι πρόκειται για καύση με οξυγόνο ή με αέρα. Ειδικότερα οι καύσεις των οργανικών ενώσεων θεωρούμε ότι γίνονται με Ο2 ή με χημικές ουσίες που περιέχουν οξυγόνο όπως ο αέρας ή το οξείδιο του χαλκού (CuO). Η καύση μιας χημικής ουσίας πραγματοποιείται σε μια χαρακτηριστική θερμοκρασία (που συχνά όμως εξαρτάται και από την επικρατούσα πίεση, ιδιαίτερα για αέρια καύσιμα) που ονομάζεται θερμοκρασία ή σημείο ανάφλεξης της συγκεκριμένης χημικής ουσίας. Καύσιμα ή καύσιμες ύλες ονομάζονται τα στερεά, υγρά ή αέρια σώματα που με την καύση τους παράγουν εκμεταλλεύσιμη θερμότητα. Η ελεγχόμενη καύση των καυσίμων σε θαλάμους καύσης χρησιμοποιείται σε μια σειρά από εφαρμογές (π.χ. μηχανές εσωτερικής καύσης, λέβητες) για την παραγωγή θερμότητας και γενικότερα ενέργειας. Ένα απλό παράδειγμα καύσης χημικού στοιχείου είναι η καύση υδρογόνου και οξυγόνου: Ένα άλλο απλό παράδειγμα καύσης οργανικής ένωσης είναι η καύση μεθανίου και οξυγόνου: Ανάλογα με τις συνθήκες, και οι δυο αντιδράσεις, συνοδεύονται από έκρηξη ή τη δημιουργία (συνήθως) γαλάζιας φλόγας.

 Οι καύσεις διακρίνονται σε πλήρεις ή τέλειες και σε ατελείς ανάλογα με την ποσότητα του Ο2 που είναι διαθέσιμη και τις συνθήκες που επικρατούν κατά τη διάρκειά τους. Πλήρης ή τέλεια είναι η καύση που γίνεται με περίσσεια οξυγόνου και δεν περισσεύει άκαυστη χημική ουσία. Η πλήρης καύση είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθεί και σχεδόν πάντα παραμένει άκαυστη έστω και ελάχιστη ποσότητα χημικής ουσίας. Ατελής καύση πραγματοποιείται συνήθως όταν η διαθέσιμη ποσότητα Ο2 είναι μικρότερη από όση απαιτείται σύμφωνα με τη στοιχειομετρική εξίσωση της χημικής αντίδρασης που περιγράφει την τέλεια καύση. Είναι πιθανό, ωστόσο, ενώ υπάρχει διαθέσιμη αρκετή ποσότητα οξυγόνου, ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιείται η καύση να είναι τέτοιος, ώστε να μη χρησιμοποιείται τελικά ολόκληρη η ποσότητα του οξυγόνου. Τα προϊόντα της ατελούς καύσης δεν είναι γενικά καθορισμένα, αλλά εξαρτώνται από την ουσία που καίγεται, τις επικρατούσες συνθήκες (θερμοκρασία, πίεση, υγρασία, κ.ά.) και το χρόνο που διατέθηκε για την πραγματοποίηση της καύσης.Ακόμη χρησιμοποιείται ο όρος: Βιολογικές καύσεις θεωρούνται οι καταβολικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται σε ζωντανούς οργανισμούς για την παραγωγή της απαραίτητης για την επιβίωση και τις δραστηριότητές τους ενέργειας. Σε μια τέλεια καύση το καύσιμο που καίγεται σε οξυγόνο παράγει έναν περιορισμένο αριθμό προϊόντων. Όταν ένας υδρογονάνθρακας καίγεται με οξυγόνο, τα προϊόντα που παράγονται είναι μόνο διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμοί. Όταν καίγονται χημικά στοιχεία, τα προϊόντα τους είναι κυρίως τα πιο συνηθισμένα τους οξείδια. Όταν καίγεται άνθρακας παράγεται μόνο διοξείδιο του άνθρακα. Όταν καίγεται το άζωτο παράγεται διοξείδιο του αζώτου (NO2). Όταν καίγεται θείο παράγεται τριοξείδιο του θείου (SO3). Τέλος, όταν καίγεται σίδηρος παράγεται τριοξείδιο του σιδήρου (Fe2O3). Η συνήθης καύση δεν ευνοεί απαραίτητα την παραγωγή προϊόντων με το μέγιστο δυνατό αριθμό οξείδωσης των χημικών στοιχείων (σε στοιχειακή μορφή ή στη μορφή ενώσεών τους) που παίρνουν μέρος σε αυτήν (την καύση). Το αποτέλεσμα μπορεί να εξαρτάται π.