炎

炭の炎

炎（ラテン語のflamma [ 1 ]に由来）は、火の目に見えるガス状の部分です。炎は、薄い領域で起こる非常に発熱性の高い化学反応によって発生します。 [ 2 ]炎が十分に高温になり、十分な密度のイオン化されたガス成分を含む場合、それはプラズマとみなされます。[ 3 ]

機構

ろうそくの炎の領域発光領域の内部は非常に高温になり、1,500 °C (2,730 °F) を超えることもあります。[ 4 ]

炎の色と温度は、燃焼に関与する燃料の種類によって異なります。例えば、ライターをろうそくにかざすと、その熱によってろうそくのろうに含まれる燃料分子が気化します。[注 1 ]この状態では、燃料分子は空気中の酸素と容易に反応し、その後の発熱反応で十分な熱を放出してさらに多くの燃料を気化させ、安定した炎を維持します。炎の高温により、気化した燃料分子は分解し、様々な不完全燃焼生成物やフリーラジカルを形成します。これらの生成物は互いに反応し、さらに次の炎（火）の反応に関与する 酸化剤と反応します。

冷たい金属のスプーンを使って、ろうそくの炎の様々な部分を調べることができます。[ 5 ]炎の高い部分では燃焼の結果、水蒸気の沈殿が生じ、中央の黄色い部分はすすを生じ、ろうそくの芯に近い領域では燃えていない蝋が生じます。金細工師は、金属製の吹き管で炎の高い部分を使って金や銀を溶かします。炎に十分なエネルギーがあると、メチリジンラジカル(CH) や二原子炭素(C 2 ) などの一時的な反応中間体の電子が励起され、その結果、これらの物質が余分なエネルギーを放出して可視光が放射されます (どのラジカル種がどの特定の色を生成するかについては、下のスペクトルを参照してください)。炎の燃焼温度が上昇すると (炎に未燃焼の炭素などの小さな粒子が含まれている場合)、炎から放射される電磁放射の平均エネルギーも増加します (黒体を参照)。

酸素以外の酸化剤も炎を発生させるために使用できます。塩素中で水素を燃焼させると炎が発生し、その過程で燃焼生成物として塩化水素（HCl）ガスが発生します。 [ 6 ]他にも多くの化学結合が考えられますが、ヒドラジンと四酸化窒素の組み合わせは自発燃焼性があり、ロケットエンジンでよく使用されます。フッ素ポリマーは、マグネシウム／テフロン／バイトンの混合物のように、金属燃料の酸化剤としてフッ素を供給するために使用できます。

炎中で起こる化学反応は非常に複雑で、典型的には多数の化学反応と中間体（そのほとんどはラジカル）を伴います。例えば、よく知られている化学反応速度論スキームであるGRI-Mech [ 7 ]は、バイオガスの燃焼を記述するために53種の化学種と325の素反応を用いています。

燃焼に必要な成分を炎に分配する方法はいくつかあります。拡散炎では、酸素と燃料が互いに拡散し、両者が出会う場所で炎が発生します。予混合炎では、酸素と燃料が事前に混合されているため、異なるタイプの炎が発生します。ろうそくの炎（拡散炎）は、層流の高温ガス中に上昇する燃料の蒸発によって燃焼します。この層流は周囲の酸素と混合し、燃焼します。

色

ブタントーチから発せられる青色（予混合、すなわち完全燃焼）炎のスペクトル。分子ラジカル発光バンドとスワンバンドが見られる。生成される光のほぼ全ては、約565ナノメートル以下のスペクトルの青から緑の領域にあり、これが煤のない炭化水素炎の青みがかった色の原因となっている。

炎の色はいくつかの要因に依存しますが、最も重要なのは一般的に黒体放射とスペクトル線放射であり、スペクトル線放射とスペクトル線吸収もそれぞれ小さな役割を果たします。最も一般的な炎である炭化水素炎では、色を決定する最も重要な要因は酸素供給量と燃料と酸素の予混合の程度です。予混合は燃焼速度、ひいては温度と反応経路を決定し、それによって異なる色合いを生み出します。

ブンゼンバーナーの炎の種類は、酸素供給量によって異なります。左側は、酸素が予混合されていない濃い燃料では、黄色い煤煙のような拡散炎が発生します。右側は、酸素が完全に予混合された薄い燃料では煤煙は発生せず、炎の色は分子ラジカル、特にCHとC2バンドの発光によって生成されます。

