การลุกไหม้

การลุกไหม้  คือกระบวนการเผาไหม้ที่หน้าคลื่นของการเผาไหม้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่ำกว่าความเร็วเสียงซึ่งหน้าคลื่นการเผาไหม้แผ่ไปด้วยการถ่ายเทความร้อน วัสดุร้อนที่เผาไหม้ให้ความร้อนวัสดุเย็นที่อยู่ถัดไปแล้วก็จุดไฟมัน "ไฟ" ส่วนใหญ่ที่พบในชีวิต ตั้งแต่เปลวไฟจนถึงการระเบิดเช่นของดินปืน เป็นการลุกไหม้ทั้งสิ้น นี่แตกต่างจากการระเบิดรุนแรงซึ่งแผ่ออกไปด้วยความเร็วเหนือเสียงด้วยคลื่นกระแทก และสารนั้นก็จะสลายตัวไปอย่างรวดเร็วยิ่งยวด
การประยุกต์.
ในการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรม การลุกไหม้ควบคุมได้ง่ายกว่าการระเบิดรุนแรง ผลคือการลุกไหม้จึงเหมาะสมกว่าเมื่อมีจุดมุ่งหมายเพื่อเคลื่อนย้ายวัตถุ (เช่นกระสุนในอาวุธปืน หรือลูกสูบในเครื่องยนต์สันดาปภายใน) ด้วยแรงของแก๊สที่ขยายตัว ตัวอย่างโดยปกติของการลุกไหม้ก็เช่นการเผาไหม้ของสารผสมอากาศ-แก๊สในเตาแก๊ส (gas stove) หรือสารผสมอากาศ-เชื้อเพลิงในเครื่องยนต์สันดาปภายใน และการไหม้อย่างรวดเร็วของดินปืนในอาวุธปืนหรือส่วนผสมอัคนีศิลป์ในดอกไม้ไฟ การระเบิดแรงดันแก๊สซึ่งเป็นระบบและผลผลิตของการลุกไหม้ก็ถูกใช้ในเหมืองแร่เพื่อการทำลายและการขุดหินโดยเป็นทางเลือกที่เป็นประโยชน์แทนการใช้วัตถุระเบิดแรงสูง
ไฟน้ำมัน/ขี้ผึ้งกับน้ำ.
การใส่น้ำลงในไฮโดรคาร์บอนที่ไหม้อยู่เช่นน้ำมันหรือขี้ผึ้งจะทำให้เกิดการลุกไหม้ขึ้น น้ำจะเดือดอย่างรวดเร็วและพ่นวัสดุที่ไหม้อยู่ออกกระเด็นเป็นละอองละเอียด การลุกไหม้จึงเกิดขึ้นเมื่อหมอกหยดน้ำมันละเอียดถูกจุดไฟและไหม้อย่างรวดเร็วยื่งยวด ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นบ่อยโดยเฉพาะในไฟไหม้หม้อทอดมันฝรั่ง (chip pan) ซึ่งเป็นตัวการของหนึ่งในห้าของอัคคีภัยครัวเรือนทั้งหมดในสหราชอาณาจักร
ฟิสิกส์เปลวไฟ.
เพื่อเข้าใจฟิสิกส์เบื้องหลังเปลวไฟ เราจะใช้ตัวแบบอุดมคติช่วยซึ่งประกอบไปด้วยท่อหนึ่งมิติเอกรูปที่มีเชื้อเพลิงแก๊สทั้งที่ไหม้แล้วและยังไม่ไหม้บรรจุอยู่และแยกจากกันด้วยพื้นที่เปลี่ยนผ่านบาง ๆ ความกว้าง <math>\delta\; </math> ซึ่งมีการเผาไหม้อยู่ พื้นที่ที่เผาไหม้มักจะถูกเรียกเป็นหน้าเปลวไฟ (flame front) การแพร่ความร้อนข้ามหน้าเปลวไฟถูกดุลโดยความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้ในสมดุล
มีมาตราเวลาลักษณะเฉพาะที่สำคัญอยู่สองมาตรา มาตราแรกคือมาตราเวลาการแพร่ความร้อนแทนด้วย <math>\tau_d\;</math> ซึ่งเท่ากับประมาณ
<math>\tau_d \simeq \delta^2 / \kappa</math>,
โดย <math>\kappa \;</math> เป็นสภาพแพร่ความร้อน (Thermal diffusivity) มาตราที่สองคือมาตราเวลาการไหม้ <math>\tau_b</math> ซึ่งลดลงตามอุณหภูมิ โดยปกติเป็น
<math>\tau_b\propto \exp[\Delta U/(k_B T_f)]</math>,
โดย <math>\Delta U\;</math> เป็นอุปสรรคการกระตุ้นของปฏิกิริยาการไหม้และ <math>T_f\;</math> เป็นอุณหภูมิที่เกิดเป็นผลลัพธ์ของการไหม้ ซึ่งค่านี้ก็สามารถเรียกว่า "อุณหภูมิเปลวไฟ" และสามารถกำหนดหาได้โดยใช้กฎของอุณหพลศาสตร์
สำหรับหน้าคลื่นที่นิ่งของการลุกไหม้ที่เคลื่อนที่ มาตราเวลาทั้งสองนี้จะต้องเท่ากัน: ความร้อนที่ถูกผลิตโดยการไหม้มีค่าเท่ากับความร้อนที่นำออกไปโดยการถ่ายเทความร้อน ทำให้เราสามารถคำนวณความกว้างลักษณะเฉพาะ <math>\delta\;</math> ของหน้าเปลวไฟได้:
<math>\tau_b = \tau_d\;</math>,
ดังนั้น
<math> \delta \simeq \sqrt {\kappa \tau_b} </math>.
