Ist Feuer Plasma?

Ist Feuer ein Plasma ?

Wenn nicht, was ist es dann?

Wenn ja, warum bringen wir Kindern dieses grundlegende Beispiel nicht bei?

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

UPDATE: Ich meinte wahrscheinlich ein normales Alltagsfeuer mit der üblichen Temperatur. Das sollte die Antwort vereinfachen.

Heimexperiment: Bringen Sie einen starken Magneten (z. B. seltene Erden) am Ende eines Stabs an und prüfen Sie, ob er das Verhalten einer Flamme stärker beeinflusst als ein Stab ohne den Magneten. Wieso den? Denn der Magnet beeinflusst bewegte Ionen und freie Elektronen viel stärker als neutrale Komponenten.
Haben Sie hier weder einen Kamin noch einen starken Magneten. Die Antwort ist?
Soweit ich weiß, sind gewöhnliche Flammen nicht wesentlich ionisiert: Sie sind nur heißes Gas, in dem Chemie vor sich geht. Aber ich bin mir nicht sicher genug, um eine Antwort zu posten, also zitiere mich nicht.
Eine ähnliche Fragestellung liegt einem aktuellen Projekt zur Wissenschaftskommunikation zugrunde. Schau es dir an: flamechallenge.org
Mehr darüber, was Feuer ist: physical.stackexchange.com/q/9708/2451
@dmckee Was ist mit einem einfacheren Leitfähigkeitsexperiment: Kann ein Stromkreis mit einer Flamme geschlossen werden? Wenn Plasma vorhanden ist, gibt es freie Elektronen und Ionen, so dass zwei leitende Zuleitungen zu einer Flamme einen Stromkreis schließen könnten und Strom auftreten würde.
@annav: Hmm ... ja. Ihre ist einfacher und leichter zu interpretieren als meine.
Das folgende Buch über Feuer ist ganz nett: amazon.fr/Feu-flammes-Louis-Boyer/dp/2701139732 . Leider auf Französisch.
Achtung: Fragen Sie zuerst, was ist Plasma? Ionisierung und Leitfähigkeit definieren kein Plasma, da Mischungen aus positiven und negativen Ionen leitfähig und ionisiert sind, Säurelösungen jedoch kein Plasma sind, geschmolzenes Salz kein Plasma ist, selbst wenn Dampf. Plasma benötigt freie Elektronen. Mit "ionisiertem Gas" meinen wir nicht wirklich ionisiertes Gas. Stattdessen meinen wir „Elektronen-abgestreifte Atome“, freie Elektronen plus positive Ionen. Paare chemisch erzeugter Ionen sind kein Plasma. Plasmen haben mehr Emissionslinien als nur chemische Fluoreszenz und Orbitalübergänge; wir müssen Wellenlängen der Elektronenrekombination nachweisen.
Ein weiteres lustiges Heimexperiment besteht darin , eine brennende Kerze in eine Mikrowelle zu stellen. Auf diese Weise können Sie definitiv Plasma erzeugen, da die Mikrowellen das kleine verstärken. Menge im Feuer. Ich habe dies persönlich getan, und die Ergebnisse scheinen auf eine stärkere Plasmabildung hinzudeuten (seltsame oszillierende Flammen), obwohl ein Spektrum dies wirklich bestätigen würde. SCHUTZBRILLE TRAGEN UND LÖSCHER BEREITHALTEN

Antworten (5)

Im Großen und Ganzen ist Feuer eine schnelle exotherme Oxidationsreaktion. Die Flamme besteht aus heißen, glühenden Gasen, ähnlich wie ein Metall, das so weit erhitzt wird, dass es zu glühen beginnt. Die Atome in der Flamme sind ein Dampf, weshalb sie die charakteristische feine Qualität haben, die wir mit Feuer assoziieren, im Gegensatz zu der starreren Struktur, die wir mit heißem Metall assoziieren.

