Из истории развития теории горения
статья

История развития теории горения

         Процесс горения принадлежит к числу тех немногих явлений природы, открытие которых относится к самому раннему периоду истории человечества. Использование огня положило начало овладению силами природы и во всем дальнейшем развитии цивилизации играло особую роль в ходе технического прогресса.

С незапамятных времен огонь защищал человека от холода и хищников, помогал готовить пищу, изготавливать оружие и орудия труда. Иногда огонь превращался в стихию, безжалостно уничтожавшую все на своем пути.

Страх перед непостижимой силой огня заставлял видеть в нем нечто сверхъестественное. В течение многих веков люди обожествляли его, воздвигали ему храмы.

Что же представляет собой это явление природы?

Одним из первых об огне заговорил ещё в V веке до нашей эры древнегреческий философ Гераклит: огонь как начало мира. Огонь становился морем, воздухом, землей и вновь возвращался к самому себе. Изменения шли двумя путями – нижним и верхним. Распространяясь с верхних своих вместилищ, огонь превращался в воздух, опускаясь еще ниже, превращался воду, а вода, падая на землю, впитывалась в нее; в свою очередь, земля парила, создавая влагу, которая превращается в тучи и возвращается к исходным своим вершинам в виде огня. Это два направления движения, но «путь наверх и путь вниз един». Так таинственно звучит эта простая мысль, выраженная во фрагментах Гераклита. Утверждение на первый взгляд кажется вздорным, но Гераклит пытался объяснить природные явления без какого-либо участия богов.

Примерно в это же время (V веке до н.э.) Эмпедокл утверждал, что существуют 4 начала всех вещей – огонь, воздух, вода и земля, считая их материальными субстанциями.

В IV веке до н.э. древнегреческий философ Аристотель, признавая эти начала, дополнил их пятым принципом – «существо», но он считал их не материальными субстанциями, а лишь носителями некоторых основных свойств веществ, ощущаемых человеком при помощи осязания: теплоты, холода, сухости, влажности. По его теории горение – это превращение веществ в огонь в результате замены в них влажности и холода теплом и сухостью.

К сожалению, теория Аристотеля дало алхимикам основание задуматься о возможности превращения одних металлов в другие. Алхимики увлеклись поисками «философского камня» и надолго забыли о горении. Только через 16 столетий после Аристотеля алхимики дали свое объяснение горению. Они считали, что все вещества состоят из серы и ртути. Ртуть сообщает металлам ковкость, плавкость, металлический блеск, а сера — желтый цвет, летучесть и горючесть. По мнению алхимиков, в процессе горения вещества теряют серу и становятся негорючими.

В начале XVII в. ученый монах Ян Баптиста ван Гельмонт проделал много опытов по выяснению состава различных веществ. Он открыл и описал углекислый газ, обратив внимание на то, что вещество это образуется при горении и дыхании. Ван Гельмонт не считал огонь элементом и называл его «зажженным дымом». Наблюдательность и точность ученого сочетались у ван Гельмонта с крайним мистицизмом и суеверием: он не мог признать огонь элементом только потому, что «о его творении ничего не сказано в библии».

Долгое время представления об огне и горении оставались столь же наивными с точки зрения современной науки.

Развитие цивилизации требовало все больше энергии, которая получалась, в основном, за счет сжигания древесины, запасы которой были не безграничны. Кроме того, расширялась выплавка различных металлов путем обжига руд, которая также была малоэффективной из-за образования большого количества окалины.

Начало научных разработок, и исследования процессов горения следует отнести к 1660 году к экспериментам представителей оксфордской школы во главе с Робертом Бойлем. Бойль поставил специальный опыт для выяснения природы горения. Он нагревал в запаянных ретортах различные металлы. Металлы при этом превращались в «земли». Взвешивая реторты до опыта и после него, Бойль обнаружил, что после прокаливания вес реторты увеличивался. Это привело его к выводу, что при горении металла «тонкая материя огня проникает через стекло сосуда, присоединяется к металлу и утяжеляет его».

Однако во времена Бойля связь науки с практической деятельностью человечества была слабая.

Только к концу XVII века стала отчетливо проявляться потребность свести многообразные изменения веществ, которые происходят в процессе горения, к одному общему принципу.

Это обусловило то, что в XVII веке немецким ученым Георгом Шталем была создана теория флогистона, установившая глубинную связь между процессами горения и окисления. Флогистон – некоторый абстрактный принцип горючести, который становится «горючей субстанцией» только тогда, когда находится в сложном теле в сочетании с другими веществами. Шталь предполагал, что при нагревании сложных тел флогистон улетучивается и, соединяясь с воздухом, воспламеняется. Однако этому противоречили факты об увеличении массы металлов при их нагревании на воздухе, поэтому последователи флогистона объясняли это тем, что флогистон имеет отрицательный вес, поэтому при прокаливании металлов в воздухе, когда удаляется флогистон, остаток обжигаемого металла становится более тяжелым.

Простота и внешняя убедительность теории флогистона завоевали ей быстрое и всеобщее признание. Однако эта теория пыталась объяснить только, почему горят вещества, и не могла объяснить увеличения веса металлов при их прокаливании.