แล้วหน้าเปลวไฟแพร่ด้วยความเร็วลักษณะเฉพาะ <math>S_l\;</math> ซึ่งก็เพียงเท่ากับความกว้างของเปลวไฟหารด้วยเวลาไหม้:
<math>S_l \simeq \delta / \tau_b \simeq \sqrt {\kappa / \tau_b} </math>.
ตัวแบบที่ถูกทำให้ง่ายนี้ไม่สนใจการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิซึ่งก็แปลว่าไม่ได้สนใจอัตราการไหม้ตลอดหน้าการลุกไหม้ ตัวแบบนี้ยังไม่สนใจอิทธิพลที่เป็นไปได้ของความปั่นป่วน (turbulence) ผลลัพธ์ก็คือการอนุพัทธ์นี้ให้เราแค่ความเร็วเปลวไฟแนวขนาน (laminar flame speed) ตัวแปรจึงมีตัว l อยู่แทนคำว่า laminar <math>S_l\;</math>.
เหตุการณ์เสียหาย.
ความเสียหายต่อสิ่งปลูกสร้าง เครื่องมือ และผู้คนสามารถอาจผลของการลุกไหม้ระยะเวลาสั้น ๆ และขนาดใหญ่ ความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นโดยทั่วไปเป็นฟังก์ชันของปริมาณเชื้อเพลิงทั้งหมดที่ใหม้ไปในเหตุการณ์หนึ่ง (พลังงานทั้งหมดที่มีอยู่) ความเร็วเปลวเพลิงสูงสุดที่สัมฤทธิ์ และกิริยาของการกักการขยายตัวของแก๊ส
ในการลุกไหม้ในอากาศโล่ง ผลของการลุกไหม้เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องเทียบกับความเร็วสูงสุดของเปลวไฟ เมื่อความเร็วช้าผลของการลุกไหม้คือการปลดปล่อยความร้อน ผู้เขียนบางคนใช้คำว่าไฟไหม้วาบ (flash fire) เพื่อพูดถึงการลุกไหม้ความเร็วต่ำ ที่ความเร็วใกล้ความเร็วเสียง พลังงานถูกปลดปล่อยในรูปของแรงดันและมีผลคล้ายกับการระเบิดรุนแรง ระหว่างจุดสุดขีดทั้งสองนี้ ก็จะมีการผลิตทั้งความร้อนและความดัน
เมื่อการลุกไหม้ความเร็วต่ำเกิดขึ้นภายในภาชนะหรือโครงสร้างที่ปิด ผลของความดันจะทำให้เกิดความเสียหายเนื่องมาจากการขยายตัวของแก๊สเป็นผลรอง ความร้อนที่ปลดปล่อยโดยการลุกไหม้ทำให้แก๊สเผาไหม้และอากาศเกินขยายตัวโดยความร้อน ผลลัพธ์สุทธิคือปริมาตรของภาชนะหรือโครงสร้างจะต้องขยายตัวเพื่อรองรับแก๊สเผาไหม้ร้อนหรือต้องแข็งแรงพอที่จะทนความดันภายในเพิ่มเติม ไม่เช่นนั้นก็จะล้มเหลวหรือพังแล้วปล่อยให้แก๊สหนีออกมาได้ ความเสี่ยงของการลุกไหม้ภายในถังเก็บของเสียเป็นความกังวลที่มีมากขึ้นในโกดัง