Nun, um fair zu sein, es ist möglich, dass ein Feuer so heiß brennt, dass es Atome ionisieren kann. Wenn wir jedoch über gängige Beispiele für Feuer sprechen, wie eine Kerzenflamme, ein Lagerfeuer oder ähnliches, haben wir es nicht mit etwas zu tun, das genügend Energie hat, um Atome zu ionisieren. Wenn es darum geht, etwas als Beispiel für ein Plasma für Kinder zu verwenden, befürchte ich, dass Feuer keine genaue Wahl wäre.

Ich glaube nicht - das Feuer selbst hat einen erheblichen Anteil an ionisierten Atomen, es ist nicht nur heißes Gas, denn das Leuchten entsteht durch die Rekombination bestimmter Linien, die von den chemischen Emissionslinien abhängen (Sie können sehen dies in brennendem Salz).
@Ron, bist du sicher, dass es eine Rekombination ist oder vielleicht nur Übergänge? Ich habe keine starke Meinung dazu, der Grund, warum ich frage, ist, dass ich denke, dass dies den Unterschied zwischen Feuer und Plasma (falls vorhanden) ausmachen könnte.
@LevLevitsky: Ich bin mir nicht sicher - es könnten nur Übergänge der Außenschale sein - aber sobald Sie einmal ionisiert haben, ist es so viel einfacher, das Elektron aus dem Atom auszustoßen. Ich bin jetzt in dieser Frage verwirrt --- Ich habe Quellen gefunden, die in beide Richtungen gehen. Ich dachte, das Beste wäre, die Leitfähigkeit zu testen, aber jemand tat es und sagte, er habe keine Leitfähigkeit gesehen (aber dies könnte eine niedrige Leitfähigkeit sein), die scharfe Grenze der Flamme, das Fehlen einer allmählichen Abkühlung, deutet darauf hin, dass dies der Fall ist eine Art stationäre Phase der Verbrennung. Es ist schwer zu sagen, ob es sich bei stationären Nichtgleichgewichtsdingen um dies oder das handelt. Ich weiß nicht.
@Ron, sogar kaltes Gas leuchtet, nur im Infrarotspektrum.
@Anixx: Natürlich, aber warum der scharfe Farbwechsel? Kühlt das Gas schlagartig ab? Warum dort? Ich dachte, es wäre eine Art Ionisationsübergang, aber ich bin mir nicht mehr sicher.
Die Annahme von „glühendem Gas“ ist physikalisch falsch. Wenn Ihr Gas glühen würde, müsste es Schwarzkörperstrahlung aussenden . Dies wäre in Infrarot oder maximal Rot - wie glühendes Metall. Aber man sieht Linienemission - leicht nachweisbar durch Betrachtung durch ein Prisma. Dass Sie farbige Flammen sehen, liegt an der Tatsache der Rekombination und den folgenden Übergängen. Siehe zum Beispiel dieses Experiment .
youtu.be/lT3vGaOLWqE?t=360 Sie können in diesem Experiment sehen, dass eine herkömmliche leichtere Flamme genug Ionen hat, um einen Lichtbogen über zwei Hochspannungselektroden zu initiieren, obwohl ihre Spannung sonst nicht ausreicht, um den Lichtbogen zu initiieren ...

Erstens ist „Feuer“ laut zahlreichen Kommentaren und Antworten [hier] [1] ein „Prozess“, in diesem Fall wird die Antwort auf die Frage „nein“ sein, da Plasma ein Zustand der Materie ist. Es wäre unfair, es dort zu belassen, indem man die Semantik beschuldigt, und angesichts der zahlreichen Verweise auf die Region „Flamme“ gehe ich davon aus, dass dies die Frage war, die sie stellen wollte. Ich gehe auch davon aus, dass der Nachweis, dass eine Kerzenflamme Plasma darstellt, ausreicht, um die Frage ausreichend zu beantworten.

