See on masintõlge; algne artikkel on inglise keeles. Loe originaali
Tulekahju mõõdetakse hapniku järgi, mida see tarbib
Metaan annab iga põletatud kilogrammi kohta 50,03 MJ ja suhkur 14,10. Kui jagada see hoopis kummagi tarbitud hapnikuga, annavad need 12,54 ja 13,24. Tuleohutuslaborid toetuvad teisele paarile: nad mõõdavad põleva diivani soojust selle suitsust puuduva hapniku järgi, teadmata kunagi, millest diivan tehtud oli.
Põlev diivan eraldab soojust kiirusega, mis määrab suuresti selle, kas ruumis toimub üldsüttimine, ja diivani enda järgi ei oska seda kiirust keegi öelda. Ilmne meetod korrutab kaks arvu: kui palju soojust annab materjali kilogramm ja mitu kilogrammi põleb igas sekundis. Vahu, kanga, puidu ja liimi segu puhul pole esimene teada ning täismõõtmelises katses on teist raske mõõta. Babrauskas ja Peacock panid oma 1992. aasta ülevaateartiklile selle suuruse kohta pealkirjaks "Heat release rate: the single most important variable in fire hazard", ja viis, kuidas seda tänapäeval mõõdetakse, eirab diivanit peaaegu täielikult.
Suits tõuseb tõmbekubusse ja väljub kanali kaudu. Kanalis olevad mõõteriistad mõõdavad voolu ja seda, kui palju hapnikku sealt puudu on, ning soojuseralduskiirus on see puuduv hapnik korrutatuna üheainsa konstandiga: 13,1 MJ iga kilogrammi kohta. Sama korrutustehe kehtib lauapealses koonuskalorimeetris, kus katsetatakse kümnesentimeetrist vaibaruutu, ja tõmbekubu all, mis kogub põleva möbleeritud toa suitsu.
Kütuse kilogrammi kohta ei klapi miski
Kui vesi lahkub auruna — nii nagu see leegist eraldub —, vabastab metaan iga põletatud kilogrammi kohta 50,03 MJ. Bensiini asendav oktaan annab 44,42; tüüpiline loomne rasv 36,48; etanool 26,82; glükoos 14,10. Nende vahe on 3,55-kordne ja keegi ei suudaks ühte teise põhjal ära arvata.
Jagage need aga hoopis tarbitud hapniku hulgaga. Metaan annab 12,54 MJ hapniku kilogrammi kohta, oktaan 12,69, rasv 12,69, etanool 12,87, glükoos 13,24. William Thornton märkas 1917. aastal, et soojushulk hapnikuühiku kohta peaaegu ei varieerunud suure hulga orgaaniliste gaaside ja vedelike lõikes. Aastal 1980 laiendas Clayton Huggett USA Riiklikus Standardibüroos (National Bureau of Standards) seda võrdlust tulekahjudes esinevatele kütustele ning soovitas kõigi nende jaoks väärtust 13,1 MJ kilogrammi kohta, ±5%. Tööriista Heat of Combustion kuueteistkümnest kütusest jääb üksteist sellesse vahemikku.
Põlemisel võib hapnik jõuda kahte kohta
Lehel on kaks rida, mis selgitavad ülejäänu. Süsinikdioksiidiks põletatud süsinik vabastab iga hapnikumooli kohta 393,51 kJ, mis on 12,30 MJ kilogrammi kohta. Veeauruks põletatud vesinik tekitab igast hapnikumoolist kaks mooli vett ja vabastab 483,65 kJ ehk 15,12 MJ kilogrammi kohta. Täielikult põleval süsinikust, vesinikust ja hapnikust koosneval kütusel muid saadusi ei teki, ning need kaks väärtust erinevad teineteisest vaid 23%.
Soojushulga määrab see, milleks hapnik muutub, ja puhtas leegis saab sellest kas süsinikdioksiid või vesi.