通常の重力条件下、空気取り入れ口が閉じられた実験室では、ブンゼンバーナーはピーク温度が約 2,000 K (3,100 °F) の黄色い炎 (安全炎とも呼ばれる) で燃焼します。黄色は、炎の中で生成される非常に細かいすす粒子の白熱によって生じます。また、一酸化炭素も生成され、炎は接触する表面から酸素を奪う傾向があります。空気取り入れ口が開いていると、すすと一酸化炭素の生成量は少なくなります。十分な空気が供給されると、すすも一酸化炭素も生成されなくなり、炎は青色になります (この青色のほとんどは、以前は明るい黄色の放出によって不明瞭でした)。右側の予混合 (完全燃焼)ブタン炎のスペクトルは、青色が炎の中で励起された分子ラジカルの放出によって特に生じていることを示しています。これらのラジカルの光のほとんどは、可視スペクトルの青と緑の領域で、約 565 ナノメートルよりはるかに低い波長で放出されます。

拡散（不完全燃焼）炎の冷たい部分は赤色で、温度が上昇するにつれて黒体放射スペクトルの変化からわかるように、オレンジ色、黄色、白色へと変化します。炎の特定の領域において、このスケールで白に近いほど、炎のその部分は高温になります。この変化は火災でよく見られ、燃料に最も近い部分が白色で、その上にオレンジ色の部分が、そして赤みがかった炎が最も高温になります。[ 8 ]青色の炎は、煤の量が減少し、励起分子ラジカルからの青色放射が優勢になった場合にのみ現れますが、空気中の煤の濃度が低いろうそくの底部付近では、青色がよく見られます。[ 9 ]

明るい発光スペクトル線を持つ励起性化学種を導入することで、炎に特定の色を付与することができます。分析化学では、この効果は炎色試験（または炎色発光分光法）において、特定の金属イオンの存在を判定するために利用されます。花火では、花火用着色剤を用いて鮮やかな色の花火を製作します。

温度

ナトリウムの炎色試験。このガス炎の黄色は、すす粒子の黒体放射によるものではなく（炎は明らかに青色の予混合完全燃焼炎であるため）、ナトリウム原子のスペクトル線放射、特に非常に強いナトリウムD線によるものです。

炎の温度を観察する際には、変化したり影響を与えたりする要因が数多くあります。重要な点の一つは、炎の色は必ずしも温度の比較を決定づけるものではないということです。なぜなら、黒体放射だけが炎の色を生成または決定するわけではないからです。したがって、炎の色は温度の推定値に過ぎません。炎の温度を決定する他の要因には、以下のようなものがあります。

  • 火災（特に住宅火災）では、炎の温度が低い方が赤い場合が多く、煙が多く発生します。この場合、炎の一般的な黄色と比べて赤い色は、温度が低いことを示しています。これは、室内の酸素が不足しているために不完全燃焼が起きており、炎の温度が低く、600～850℃（1,112～1,562℉）しかないことが多いためです。つまり、一酸化炭素（可燃性ガス）が大量に発生し、逆流の危険性が最も高くなります。逆流が発生すると、自然発火の引火点以上の可燃性ガスが酸素にさらされ、一酸化炭素と過熱した炭化水素が燃焼し、一時的に最高2,000℃（3,630℉）の温度が発生します。

一般的な炎の温度

これは、さまざまな一般的な物質の炎の温度の大まかなガイドです（1 気圧の空気中、20 °C (68 °F)）。

焼失した物質 炎の温度
ブタン約300℃（約600℉）（低重力下では冷たい炎） [ 10 ]
炭火​ 750～1,200℃（1,382～2,192°F）
メタン（天然ガス） 900～1,500℃（1,652～2,732℉）
ブンゼンバーナーの炎 900～1,600 °C（1,652～2,912 °F）[エアバルブの開閉に応じて変化します。]
ろうそくの炎 ≈1,100 °C (≈2,012 °F) [大部分]; ホットスポットは1,300～1,400 °C (2,372～2,552 °F) になる場合があります
プロパンガストーチ1,200～1,700℃（2,192～3,092°F）
バックドラフト炎のピーク 1,700～1,950℃（3,092～3,542℉）
マグネシウム1,900～2,300℃（3,452～4,172℉）
水素トーチ最大約2,000℃（約3,632℉）
MAPPガス2,020℃（3,668℉）
アセチレンブローランプ/ブロートーチ最大約2,300℃（約4,172℉）
酸素アセチレン最高3,300℃（5,972℉）
焼失した物質 最高炎温度（空気中、拡散炎）[ 8 ]
動物性脂肪 800～900℃（1,472～1,652°F）
灯油990℃（1,814℉）
ガソリン1,026℃（1,878.8℉）
木材 1,027℃（1,880.6℉）
メタノール1,200℃（2,192℉）
木炭（強制通風） 1,390℃（2,534℉）