Aus einigen Artikeln (eine schnelle Google-Suche ergab [2,3]), dass Flammen ionisierten Inhalt haben und elektrisch leitfähig sind. Mein Verdacht war, dass nicht alle Flammen leitfähig sind, aber [3] enthält die Aussage:

Es ist seit langem bekannt, dass Flammen eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen und durch ein elektrisches Feld verzerrt werden können.

Quellen [4] und [5] und zahlreiche andere Quellen, einschließlich eines Videos auf YouTube [6], behaupten, dass eine Kerzenflamme ionisiert ist und dies dazu führt, dass die Flamme durch ein elektrisches Feld beeinflusst wird.

Ist es jetzt Plasma?

Die 'Plasma Coalition', ein Zusammenschluss vieler renommierter Institute auf der ganzen Welt [7], sagt, dass Ionisierung allein nicht ausreicht, aber dafür müssen genügend Atome ionisiert werden, um die elektrischen Eigenschaften des Gases signifikant zu beeinflussen Plasma genannt werden. In einem seiner Dokumente [8] führt es diese Beschreibung sehr detailliert aus.

Es gibt tatsächlich ein Papier, das dieser Frage gewidmet ist, [8], das besagt, dass einige Flammen Plasma enthalten , während andere dies nicht tun. Es wird ausführlich genug erweitert und behauptet, dass die Antwort von der Region, dem, was verbrannt wird, der Temperatur usw. abhängt.

Es erkennt auch an, dass das derzeitige Wissen über Flammen ziemlich begrenzt ist, um die Dichte geladener Teilchen an einem Teilchenort in der Flamme ab 2008 schlüssig zu bestimmen.

Eine Vielzahl von Quellen, die behaupten, eine Flamme (wie eine Kerzenflamme) sei Plasma, bezieht sich auf die Tatsache, dass sie ionisiert ist.

Das Buch von Francis F. Chen [10] enthält auf Seite 12 eine Übung, die darauf hindeutet, dass eine typische Flamme Plasma ist. Diese Behauptung wird in [4] und [5] wiederholt (bezieht sich auf die Kerzenflamme).

Meine Schlussfolgerung

Ich verstehe, dass das Plasma-Koalitionspapier [8] sagt, dass die Temperatur einer Kerze zu niedrig ist, als dass viel Ionisierung auftreten könnte, aber technisch gesehen zeigen die oben zitierten Experimente [2,4,6] die signifikante Wirkung von Flammen in einer elektrischen Feld in Verbindung mit den theoretischen Vorhersagen [3,10] scheinen zu implizieren, dass die Flamme tatsächlich ein Plasma ist. Sogar durch die von der Plasma Coalition [11] selbst aufgestellte Bedingung!

Ich fand es interessant, dass eine alte Arbeit [3] vorschlägt, die übermäßigen Mengen an Ionen, die in Kohlenwasserstoffflammen gebildet werden, dadurch zu erklären, dass sie teilweise auf kumulative Anregung oder Chemi-Ionisation zurückzuführen sind. Ich weiß nicht, ob es heute noch aktuell ist.

    [1] Ist Feuer Materie oder Energie? , Physik Stack Exchange.

    [2] Elektrische Eigenschaften von Flammen: Brennerflammen in elektrischen Längsfeldern. Hartwell F. Calcot und Robert N. Pease. Ind. Eng. Chem. 43 nr. 12, S. 2726–2731 (1951) .

    [3] Mechanismen der Ionenbildung in Flammen. HF Calcote. Verbrennen. Flamme. 1 Nr. 4, S. 385–403 (1957) .

    [4] Wellen in staubigen Weltraumplasmen . Frank Verheest (Kluwer Academic, 2000, Niederlande).

    [5] Sonne, Erde und Himmel . Kenneth R. Lang (Springer, 2006, Berlin).

    [6] Was ist in einer Kerzenflamme , Veritasium YouTube Channel.

    [7] Über die Coalition for Plasma Science .

