Feuer / Flamme

Was ist eigentlich Feuer, und warum brennt es ??

Geschichtliches

Obwohl die Menschen seit Urzeiten mit Feuer vertraut sind, gelang es ihnen erst recht spät, die Vorgänge während eines Feuers zu erklären. Die ältesten bekannten Erklärungsversuche stammen von dem griechischem Philosophen Aristoteles (384-322 v. Chr.).
Für ihn gehörte Feuer zu den vier Grundelementen: Feuer, Wasser, Erde und Luft. Alle anderen Dinge bestanden für ihn aus Mischungen dieser vier Grundelemente. Zu Beginn des 18. Jahrhunderts dann stellte Georg Ernst Stahl die sogenannte "Phlogistonhypothese" auf. Nach dieser Theorie enthält jeder brennbare Stoff Phlogiston, das beim Verbrennen als Flamme entweicht. Als man aber feststellte, dass Stoffe beim Verbrennen an Gewicht zunahmen, musste die Theorie erweitert werden, indem man dem Phlogiston ein "negatives Gewicht" zuschrieb. Zugutehalten muss man ihm, dass er noch gar nichts von der Zusammensetzung der Luft wusste. Dem Franzosen Lavoisier gelang es 1775, die Phlogistonhypothese zu widerlegen. Er erkannte die richtigen Zusammenhänge, die zu unserem heutigen Wissen über die Verbrennung geführt haben:

"Bei der Verbrennung verbindet sich ein bestimmter Teil der Luft (Sauerstoff)
unter Wärmeabgabe mit dem brennbaren Stoff."

Eine Verbrennung wird daher auch als "Oxidation" (Verbindung mit Sauerstoff) bezeichnet. Dieser bestimmte Teil der Luft wurde 1777 von dem schwedischen Wissenschaftler deutscher Herkunft Carl Wilhelm Scheele isoliert und in seinem Buch "Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer" beschrieben. Er nannte ihn "Feuerluft", heute kennen wir ihn unter dem Namen "Sauerstoff"

Voraussetzungen für ein Feuer ...

Damit eine Verbrennung "funktioniert", müssen bestimmte Stoffe vorhanden sein oder bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden:

• Sauerstoff 
• brennbarer Stoff 
• beides in einem bestimmten Mengenverhältnis 
• Zündtemperatur 
• ggf. Katalysator

Wird einer dieser Punkte weggenommen, so kann die Verbrennung nicht mehr weiter verlaufen. Ist dann auch noch brennbares Material nachweisbar, haben wir "gelöscht". 

Sauerstoff:
Sauerstoff (chem. Zeichen: O )ist das häufigste chemische Element der Erdrinde. Es ist in der Luft zu 20,95 Vol.-% enthalten. Wasser z.B. besteht zu 88 Gew.-% aus Sauerstoff. Es ist ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Sauerstoff selbst ist nicht brennbar, fördert aber die Verbrennung.

Brennbarer Stoff:
Brennbare Stoffe sind feste, flüssige oder gasförmige Stoffe einschließlich Dämpfe, Nebel oder Stäube, die im Gemisch mit Sauerstoff und einer geeigneten Zündquelle zum Brennen angeregt werden können. Brennbare Stoffe können auf verschiedenste Art und Weise eingeteilt werden:
  - nach Brennbarkeit
  - nach dem Flammpunkt
  - nach der Zündtemperatur
  - nach der Mindestzündenergie
  - nach der Grenzspaltweite
  - nach dem Brandverhalten.
Brennbare Stoffe, die nach dem Brandverhalten beurteilt werden, werden in fünf sogenannte Brandklassen eingeteilt:

Mengenverhältnis:
Das Mengenverhältnis kann großen Einfluss darauf haben, wie eine Verbrennung abläuft. Ein großes Holzstück lässt sich nur schwer anzünden. Das gleiche Stück Holz aber zu Staub zermahlen lässt sich sehr gut zünden und kann in der Luft verteilt gar zu einer Explosion führen. Analog dazu kann ein voller Behälter, der z.B. mit Benzin gefüllt ist, nicht zur Explosion gebracht werden; während die berühmte Schnapsglasmenge Benzin im luftgefüllten 200-Liter-Fass bei der Zündung den Zündenden im wahrsten Sinne des Wortes aus den Socken reißt.