Победа над заблуждениями теории о флогистоне и переход исследований в области горения на правильную научную основу стало возможным только лишь в середине XVIII века в результате бурного развития химии газов и первым ученым, подвергшим основательной и аргументированной критике теорию флогистона был М.В. Ломоносов. Он впервые показал, что горение – это реакция химического взаимодействия вещества с воздухом. В 1748 г. великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов повторил опыты Бойля по прокаливанию металлов в запаянных ретортах. При этом он обнаружил, что вес реторт с прокаленным металлом увеличивается только в том случае, если в них попадает наружный воздух. Отсюда он пришел к выводу, что Бойль неправильно объяснил увеличение веса металла при прокаливании соединением с ним материи огня. Ломоносов считал, что «частички воздуха, текущего постоянно над обжигаемым телом, соединяются с ним и увеличивают вес его». Это был первый удар по теории флогистона и первый шаг к действительно научному объяснению горения.

Спустя четверть века после Ломоносова французский химик Антуан Лоран Лавуазье предпринял серию обширных исследований процессов горения, обращая особое внимание на количественную сторону явления. Эти исследования, длившиеся 15 лет, привели Лавуазье к опровержению теории флогистона. Он считал, что воздух состоит из двух газов — активного кислорода и инертного азота. А горение веществ есть не что иное, как соединение их с кислородом воздуха. Новая теория объясняла не только горение, но и ряд других процессов — окисление, ржавление, дыхание и образование кислот и оснований. Простота, точность и ясность теории Лавуазье обеспечили ей быстрое и всеобщее признание.

           В начале внимание исследователей процессов горения было направлено на химические аспекты, то есть на изучение преобразования веществ, при горении. Однако для практического использования горения было необходимо исследовать и физику горения, то есть изучить явления воспламенения и распространения пламени, температуру и излучение газов, образовавшихся при сгорании.

В XIX веке исследованием температуры и скорости распространения пламени занимался Р.В. Бунзен. А.Л. Ле-Шателье совместно Ф. Малляром и П.Э.М.Бертло   изучали процессы воспламенения, горения, взрывов и детонации и впервые сделали попытку рассчитать скорость горения. В конце XIX века Малляр и А. Л. Ле-Шателье с появлением технических возможностей начали исследования распространения пламени с помощью фотосъемки.

С началом всех этих исследований изучение процессов горения вступило в новый важный этап. 

В связи с изобретением во второй половине XIX века двигателей внутреннего сгорания расширяются исследования процессов горения, постепенно выделившись в отдельную область знаний, получивших название физика горения.

Выдающийся вклад в развитие теории горения и взрыва внесли представители русской школы горения. Русский ученый В. А. Михельсон в 1890 г. открыл закон распространения пламени, носящий его имя и заложил основы тепловой теории взрывного горения.

В конце XIX века в двигателях внутреннего сгорания стали использовать искровое зажигание, однако научные исследования зажигания были начаты лишь примерно в 1910 году Торнтоном. 

Теория автоокисления, разработанная русским академиком А.Н.Бахом, позволила объяснить самопроизвольно протекающие процессы окисления, являющиеся причиной самовозгорания различных веществ.

В настоящее время изучение горения успешно развивается в областях фундаментальных исследований и практического применения процессов горения. Заметный качественный и количественный скачок в развитии этих исследований произошел перед самым началом Второй мировой войны в связи с разработкой реактивных и ракетных двигателей.

В ХХ веке наука о горении и основанные на ней технологии стали быстро развиваться. В 1926 г. американский инженер Р. Годдард разработал, испытал и получил патент на первую ракету с жидким топливом. Примерно в это же время в СССР Ф.А. Цандер создал и испытал ракетные двигатели на жидком топливе. В 1932 г. в Москве С.П. Королевым была создана группа специалистов по изучению реактивного движения – ГИРД. В августе 1933 г. была запущена первая советская жидкостная ракета ГИРД-09, а в ноябре 1933 г. – ГИРД-10. Эти работы были продолжены С.П. Королевым, В.П. Глушко и другими учеными уже после войны. В результате этих работ СССР стал пионером в освоении космоса. Бурными темпами наука о горении начала развиваться после Второй мировой войны.

Основополагающий вклад в науку о горении был внесен академиком Н.Н. Семеновым. Н.Н. Семенов основал Институт химической физики АН СССР, который на протяжении многих лет занимает ведущее положение в области горения. Работы академика Н.Н.Семенова по изучению механизма разветвленных цепных реакций и теплового самовоспламенения (взрыва) являются выдающимся вкладом в мировую науку, за что он в 1956 году был удостоен Нобелевской премии. Теория цепных реакций горения позволяет объяснить механизм перехода обычного горения во взрывное, а также количественно оценить газовые взрывы. Академик Я.Б. Зельдович (трижды Герой Социалистического Труда) и профессор Д.А.Франк-Каменецкий создали теорию распространения пламени. Исследования наших ученых получили всемирное признание.

С развитием научно-технического прогресса, появлением современного научно-исследовательского оборудования и более мощных электронно-вычислительных устройств развитие теории горения заметно ускорилось. Тем не менее, из-за большой сложности физико-химических процессов горения теория еще далека от совершенства.