Süsivesinik jagab oma hapniku nende kahe vahel. Metaan, CH₄, suunab ühe mooli O₂ oma süsinikule ja teise oma neljale vesinikule, ning 12,30 ja 15,12 võrdne segu annab 13,71. Molekul ise võtab pisut tagasi. Metaan on umbes 74,5 kJ mooli kohta stabiilsem kui süsinik ja vesinik, millest see on tehtud; see energia vabanes molekuli tekkimisel ega saa uuesti vabaneda, ning see läheb maksma 1,16 MJ hapniku kilogrammi kohta, mis toob väärtuse 13,71 alla mõõdetud 12,54 peale. Oktaan suunab 64% oma hapnikust süsinikule, annab seguks 13,31, loovutab tagasi tekkeenergia, mis võrdub 4,7%-ga sellest segust, ja jõuab väärtuseni 12,69.
Võiks tunduda, et suhkur peaks seda rikkuma, sest see sisaldab juba hapnikku. Kui aga lugeda valemit C₆H₁₂O₆ kuue süsiniku ja kuue veena, siis see nii ei ole. Vesinik saabub kohale juba põlenuna, nii et alles jääb süsiniku põlemine — 393,51 kJ hapnikumooli kohta —, millele lisandub 7,6%, mida glükoos sisaldab üle hunniku puusöe ja veeauru: 423,50 kJ ehk 13,24 MJ kilogrammi kohta.
Vahemik on seega kitsas kahel põhjusel, millel pole teineteisega mingit seost. Süsinik ja vesinik maksavad hapniku eest juhuslikult sarnast hinda ning peale atsetüleeni moodustab iga lehel leiduva süsivesiniku puhul molekuli enda tekkeenergia vähem kui kümnendiku sellest, mida selle süsinik ja vesinik vabastavad. Sama kehtib suhkru puhul, kui selle hapnik on veena kirja pandud. Kumbki tõsiasi ei pea teadma kütuse nimetust, mistõttu ei pea seda teadma ka mööblikatse.
Merisiga jääämbris
See idee on tuleteadusest vanem. Talvel 1782–83 ehitasid Antoine Lavoisier ja Pierre-Simon Laplace kalorimeetri, mis mõõtis soojust selle sulatatud jää järgi. Nad panid sinna kaks korda sisse merisea, taandasid mõlemad katsed kümnele tunnile ja võtsid keskmise: umbes 13 untsi jääd. Eraldi katsete põhjal mitme meriseaga hindasid nad tema tekitatud seotud õhu koguseks — mida me kutsume süsinikdioksiidiks — samal kümnel tunnil 224 graani. Puusöe põletamine oli sulatanud 26,692 untsi jääd iga tekitatud seotud õhu untsi kohta, nii et 224 graani sellest pidanuks vastama 10,38 untsile. Nad lahutasid merisea 13 untsist maha umbes 2,5 untsi looma jahtunud jäsemete ning kehasoojusest aurustunud niiskuse katteks, leidsid, et need kaks klapivad, ja kirjutasid 18. juunil 1783 Académie des sciences'ile ette kantud traktaadis:
La respiration est donc une combustion, à la vérité fort lente, mais d’ailleurs parfaitement semblable à celle du charbon.
Lavoisier ja Laplace, Mémoire sur la chaleur, 1783
„Hingamine on seega põlemine, tõtt-öelda väga aeglane, kuid muus osas täiesti samasugune nagu puusöel.“ Nende puusöe näitaja oli suurepärane: tänapäevased väärtused annavad 26,81 untsi jääd süsinikdioksiidi untsi kohta, mis erineb nende omast 0,4%. Nõrk koht oli mõõdupuu. Puusüsi on peaaegu puhas süsinik, loom aga põletab suhkrut ja rasva, millest kumbki vabastab eri põhjustel iga süsinikdioksiidi molekuli kohta rohkem soojust. Rasv sisaldab palju rohkem vesinikku, kui selle oma hapnik suudab katta, ja see vesinik põleb veeks: rasva põletamisel jõuab peaaegu 30% hapnikust vette ega tekita üldse süsinikdioksiidi. Traktaat möönab, et hingamine võib muuta õhku ka muul moel kui seda seotud õhuks muutes, ning peab igat sellist muutust väikeseks. Suhkrul üleliigset vesinikku ei ole, kuid molekul sisaldab rohkem energiat kui puusüsi ja vesi. Kondenseerunud veega, nagu see jää sees oli, vabastab glükoos 467,50 kJ iga süsinikdioksiidi mooli kohta puusöe 393,51 ja rasva 619,72 vastu. Nende endi väärtuselt 10,38 skaleerituna ennustavad merisea 224 graani suhkru puhul 12,33 untsi ja rasva puhul 16,35 untsi. Nende kaalutud 13 untsi, enne kui midagi maha lahutati, asub kahe vahel.
