History of the study of combustion

Combustion, fire, and flame on havaittu ja spekuloitu varhaisimmista ajoista lähtien. Jokaisella sivilisaatiolla on ollut niille oma selityksensä. Kreikkalaiset tulkitsivat palamista filosofisten oppien termein, joista yksi oli, että tietty “tulenarka periaate” sisältyi kaikkiin palaviin kappaleisiin ja tämä periaate karkasi, kun ruumis poltettiin reagoimaan ilman kanssa. Käsitteen yleistyksen tarjosi 1600-luvulla muotoiltu flogiston-teoria. Käsitelty aluksi puhtaasti metafyysinen laatu, phlogiston oli myöhemmin käsitetty materiaalinen aine, jolla on paino ja, joskus, negatiivinen paino. Flogiston-teorian riittämättömyys kävi ilmi vasta 1700-luvun lopulla, kun se osoittautui kykenemättömäksi selittämään monia uusia palamista koskevia tosiasioita, joita havaittiin ensimmäistä kertaa laboratoriokokeiden lisääntyvän tarkkuuden seurauksena.

englantilainen luonnonfilosofi Sir Francis Bacon totesi vuonna 1620, että Kynttilän liekki on rakenne suunnilleen samaan aikaan, kun Robert Fludd, Englanti mystikko, kuvattu kokeilu palamisesta suljetussa säiliössä, jossa hän totesi, että määrä ilmaa oli käytetty ylös siten. Saksalainen fyysikko Otto von Guericke osoitti vuonna 1650 keksimällään ilmapumpulla, ettei kynttilä palaisi astiassa, josta ilma oli pumpattu. Englantilainen tiedemies Robert Hooke esitti vuonna 1665, että ilmassa oli aktiivinen komponentti, joka kuumennettaessa yhdistettynä palaviin aineisiin synnytti liekin. Toinen ajatus katsoi korkean liekin lämpötilan johtuvan aktiivisten ilmapartikkelien nopeasta liikkeestä, ja opittiin, että nitreen sekoitettu rikki voi palaa ilman puuttuessa (nitre on hapen yhdiste, joka vapauttaa happea rikille).

ensimmäisen likiarvon palamisen todellisesta luonteesta esitti ranskalainen kemisti Antoine-Laurent Lavoisier: hän havaitsi vuonna 1772, että palaneen rikin tai fosforin tuotteet—itse asiassa niiden tuhka—ylittivät alkuperäiset aineet, ja hän oletti, että lisääntynyt paino johtui siitä, että ne olivat Yhdistyneet ilmaan. Mielenkiintoista, se oli jo tiedossa, että metallit muuntaa lämmön metallituhka painoi vähemmän kuin metallinen tuhka, mutta teoria oli, että joissakin tapauksissa flogiston metallien oli negatiivinen paino ja, kun karkaavat palamisen aikana, jätti tuhka metallin raskaampaa kuin se oli ollut flogiston siinä. Myöhemmin Lavoisier päätteli, että rikin kanssa yhdistetty” kiinteä “ilma oli identtinen kaasun kanssa, jota englantilainen kemisti Joseph Priestley sai lämmittäessään elohopean metallista tuhkaa; toisin sanoen elohopean palamisen yhteydessä saatu” tuhka ” voitiin valmistaa vapauttamaan kaasu, johon metalli oli yhtynyt. Tämä kaasu oli myös identtinen ruotsalaisen kemistin Carl Wilhelm Scheelen kuvaileman ilman aktiivisen osan kanssa, joka ylläpiti palamista. Lavoisier kutsui kaasua ” hapeksi.”

