Leek

"Leegid" suunab siia. Ajalehe kohta vaata artiklit Leegid (ajaleht). Leek on tule nähtav (valgust kiirgav) gaasiline osa. Leegi tekitab tugevasti eksotermiline reaktsioon, näiteks põlemine või plahvatus, mis toimub väga väikeses ruumiosas, kuigi kaugeltki iga eksotermilise reaktsiooniga ei kaasne leek. Leegi temperatuur on ümbritseva keskkonna omast palju kõrgem. Kui leek on nii kuum, et ioniseerib oma gaasilisi komponente, siis võib ta muutuda plasmaks. Kui tiku leeki hoida küünlatahi kohal, siis tiku leegi kuumuse mõjul küünlavahas olevad kütuse molekulid aurustuvad. Niimoodi saavad nad astuda keemilisse reaktsiooni õhuhapnikuga. See reaktsioon on eksotermiline ja selle käigus eraldub nii palju soojust, et selle mõjul aurustub veelgi rohkem kütusemolekule. See reaktsioon stabiliseerub kiiresti ja pärast seda ei ole enam kõrvalist soojusallikat tiku näol vaja. Leegi kõrge temperatuuri mõjul aurustunud kütusemolekulid lagunevad, tekitades mitmesuguseid mittetäieliku põlemise jääke ja vabu radikaale. Need jäägid reageerivad mitte ainult õhuhapnikuga, vaid ka omavahel. Tekib piisavalt vaba energiat, et reaktsioonide niisugustes vahesaadustes nagu CH ja C2 viiakse mõned elektronid ergastatud olekusse. Ergastatud elektronid annavad üleliigse energia ära niimoodi, et kiirgavad footoneid, mistõttu tekib nähtav valgus. Kui leek sisaldab süsiniku või mingi muu materjali põlemata osakesi ehk tahma ja leegi temperatuur elik põlemistemperatuur tõuseb, siis suureneb ka leegist eralduva elektromagnetkiirguse keskmine energia. Samal ajal vabaneb energiat ka infrapunakiirguse ehk soojuskiirgusena. Peale hapniku saab leegi tekitamiseks kasutada ka teistsuguseid oksüdeerijaid. Vesiniku põlemine klooris tekitab samuti leegi ja põlemise tulemusena tekib gaasiline vesinikkloriidhape HCl. Veel üks võimalik segu on hüdrasiini NH2NH2 ja lämmastiktetroksiidi N2O4 segu. See segu on hüpergooliline kütus, mida sageli kasutatakse raketimootorites. Fluoropolümeere kasutatakse selleks, et nendes sisalduv fluor oleks oksüdeerijaks metallilistele kütustele. Leegi keemiline kineetika on väga keeruline. Tavaliselt sisaldab see suurt hulka keemilisi reaktsioone ja vahesaaduseid, millest enamik on radikaalid. Näiteks biogaasi põlemist kirjeldav keemilise kineetika mudel GRI-Mech sisaldab 325 reaktsiooni 53 aine vahel. Põlemise lähteainete ettevalmistamiseks ja kokkuviimiseks on mitu meetodit. Difusioonleegis difundeeruvad hapnik ja kütus teineteisesse ja seal, kus nad kokku puutuvad, tekib leek. Eelsegatud leegi korral on kütus ja hapnik eelnevalt segatud ja siis tekib teistsugune leek. Küünlaleek kuulub difusioonleekide hulka. See töötab nii, et kütus aurustub, tõuseb kuuma õhu laminaarsesse voolu, seguneb seejärel ümbritseva hapnikuga ja põleb ära. Leegi värvus ja temperatuur sõltuvad põlevast kütusest. Leidub kiirgusspektri eredate joontega aineid. Analüütilises keemias kasutatakse seda efekti näiteks kindla metalli aatomite või ioonide tuvastamiseks. Pürotehnikas kasutatakse seda efekti selleks, et saada eredat mitmevärvilist tulevärki. Värvus omakorda sõltub ka leegi temperatuurist. Seda on näha tulekahjudes, kus jahedamad leegid on punakamad ja annavad rohkem suitsu. Punast leeki põhjustab hapniku lõppemine suletud ruumis ja seetõttu kütuse mittetäielik põlemine. Punase leegi temperatuur on suhteliselt madal: tavaliselt 600–850 °C. Punane leek