Hingamine on kütusenäidik
Haiglas tehakse sama arvutus süsinikdioksiidi asemel hapnikuga, ning hapniku põhjal langevad kütused taas peaaegu kokku. Vedela veega, nagu see kehas püsib, annab glükoos 20,86 kJ iga liitri hapniku kohta ja rasv 19,45. Gramm rasva sisaldab 2,51 korda rohkem energiat kui gramm suhkrut ja liiter hapnikku saab sellest 6,8% vähem kätte. Puhkeseisundis täiskasvanu, kes tarbib veerand liitrit minutis, on puhta suhkru korral 86,9 W ja puhta rasva korral 81,0 W küttekeha, ning iga nende kahe segu asub vahepeal.
See 6,8% on põhjus, miks metaboolne analüsaator mõõdab mõlemat gaasi. Glükoosi põlemine annab iga hapnikumolekuli kohta ühe süsinikdioksiidi molekuli; rasva põletamine annab 0,70. Nende kahe gaasi suhe näitab, milline kütus põleb, ja seega seda, kus vahemikus 81,0 kuni 86,9 vastus paikneb.
Kus reegel murdub
Kütus, mis toob kaasa palju omaenda energiat, väljub sellest vahemikust. Atsetüleeni tekkeentalpia on +227,4 kJ mooli kohta — energia, mis pandi sisse molekuli tekkimisel ja antakse põlemisel tagasi, lisaks kõigele, mida hapnik pakub. See lisab 22% sellele, mida atsetüleeni süsinik ja vesinik muidu annaksid, ning kergitab selle väärtuseni 15,70 MJ hapniku kilogrammi kohta, mis on 19,88% üle 13,1. Ilma selleta asuks atsetüleen väärtusel 12,86, vahemiku sees koos metaani ja oktaaniga.
Süsinikmonooksiid on kummalisem juhtum, ja tulekahju puhul on see olulisem. Süsiniku põlemine lõpuni CO₂-ks toimub kahes etapis, ja need tasuvad väga erinevalt. Süsinikust süsinikmonooksiidiks saamine tarbib pool mooli hapnikku ja vabastab 110,53 kJ: 6,91 MJ hapniku kilogrammi kohta. Süsinikmonooksiidist süsinikdioksiidiks saamine tarbib teise poole ja vabastab 282,98 kJ: 17,69. Nende kahe poole keskmine on süsiniku 12,30. Õhupuuduses tulekahju peatab osa oma süsinikust esimesel etapil, mistõttu süsinikmonooksiidi tekkeks kulunud hapnik tõi vaevalt poole sellest soojusest, mida eeldab 13,1.
Mõõtmise hälve on siiski väiksem, kui see viitab, sest hapnikku, mida kunagi ei tarbitud, ei loeta samuti kunagi. Metaanipõleng, mis jätab viiendiku oma süsinikust süsinikmonooksiidiks, vabastab 12,27 MJ iga tegelikult tarbitud hapniku kilogrammi kohta, mis on 2,2% vähem kui puhta leegi puhul. Laborid mõõdavad süsinikmonooksiidi kanalis ja teevad paranduse. Suitsu tekitav tulekahju eraldab vähem soojust ja tarbib vähem hapnikku, ning viimane kompenseerib esimese peaaegu täielikult.