Flamme

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Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Flamme (Begriffsklärung) aufgeführt.
Rußende Flamme
Eine Kerzenflamme im Plattenkondensator, der abwechselnd auf 25 kV Spannung aufgeladen und anschließend wieder entladen wurde. Die Flamme verformt sich im elektrischen Feld, da sie ein Plasma ist und somit freie Ladungsträger enthält, die auf ein elektrisches Feld reagieren.
Kerzenflamme in der Schwerelosigkeit
Dimethylamin-Sauerstoff-Flamme bei verschiedenen Brennstoff/Oxidator-Verhältnissen stabilisiert im Niederdruck bei 40 mbar.

Als Flamme wird der Bereich brennender oder anderweitig exotherm reagierender Gase und Dämpfe bezeichnet, in dem Licht emittiert wird.

Vorgang[Bearbeiten]

Die bei einer Reaktion freigesetzte Strahlung wird durch die Lichtemission der Molekülbanden und des atomaren Linienspektrums der an der Verbrennung beteiligten Moleküle und Atome sowie durch Feststoffpartikel und Aerosole hervorgerufen. Feststoffpartikel wie Ruß oder Asche emittieren ein Strahlungsspektrum, das dem eines schwarzen Strahlers bei der Flammentemperatur entspricht. Soweit feste Partikel in der Flamme enthalten sind, überwiegt deren thermische Strahlung.

Bei den meisten technischen Anwendungen ist mit dem Begriff „Flamme“ die sichtbare Reaktion eines Brennstoffs mit dem oxidierenden Sauerstoff gemeint. Der Reaktionsbereich umfasst die Vorwärmzone, die Reaktionszone und die Gleichgewichtszone. Die Flamme bildet sich aus der Reaktionszone heraus. Dies führt meistens zu einem intensiven Leuchten, das den Reaktionsbereich scharf abgrenzt (Flammfront) und verschiedene Farbtöne annehmen kann. Ein bedeutsamer Anteil an der Flammenfärbung wird durch verschiedene Bestandteile in der Reaktionszone hervorgerufen:

  • gelb bis orange: durch (glühende) Rußteilchen (Größenordnung einige 10 nm). Ihr Emissionsspektrum entspricht annähernd dem eines Schwarzen Strahlers
  • blau: durch angeregte CO2-, CH-Radikale
  • türkis: durch C2-Moleküle.

Begriffe[Bearbeiten]

Dagegen strahlen die Reaktionsprodukte der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen (CO2 und H2O) nur im (nicht sichtbaren) infraroten Spektralbereich. Sind in der Flamme eingebrachte Verunreinigungen vorhanden, kommt es zu intensiven Flammenfärbungen, deren Farbton von den Inhalten abhängt. Hier trägt hauptsächlich die Strahlung energetisch tief liegender Resonanzübergänge (erster angeregter Zustand) zum Flammenleuchten bei. Eine besonders einfache Farbänderung ins Gelbe lässt sich durch den Natriumanteil im Kochsalz erreichen. Angewendet wird diese Möglichkeit bei Feuerwerkskörpern, die in allen Farben des Farbkreises reagieren.

Charakterisierung[Bearbeiten]

Es gibt mehrere Möglichkeiten eine Flamme zu charakterisieren. Dazu gehört die Art der Strömung (laminar oder turbulent), das Verhältnis von Brennstoff und Oxidator und, ob diese schon vor der Verbrennung gemischt oder nicht-gemischt vorliegen.

So liegt bei „vorgemischten Flammen“ schon ein homogenes Gemisch an Brennstoff und Oxidator vor, bevor der Verbrennungsprozess stattfindet (beispielsweise Bunsenbrenner oder Otto-Motor). Bei "nicht-vorgemischten Flammen" treffen Brennstoff und Oxidationsmittel erst in der Reaktionszone aufeinander und reagieren dort miteinander. Der Verbrennungsprozess findet hierbei an der Grenzfläche statt, an der sich die Gase mischen (beispielsweise Kerze, Lagerfeuer, Flugzeugturbine).

Darüber hinaus kann man eine Flamme über ihr Brennstoff-Oxidator-Verhältnis beschreiben. Flammen mit einem Brennstoffüberschuss werden als "fette" Flammen bezeichnet, während Flammen mit Oxidatorüberschuss "magere" Flammen sind. Eine präzisere Angabe darüber, welche Mischung vorliegt, erfolgt über das Äquivalenzverhältnis Φ (chemische Bezeichnung) oder die Luftzahl λ (technische Bezeichnung).

Des Weiteren unterscheidet man zwischen laminaren und turbulenten Flammen. [1]

  • Als Reduktionsflamme (leuchtende Flamme) wird eine Flamme mit niedrigem Sauerstoffanteil bezeichnet. In der Flamme bildet sich dabei vorwiegend Ruß, der für das intensive Leuchten der Flamme verantwortlich ist.
  • Oxidationsflammen enthalten Sauerstoff im Überschuss. Wegen des geringen Rußanteils leuchten sie nur schwach.

Eine Stichflamme entsteht, sobald sich ein oxidationsfähiges, unter Druck stehendes Gasgemisch plötzlich mit Sauerstoff verbinden kann. Dabei muss die Aktivierungsenergie dieser Reaktion durch eine äußere Zündquelle erreicht werden, insbesondere, wenn die Zündtemperatur des jeweiligen Reaktionsgemisches überschritten wird.

Trivia[Bearbeiten]

  • Die bisher heißeste Flamme entsteht bei einer Reaktion von Dicyanoethin und Ozon bei 40 bar Druck und erreicht eine Flammentemperatur von etwa 6.000 °C. Die theoretischen Verbrennungstemperaturen von Kohlenwasserstoffen mit Luft liegen um 2.000 K. Solche bei Idealbedingungen möglichen Temperaturen werden in alltäglichen Flammen bei weitem nicht erreicht. Sehr heiße Flammen treten auch bei den Trägerraketen für Weltraumsatelliten aus.
  • Die abgeleitete Bedeutung „Flamme“ wird seit dem 18. Jahrhundert metaphorisch für ein Mädchen genutzt, in das man verliebt und für welches man also entflammt ist. Vergleiche dazu auch den Liedtext Kein Feuer, keine Kohle kann brennen so heiß, // Als heimlich stille Liebe, von der niemand nichts weiß. (Volkslied, 18. Jahrhundert)
  • Am 12. Juli 1918 explodierte infolge einer Selbstentzündung von Kordit die Munitionskammer des japanischen Schlachtschiffes Kawachi. Eine 200 Meter hohe Stichflamme entstand; das Schiff sank in nur vier Minuten. 621 der 1059 Menschen an Bord starben.

Siehe auch[Bearbeiten]

 Wikiquote: Flamme – Zitate
 Wiktionary: Flamme – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Quellen[Bearbeiten]

  1. Verbrennung J. Warnatz, U. Maas, R.W. Dibble