Bei festen Stoffen verläuft die Verbrennung um so schneller, je größer das Verhältnis Oberfläche zu Masse ist. Durch eine große Oberfläche wird dem Sauerstoff die Möglichkeit gegeben, sich in kurzer Zeit mit sehr vielen Molekülen des brennbaren festen Stoffes zu verbinden.
Dämpfe oder Gase im Gemisch mit Sauerstoff müssen nicht in jedem Mischverhältnis zündbar sein. Der sogenannte Zündbereich (oder Explosionsbereich) ist die Konzentration, in der sich die brennbaren Gase, Nebel oder Dämpfe im Luftgemisch zünden lassen. Der Zündbereich ist von Stoff zu Stoff verschieden. Die niedrigste Konzentration, in der sich ein Gas-Gemisch,ect., zünden läßt, nennt man "untere Explosionsgrenze"; darunter ist das Gemisch zu "mager". Die höchste Konzentration, in der sich ein Gas-Gemisch,ect., zünden läßt, bezeichnet man als "obere Explosionsgrenze"; darüber ist das Gemisch zu "fett". (oberer/unterer) Explosionsbereich am Beispiel von Kohlenmonoxid:

  Gemisch zu mager = 0 Vol.-% 12.5 Vol.-%   <= (unterer) Explosionsbereich
  Gemisch zu fett     =75 Vol.-% 100 Vol.-%      => (oberer) Explosionsbereich

Beispiele für Explosionsgrenzen von verschiedenen Stoffen: 

Je größer der Explosionsbereich, desto gefährlicher ist natürlich auch der Umgang mit diesem Stoff. Acetylen ist quasi in jeder Konzentration explosibel.

Zündtemperatur:
Die Zündtemperatur ist die niedrigste Temperatur, bei der ein fester Stoff zum Brennen angeregt wird oder ein explosionsfähiges Luftgemisch bei Berührung zum Brennen angeregt wird.
Da die Zündtemperatur von verschiedenen Randbedingungen abhängt, lässt sich eine genaue Angabe der Zündtemperatur eines bestimmten Stoffes nur grob angeben. Beeinflusst wird die Zündtemperatur zu Beispiel von: 
  - Art der Zündquelle
  - Dauer der Erwärmung
  - Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft
  - das Verhältnis Oberfläche zu Masse
  - der Feuchtigkeitsgehalt des Stoffes.Beispiele für Zündtemperaturen verschiedener Stoffe

Katalysator:
Katalysatoren beschleunigen oder ermöglichen eine Verbrennung, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Die Wirkungsweise eines Katalysators beruht darauf, daß er mit einer der Substanzen des Materials eine reaktionsfähige Zwischenverbindung bildet, die eine geringere Aktivierungsenergie besitzt als das ursprüngliche Material. Die Zwischenverbindung reagiert mit dem anderen Reaktionspartner dann so, daß der Katalysator im Lauf der Reaktion wieder freigesetzt wird.

Wichtige Begriffe:

Flammpunkt (Brandklasse B):
Der "Flammpunkt einer brennbaren Flüssigkeit ist die niedrigste Flüssigkeitstemperatur, bei der sich unter festgelegten Bedingungen Dämpfe in solcher Menge entwickeln, daß über dem Flüssigkeitsspiegel ein durch Fremdentzündung entzündbares Dampf/Luft-Gemisch entsteht."(DIN 14011 Teil 1) Wird die Zündquelle weggenommen, so läuft die Verbrennung nicht mehr von alleine weiter: Die Flammen erlöschen.

Brennpunkt (Brandklasse B):
Der Brennpunkt einer brennbaren Flüssigkeit ist die niedrigste Flüssigkeitstemperatur, bei der ein fremdgezündetes Dampf/Luft-Gemisch weiterbrennt, selbst wenn die Zündquelle entfernt worden ist. Der Brennpunkt liegt grundsätzlich über dem Flammpunkt. Je niedriger der Flammpunkt ist, um so näher liegt auch der Brennpunkt am Flammpunkt.