最高気温

ジシアノアセチレンは炭素と窒素の化合物で、化学式はC 4 N 2です。酸素中では明るい青白色の炎を出して5,260  K （4,990 °C; 9,010 °F）の温度で燃焼します。オゾン中では最高6,000 K（5,730 °C; 10,340 °F）で燃焼します。[ 11 ]この高い炎の温度は、燃料に水素が含まれていないこと（ジシアノアセチレンは炭化水素ではない）に一部起因しており、燃焼生成物に水は含まれていません。

化学式(CN) 2で表されるシアンは、酸素中で燃焼すると4,525℃（8,177℉）を超える温度の、知られている中で2番目に熱い自然の炎を発生させます。[ 12 ] [ 13 ]

冷たい炎

120℃（248℉）という低温でも、燃料と空気の混合気は化学反応を起こし、冷炎と呼ばれる非常に弱い炎を発生させます。この現象は1817年にハンフリー・デービーによって発見されました。この反応は、反応混合物の温度と濃度の微妙なバランスに依存しており、条件が適切であれば、外部の発火源がなくても開始できます。化学物質、特に反応中間生成物のバランスの周期的な変動は、炎に振動を引き起こし、典型的な温度変動は約100℃（212℉）、つまり「冷炎」から完全発火までの範囲です。この変動は、爆発につながることもあります。[ 10 ] [ 14 ]

微小重力下で

無重力状態では、対流によって高温の燃焼生成物が燃料源から運び去られることはなく、結果として球状の炎の前面が形成されます。

2000年に、NASAの実験により、重力が炎の形成と構成に間接的な役割を果たしていることが確認されました。[ 15 ]通常の重力条件下での炎の一般的な分布は対流に依存しており、すすは炎の上部に上がる傾向があるため（通常の重力条件下でのろうそくなど）、黄色になります。軌道上などの微小重力または無重力環境では、自然対流は発生せず、炎は球形になり、より青く効率的になる傾向があります。この違いにはいくつかの説明が考えられますが、最も可能性の高いのは、温度が十分に均一に分布しているためにすすが生成されず、完全燃焼が起こるという仮説です。[ 16 ] NASAの実験により、微小重力での拡散炎では、通常の重力条件と比較して微小重力で異なる一連のメカニズムの作用により、地球上の拡散炎よりも多くのすすが生成された後、完全に酸化されることが明らかになっています。[ 17 ]これらの発見は、特に燃費効率に関して応用科学や民間産業に応用される可能性がある。

エッジフレーム

エッジ炎または三重炎とは、部分的に予混合された反応混合物中の静止または移動する炎の縁を指します。標準的なエッジ炎は、燃料が濃い予混合炎と薄い予混合炎の2つの予混合炎と、それに続く拡散炎からなる三重炎構造を有します。三重炎の理論的発展は、ジョン・W・ドルド[ 18 ]、ジョエル・ダウ、アマブル・リニャン[ 19 ]によって行われました。

熱核炎

炎は化学エネルギーの放出のみによって駆動される必要はない。恒星では、軽い原子核（炭素やヘリウムなど）から重い原子核（鉄族まで）までが燃焼することで駆動される亜音速の燃焼面が炎として伝播する。これはIa型超新星のいくつかのモデルにおいて重要である。熱核炎では、熱伝導が種の拡散よりも支配的であるため、炎の速度と厚さは熱核エネルギーの放出と熱伝導率（多くの場合、縮退電子の形で現れる）によって決定される。[ 20 ]