tähendab, et tekib suhteliselt palju vingugaasi CO, mis on iseenesest süttiv gaas, kui peaks tekkima tagasitõmme, mis sinnakanti hapnikku värske õhuga juurde toob. See on ohtlik nii tuletõrjujatele kui pärast leekide summutamist tulekahju põhjuseid ja kulgu uurivatele ametiisikutele. Põleva vingugaasi temperatuur võib olla kuni 2000 °C. Tahkete materjalide süttimistemperatuur on umbkaudu 300 °C. Sigaret põleb temperatuuriga 700–800 °C. Tikk süttib temperatuuril 300 °C ja tema leegi temperatuur on 750–800 °C, aga puu põleb temperatuuriga 800–1000 °C. Piirituse leek ei ületa tavaliselt 900 °C, aga petrooleum põleb 1100 °C ja bensiin 1300–1400 °C leegiga. Bunseni põleti annab temperatuuri umbes 1000 °C. Küünlaleegi temperatuur on tavaliselt 1400 °C, keevituspõleti temperatuur 1600 °C ja propaanipõleti temperatuur ligi 2000 °C. Magneesium annab põlemisel leegi, mille temperatuur on 2200 °C. Keevitamisel, kui atsetüleeni leeki juhtida puhast hapnikku, võib temperatuur tõusta kuni 3000 °C. Keemilistest ainetest põleb tsüanogeen (CN)2 temperatuuril 4525 °C ja kõige kõrgema põlemistemperatuuriga keemiline aine on ditsüanoatsetüleen C4N2 (4990 °C). Isegi nii madalal temperatuuril kui +120 °C võib kütuse ja õhu segu astuda keemilisse reaktsiooni ja tekitada väga nõrgad leegid. Neid nimetatakse jahedateks leekideks. Selle nähtuse avastas Humphry Davy 1817. See protsess sõltub reageeriva segu koostise ja temperatuuri täpsest tasakaalust. Kui tingimused on õiged, siis võib see süttida iseeneslikult, välise abita. Davy uuris seda nähtust ja tegi kindlaks, et teatud tingimustel võib jahedaid leeke muuta tavalisteks, aga termini "jahe leek" leiutas alles 1929 Harry Julius Emeléus, kes esimesena tegi kindlaks nende spektri. Leegi leviku kiirus sõltub väga paljudest asjaoludest. Mittegaasilistes keskkondades, isegi kui need on eelnevalt ette valmistatud, on leegi kiirus 3 cm/s kuni 15 m/s. Märksa kiiremini võib leek levida gaasilises keskkonnas. Kuid seda mõjutavad raskusjõud, konvektsioonivoolud, isegi hõõrdejõud jne. Sellepärast ei saa leegi leviku kiirust gaasilistes keskkondades kuigi täpselt ette näha. See ei ületa 100 m/s, aga kui põlemine on plahvatuslik, siis jääb vahemikku 300–1000 m/s. Tehistingimustes on detonatsioonil saavutatud siiski kiirus üle 1000 m/s. Aastal 2000 tegi NASA kindlaks, et leegi moodustumisel ja põlemisel on gravitatsioonil küll kaudne, aga tähtis roll. Hariliku gravitatsiooni tingimustes sõltub leegi kuju konvektsioonist. Tahm kipub kerkima leegi tippu (nii on näiteks põleva küünlaga), muutes selle kollaseks. Seevastu mikrogravitatsiooni või kaalutuse tingimustes konvektsioon lakkab ega kanna enam põlemise jääke leegi juurest ära. Leek muutub kerakujuliseks, sinakaks ja tõhusamaks. Sellele nähtusele on mitu võimalikku selgitust. Kõige tõenäolisem on nendest hüpotees, et kaalutuses jaotub temperatuur leegi sisemuses ühtlasemalt, nii et põlemine on täielik ja tahma ei tekigi. NASA katsed on näidanud, et kaalutuses toimuvad mõned põlemise protsessid teistmoodi kui normaalgravitatsioonis, mistõttu rohkem kütuseosakesi oksüdeerub täielikult ega muutu tahmaks. Need avastused on rakendusteaduste ja tööstuse jaoks potentsiaalselt olulised, sest võimaldavad välja töötada meetodeid kütuse tõhusamaks põletamiseks. Leegitest Hapniku kasutamine www.miksike.ee Soojusfüüsika valitud peatükke, 8.9. Kontrollitava kiirgusega leek