Einteilung brennbarer Flüssigkeiten nach VbF:
Bei Flüssigkeiten brennt nicht die Flüssigkeit selbst, sondern die über der Flüssigkeitsoberfläche vorhandenen Dämpfe, die mit dem Sauerstoff der Luft durchmischt entzündbar sind. Die "Verordnung über brennbare Flüssigkeiten" (VbF) teilt brennbare Flüssigkeiten in 2 Gefahrklassen ein. Die Kenntnis über diese Gefahrklassen ist sehr wichtig bei der Wahl der Löschmethode und der Abschätzung der Gefahr, die von dieser Flüssigkeit ausgeht.

Gefahrklasse B: Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt unter 21° C, die sich bei 15° C beliebig in Wasser lösen lassen. Solche Flüssigkeiten kann man beispielsweise mit Wasser löschen, da durch das Vermischen mit dem Wasser der Flammpunkt der brennbaren Flüssigkeit immer weiter nach oben wandert. Beispiel: Alkohol, Aceton

Gefahrklasse A: Diese Gefahrklasse ist dreifach unterteilt:

Gefahrklasse A1: Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt unter 21° C, die sich nicht in Wasser lösen lassen. Beispiel: Benzin, Ether.

Gefahrklasse A2: Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt von 21° C bis 55° C, die sich nicht in Wasser lösen lassen. Beispiel: Petroleum.

Gefahrklasse A3: Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt von 55° C bis 100°C , die sich nicht mit Wasser lösen lassen. Beispiel: Dieselkraftstoff.

Allgemein gilt:
 - Brennende Flüssigkeiten der Gefahrklasse A nicht mit Wasser löschen!
 - Je niedriger der Flammpunkt, um so größer die Gefahr, dass sich brennbare Dämpfe bilden => Um so größer die Gefahr für die Einsatzkräfte (Diesel z.B. ist für uns erheblich ungefährlicher als Benzin, da er erst auf über 55° C erhitzt werden muss, bevor er brennbare Dämpfe entwickelt.).

Oxidationsgeschwindigkeit -> ohne Lichterscheinung ;   Bsp. gären, rosten, verwesen 
Oxidationsgeschwindigkeit -> mit Lichterscheinung;   Bsp. normales Brennen  Verpuffung  Deflagration  Detonation   

Interessant für uns sind natürlich nur Oxidationen mit Lichterscheinung. Arten solcher Oxidation sind:

Explosion:
Eiine Explosion ist eine sehr schnelle Verbrennung, die eine Temperatur- oder Druckerhöhung oder beides gleichzeitig bewirkt. Nach der Ausbreitungsgeschwindigkeit und Druckerhöhung unterscheidet man zwischen Verpuffung, Deflagration und Detonation.

Verpuffung:
Eine Verpuffung ist eine Explosion mit einer Flammenausbreitungsgeschwindigkeit unter 1m/s und einem geringen Druckanstieg unter 1 bar.

Deflagration:
Eine Deflagration ist eine gedämmte Explosion mit einer Flammenausbreitungsgeschwindigkeit unter der Schallgrenze (bis 330m/s) und einem Druckanstieg bis zu 1-14 bar.

Detonation:
Eine Detonation ist eine aufs Äußerste gesteigerte Explosion mit einer Flammenausbreitungsgeschwindigkeit von bis zu einigen km/s und einem Druckanstieg von mehr als 10 bar. Sie tritt meist auf, wenn der brennbare Stoff mit reinem Sauerstoff gemischt vorliegt, wie zum Beipiel bei der Knallgasreaktion (Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch) oder bei Sprengstoffen.