χ. από τη θερμοκρασία που πραγματοποιείται η καύση. Για παράδειγμα, το τριοξείδιο του θείου δεν παράγεται συνήθως ποσοτικά (δηλαδή 100%) όταν καίγεται θείο. Τα οξείδια του αζώτου αρχίζουν να παράγονται (κατά την καύση αζωτούχων ενώσεων ή σε περίπτωση καύσης παρουσία αζώτου) σε θερμοκρασίες πάνω από 1.540°C και πάνω από ένα είδος οξειδίων του αζώτου παράγονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Κάτω από αυτήν τη θερμοκρασία (δηλαδή κάτω από 1.540°C) παράγεται (ή παραμένει αν ήδη υπήρχε) ευνοϊκά στοιχειακό άζωτο. Το αποτέλεσμα της καύσης εξαρτάται επίσης από τη συγκέντρωση του οξυγόνου. Στις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές φωτιάς, η πηγή του οξειδωτικού είναι ο ατμοσφαιρικός αέρας. Σύμφωνα με τη μέση σύσταση του ατμοσφαιρικού αέρα, για κάθε γραμμομόριο (mole) οξυγόνου συνυπάρχουν ακριβώς 3,76 γραμμομόρια αζώτου. Το άζωτο δεν παίρνει μέρος στην καύση, αλλά ιδιαίτερα σε υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από 1.540°C), μια ποσότητα αζώτου μετατρέπεται σε NOx (ο τύπος αυτός εκπροσωπεί όλα τα οξείδια του αζώτου). Συνήθως το ποσοστό σχηματισμού NOx είναι μεταξύ 2 ppm και 1%. Επιπλέον, όταν έχουμε ατελή καύση, μέρος του άνθρακα (αν μετέχει ανθρακούχα ουσία στην καύση) μετατρέπεται σε μονοξείδιο του άνθρακα. Ένα πιο πλήρες σύνολο στοιχειομετρικών εξισώσεων για την καύση μεθανίου σε ατμοσφαιρικό αέρα είναι το ακόλουθο: Ατελής καύση υπάρχει μόνο όταν δεν υπάρχει αρκετό οξυγόνο για να επιτραπεί στο καύσιμο να αντιδράσει ολοκληρωτικά και να παραγάγει διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμούς (όταν καίγεται υδρογονάνθρακας σε αέρα ή οξυγόνο). Μπορεί επίσης να συμβεί όταν η καύση γίνεται παγιδευμένη σε ένα «χωνευτήρι θερμότητας», όπως είναι μια στερεή επιφάνεια ή μια παγίδα φλόγας. Στα περισσότερα οργανικά καύσιμα, όπως το ντήζελ, το κάρβουνο ή το ξύλο, συμβαίνει πρώτα πυρόλυση του καυσίμου και μετά καύση των προϊόντων αυτής. Στην περίπτωση της ατελούς καύσης, μέρος των προϊόντων της πυρόλυσης μπορεί να παραμένουν χωρίς να καούν και να ρυπάνουν τον παραγόμενο καπνό με επιβλαβή σωματίδια ή και αέρια. Μερικώς οξειδωμένα προϊόντα μπορεί να αποτελούν επίσης ένα πρόβλημα. Π.χ. μερική οξείδωση της αιθανόλης μπορεί να δώσει τη βλαβερή αιθανάλη, αιθάλη και τοξικό μονοξείδιο του άνθρακα. Η ποιότητα της καύσης μπορεί να βελτιωθεί με τον αρτιότερο σχεδιασμό των συσκευών καύσης, είτε πρόκειται για καυστήρες είτε για κινητήρες εσωτερικής καύσης. Επιπλέον βελτιώσεις είναι διαθέσιμες με τη χρήση συσκευών καταλυτικών μετατροπέων ή και με την επιστροφή των καυσαερίων στη διεργασία καύσης. Τέτοιες συσκευές είναι νομικώς απαραίτητες σε ορισμένες χώρες για τα αυτοκίνητα που κυκλοφορούν σ' αυτές. Επίσης, παρόμοιες μεγάλες συσκευές πρέπει να περιλαμβάνονται σε καυστήρες οικιακής θέρμανσης και βιομηχανικές εγκαταστάσεις, όπως θερμοηλεκτρικές μονάδες, για να επιτύχουν τα νόμιμα επίπεδα εκπομπών ρύπων. Ο βαθμός της καύσης μπορεί να μετρηθεί και να αναλυθεί με τον κατάλληλο εξοπλισμό ελέγχου. Οι κατασκευαστές, οι πυροσβέστες, διάφοροι μηχανικοί και περιβαντολλογικοί επιστήμονες χρησιμοποιούν αναλυτές καυσαερίων για να ελέγξουν την αποτελεσματικότητα ενός καυστήρα κατά τη διάρκεια μιας καύσης. Επιπλέον και η αποτελεσματικότητα ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης επίσης μπορεί να μετρηθεί με τον ίδιο τρόπο. Σε κάποιες χώρες οι αρχές της τοπικής αυτοδιοίκησης ή η τροχαία είναι επιφορτισμένες με το καθήκον ελέγχου των καυσαερίων των οχημάτων που κυκλοφορούν στους δρόμους ευθύνης τους. «Υποβόσκουσα καύση» ή «χόβωλη» είναι μια αργή καύση σε χαμηλή θερμοκρασία και χωρίς παρουσία φλόγας, που διατηρείται από τη θερμότητα που παράγεται από την επαφή του οξυγόνου με την επιφάνεια του καυσίμου. Είναι μια τυπική περίπτωση ατελούς καύσης. Στα στερεά καύσιμα που μπορούν να διατηρήσουν υποβόσκουσα καύση περιλαμβάνονται το κάρβουνο, η κυτταρίνη, το ξύλο, το βαμβάκι, ο καπνός, η τύρφη, ο χούμος, κάποιοι συνθετικοί αφροί, απανθρακωμένα πολυμερή που περιλαμβάνουν αφρό ή σκόνη πολυουρεθάνης. Κοινά παραδείγματα αποτελεσμάτων υποβόσκουσας καύσης είναι η έναρξη πυρκαγιών σε κατοικίες από θερμαινόμενα από ασθενείς πηγές θερμότητας (όπως μισοσβησμένο τσιγάρο ή ένα βραχυκυκλωμένο ηλεκτροφόρο καλώδιο) επικαλυμμένα έπιπλα και η έναρξη δασικών πυρκαγιών από θερμαινόμενη βιομάζα.