Lavoisierin teoria, jonka mukaan palaminen oli palavan aineen ja kaasun hapen välinen reaktio, jota esiintyy ilmakehässä vain rajoitetusti, perustui tieteellisiin periaatteisiin, joista tärkein oli aineen säilymisen laki (Einsteinin suhteellisuusteorian, aineen ja energian jälkeen): aineen kokonaismäärä maailmankaikkeudessa on vakio. Jo antiikin filosofit olivat arvanneet tämän lain, ja se vahvistettiin 1600-luvulla. Lavoisier myös selvensi “alkuaineen” käsitteen nykyaikaiseksi yleistykseksi, että se oli aine, jota ei voitu hajottaa, ja tämäkin tuki hänen teoriaansa. Pian tämän jälkeen englantilaisen kemistin John Daltonin kaasuja koskevat tutkimukset ja ensimmäinen taulukko Daltonin kokoamista atomipainoista sekä monet muiden tutkijoiden löytämät uudet kaasut olivat tärkeitä tukiessaan Lavoisierin palamisteoriaa, mutta myös hänen koko uutta täsmälliseen mittaukseen perustuvaa kemiallista järjestelmäänsä. Typen ja vedyn löydöt 1700-luvun jälkipuoliskolla, lisättynä aikaisempiin hiilidioksidin ja hiilimonoksidin löytöihin, ja havainto siitä, että ilman koostumus on huomattavan vakio, vaikka se on seos, kaikki tukivat Lavoisierin teoriaa. Palamisen oikean selityksen, kenties vanhimman tunnistetun kemiallisen reaktion, sanotaan yleensä olleen keskeinen tekijä modernin tieteen kehityksessä.

vuosina 1815-1819 englantilainen kemisti Sir Humphry Davy kokeili palamista muun muassa mittaamalla liekkilämpötiloja, tutkimalla harvinaisten kaasujen vaikutusta liekkiin ja laimentamalla sitä erilaisilla kaasuilla; hän löysi myös katalyyttisen palamisen—palavien aineiden hapettumisen katalyyttisellä pinnalla, johon liittyi lämmön vapautuminen, mutta ilman liekkiä.

näistä löydöistä huolimatta materialistiselta palamisteorialta puuttui selkeä käsitys energiasta ja siten siitä kriittisestä roolista, joka energiakysymyksillä on palamisen täsmällisessä selittämisessä. Yhdysvaltalaissyntyisen englantilaisen kemistin Sir Benjamin Thompsonin kokeet lämmöllä vuonna 1798 paljastivat todisteita lämmön käsitteelle hiukkasten liikkeenä. Kineettisen kaasuteorian kehittäminen, joka perustuu olettamukseen, että lämpö johtuu molekyylien ja atomien liikkeestä, termodynamiikasta ja termokemiasta, kaikki 1800-luvulla, lopulta selvitti palamisen energianäkökohdat.

Palamisnopeuksien tutkimisella, kaasuseosten palamisen tapahtumien järjestystä koskevilla kokeilla ja kaasumolekyylien hajoamisen tutkimisella lämmön avulla (terminen dissosiaatio) oli 1800-luvun loppupuoliskolla tärkeä osa palamismekanismia koskevien teorioiden tarkentamisessa. Liekkien lähettämän valon tutkimukset johtivat sen analysointiin spektroskoopissa, laitteessa, joka erottaa valoaaltojen seoksen komponenttiaaltoihin, ja spektrianalyysiin yleensä, mukaan lukien teoriat atomi-ja molekyylispektreistä, jotka puolestaan vaikuttivat liekkien luonteen ymmärtämiseen. Bunsenpolttimella oli merkitystä myös palorakenteen tutkimuksessa. Teollisuuden edistyminen oli voimakas kannustin liekkiilmiöiden selventämiseksi. Hiilikaivosten räjähdysvaarat olivat kiinnittäneet huomiota liekkien leviämiseen jo vuonna 1815, jolloin Davy keksi turvalampun. Vuonna 1881 räjäytys löydettiin, ja tämä johti 1900-luvun alussa räjähdysteoriaan, joka perustui olettamukseen, että kaasu käyttäytyy nesteenä tietyissä olosuhteissa. 1930-luvun jälkeen kemiallisesta kinetiikasta tuli välttämätön osa liekkien etenemisteoriaa.