Flash-Over:
Der Flash-Over (deutsch: "Feuerübersprung"), mittlerweile als "Backdraft" schon zu Hollywoodehren gekommen, stellt eine besondere Gefahr für die Einsatzkräfte dar. In einen verschlossenen Raum sei der Sauerstoff aufgebraucht. Durch starke Wärmeentwicklung bei der Entstehungsphase eines Brandes werden brennbare Stoffe in einem Raum thermisch aufbereitet. Es entstehen Brandgase (Pyrolysegase), die ein explosives Gemisch bilden und ihre Zündtemperaturen erreichen. Wird nun dem Gemisch Sauerstoff hinzugefügt (z.B. durch das Öffnen der Zimmertür), so sind alles Voraussetzungen für eine Oxidation vorhanden. Es kommt zu einem schlagartigen Durchzünden und einer Brandübertragung (Stichflamme!).
Abhilfe: Deckung suchen! (Wenn irgend möglich, beim Öffnen der Türe mit Sprühstrahl gegen die Decke spritzen. Dadurch wird das explosive Gemisch, welches zur Decke gestiegen ist, unter die Zündtemperatur abgekühlt. Wie die zeitliche Abfolge eine solche Aktion zuläßt, ist natürlich fraglich.)

Oberfläche/Masse:
Laut Verbrennungstheorie lässt sich die Verbrennungsgeschwindigkeit eines festen Stoffes erhöhen, indem der brennbare feste Stoff zerkleinert oder feinst zerteilt wird. Dadurch wird die Oberfläche (bei gleichbleibender Masse) des brennbaren Stoffes größer, und der Sauerstoff kann schneller mit dem brennbaren Stoff in Kontakt treten. Das Verhältnis Oberfläche/Masse wächst also beim Zerteilen. Das folgende Modell soll das Anwachsen des Verhältnisses verdeutlichen: Man stelle sich einen Würfel mit einer Kantenlänge von 1 m vor, der aus einen Material wie Holz besteht

Die Fläche jeder Seite beträgt 1 m x 1 m = 1 m². Da ein Würfel 6 Seiten besitzt, beträgt seine Gesamtfläche 6 x 1m² = 6m² Wenn man den Würfel in gleicher Richtung zu zwei Seitenebenen, also parallel zu zwei Kanten, durchschneidet, so erhöhe ich die Gesamtfläche des ursprünglichen Materials um 2 m².

1.
Will man den großen Würfel in 8 kleinere Würfel (Kantenlänge: 50 cm) zerteilen, so sind 3 Schnitte, nämlich 1 horizontaler und 2 vertikale Schnitte notwendig. Die Gesamtfläche erhöht sich also: 3 [Schnitte] x 2 m² = 6 m² . Die Gesamtfläche hat sich also bereits durch 3 Schnitte verdoppelt.

2.
Man zerteile den großen Würfel in Knobelwürfel von 2 cm Kantenlänge. Dafür muss der Würfel 3 x (100 cm / 2 cm - 1) = 147 mal zerteilt werden. Die Gesamtfläche beträgt nun 6 m² + 147 x 2 m² = 300 m² . Unsere ursprüngliche Fläche eines Badezimmers ist mittlerweile auf die Gesamtfläche von 3 großen Wohnungen angewachsen.

3.
Man zerteile den großen Würfel zu grobem Mehl (in Würfelchen von 0,1 mm Kantenlänge). Dafür muss der Würfel 3 x (1000 mm / 0,1 mm - 1) = 29,997 mal zerteilt werden. Die Gesamtfläche beträgt nun 6 m² + 29.997 x 2 m² = 60.000 m² . Dies entspricht einer Fläche von 10 Fußballfeldern.

4.
Man zerteile den großen Würfel zu Staubpartikeln durchschnittlicher Größe (Kantenlänge: 0,0005 mm). Dafür muss der Würfel 3 x (1000 mm / 0,0005 mm -1) = 5.999.997 mal zerteilt werden. Die Gesamtfläche beträgt nun 6 m² + 5.999.997 x 2 m² = 12.000.000 m² . Dies entspricht etwa einem Elftel der Fläche der Stadt Bonn (140.000.000 m²). Beim letzten Beispiel hat sich also im Vergleich zur Ausgangslage das Verhältnis Oberfläche/Masse verzweimillionenfacht.