参照

注記

  1. ^このプロセスが酸化剤なしの不活性雰囲気で起こる場合、それは熱分解と呼ばれます。

参考文献

  1. ^ 「FLAMEの定義」 www.merriam-webster.com 2025年12月8日2025年12月12日閲覧。
  2. ^ Law, CK (2006). 「層流予混合炎」 .燃焼物理学. ケンブリッジ大学出版局, イギリス. p. 300. ISBN 0-521-87052-6。
  3. ^ 「炎にはプラズマが含まれているか？」『驚きの答えが見つかる科学の質問』2022年6月26日閲覧。
  4. ^ Zheng, Shu; Ni, Li; Liu, Huawei; Zhou, Huaichun (2019年4月1日). 「ハイパースペクトルイメージング技術を用いたろうそくの炎の温度分布と放射率の測定」 . Optik . 183 : 222–231 . doi : 10.1016/j.ijleo.2019.02.077 . ISSN 0030-4026 . S2CID 126553613 .  
  5. ^ GhostarchiveとWayback Machineにアーカイブ：「What Is Fire?」 . YouTube . 2015年8月3日. 2019年11月27日閲覧。
  6. ^ 「塩素と水素の反応」 。2008年8月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  7. ^ Gregory P. Smith; David M. Golden; Michael Frenklach; Nigel W. Moriarty; Boris Eiteneer; Mikhail Goldenberg; C. Thomas Bowman; Ronald K. Hanson; Soonho Song; William C. Gardiner Jr.; Vitali V. Lissianski; Zhiwei Qin. 「GRI-Mech 3.0」 。 2007年10月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2007年11月8日閲覧。
  8. ^ a bクリストファー・W・シュミット、スティーブ・A・サイムズ（2008年）『焼死体遺体の分析』アカデミック・プレス、pp.  2-4 . ISBN 978-0-12-372510-3。
  9. ^ヨゼフ・ヤロシンスキー、ベルナール・ヴェイシエール（2009年）『燃焼現象：炎の形成、伝播、消炎のメカニズム』CRCプレス、172ページ。ISBN 978-0-8493-8408-0。
  10. ^ a bパールマン、ハワード、チャペック、リチャード・M. (2000年4月24日). 「微小重力下における冷炎と自動点火」 NASA . 2010年5月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年5月13日閲覧。
  11. ^ Kirshenbaum, AD; AV Grosse (1956年5月). 「亜窒化炭素（NC 4 N）の燃焼と5000～6000Kの範囲で連続温度を生成する化学的方法」アメリカ化学会誌. 78 (9): 2020. doi : 10.1021/ja01590a075 .
  12. ^ Thomas, N.; Gaydon, AG; Brewer, L. (1952). 「シアン炎とN2の解離エネルギー」. The Journal of Chemical Physics . 20 (3): 369– 374. Bibcode : 1952JChPh..20..369T . doi : 10.1063/1.1700426 .
  13. ^ JB Conway; RH Wilson Jr.; AV Grosse (1953). 「シアン-酸素炎の温度」.アメリカ化学会誌. 75 (2): 499. Bibcode : 1953JAChS..75..499C . doi : 10.1021/ja01098a517 .
  14. ^ジョーンズ、ジョン・クリフォード（2003年9月）「低温酸化」炭化水素プロセスの安全性：学生と専門家のためのテキスト。タルサ、オクラホマ州：ペンウェル。32  ～ 33頁。ISBN 978-1-59370-004-1。
  15. ^微小重力下の螺旋炎Archived 19 March 2010 at the Wayback Machine、アメリカ航空宇宙局、2000年。
  16. ^微小重力下のろうそくの炎2011年10月26日アーカイブ、Wayback Machineにて。NASA
  17. ^ CH Kim et al. Laminar Soot Processes Experiment Shedding Light on Flame Radiation Archived 11 January 2014 at the Wayback Machine . NASA , HTML Archived 20 July 2012 at the Wayback Machine
  18. ^ Dold, JW (1989). 不均一混合気中の火炎伝播：緩やかに変化する三重炎の解析. 燃焼と炎, 76(1), 71-88.
  19. ^ Daou, J., & Linán, A. (1998). 歪混合層における着火・消火前線における不等拡散係数の役割. 燃焼理論とモデリング, 2(4), 449.
  20. ^ Timmes, FX; Woosley, SE (1992年9月1日). 「核炎の伝導伝播．I. 縮退したC + OおよびO + Ne + Mg白色矮星」 .アストロフィジカル・ジャーナル. 396 : 649–667 . Bibcode : 1992ApJ...396..649T . doi : 10.1086/171746 .
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