    [8] Über Plasmen . Koalition der Plasmawissenschaft, 2008.

    [9] Plasmazustand der Materie . Vorlesungsunterlagen für PX384 Elektrodynamik an der Warwick University , Kapitel IV. Erwin Verwichte, 2013.

  [10] Einführung in die Plasmaphysik und kontrollierte Fusion . Franz Chen. Momentan hier erhältlich .

  [11] Was ist Plasma? . Koalition für Plasmawissenschaft, 2000.

Was für eine tolle Antwort! Ich denke, der Hauptpunkt, der aus Lit. [8] entnommen werden kann, ist, dass ein Gasbereich als Plasma betrachtet wird, wenn seine Ionendichte hoch genug ist, so dass der größte Teil des Bereichs vor elektrischen Feldern abgeschirmt ist. Nach diesem Kriterium sind einige heiße Flammen Plasmen.
Schöne Einblicke und Organisation des Denkens hier. Glauben Sie, dass man mit Sicherheit sagen kann, dass der Übergang zwischen Gas und Plasma im Gegensatz zu einem Verdampfungspunkt viel allmählicher ist? Es scheint, dass es eine Schwelle gibt, an der es sich vollständig "plasmaartig" verhält, und die Verwirrung betrifft Zustände dazwischen, in denen sich elektrische Eigenschaften ausdrücken, aber nicht so stark.
Abgesehen vom Prozentsatz des Plasmas definieren Ionen und Leitfähigkeit kein Plasma. Ein Dampf aus Natrium- und Chlorionen ist kein Plasma, aber er ist ionisiert und leitfähig! Außerdem implizieren Emissionslinien kein Plasma: Das Licht kann chemische Fluoreszenz sein; nur die Bahnübergänge. Das eigentliche "Plasma" geht darüber hinaus und erfordert das Abziehen von Elektronen von Atomen, wodurch eine Mischung aus freien Elektronen und positiven Ionen mit Emissionslinien der Rekombination erzeugt wird. Wenn diese (UV-) Wellenlängen nicht vorhanden sind, handelt es sich nicht um ein Plasma.
Ein weiteres verwirrendes Problem: Wenn Hochspannung und / oder heißes Metall einer Flamme ausgesetzt werden , entsteht ein Plasma mit einer im Vergleich zu Funken in Luft recht niedrigen Spannung. Plasma in Flammen kann ein reines experimentelles Artefakt sein. Ich finde viele irreführende Online-Videos mit großen karbonisierten Kerzendochten, die Kilovoltplatten ausgesetzt sind. Sicherlich wird Plasma erzeugt, aber es ist nur ein Funke von einer HV-Stromversorgung und einer Kohlenstoffelektrode. Wenn wir eine Flamme in Plasma umwandeln, dürfen wir nicht schlussfolgern, dass alle Flammen Plasma sind oder dass sie irgendein Plasma enthalten. Vermeiden Sie Hochspannungsversorgungen, Metallgasdüsen und schwarze Kerzendochte. Erkenne stattdessen UV-Linien
@wbeaty Hohe Temperatur drückt Elektronen in höhere Orbitale, sodass wir positive Ionen und Elektronen erhalten. Die Pneumonie ist FO Cl N Br ISCH . F ist am elektronegativsten, also ist F+ noch elektronegativer als das. Sie verwenden normalerweise Br als Flammschutzmittel, sodass Br+ weniger elektronegativ ist als O+, aber mehr als C+ und H+ (aber bei hohen Temperaturen umgekehrt).
@ChemEng hohe Temperatur, was mindestens 6000 K bedeutet, wobei 10.000 K typischer sind. Das ist erforderlich, bevor Gaskollisionen beginnen, signifikante Elektronen freizusetzen. Eine Mischung aus Pos- und Neg-Ionen in typischen Flammen ist kein Plasma, sondern ein Elektrolyt. Nicht-Physiker könnten lichterzeugende chemische Reaktionen mit Plasma verwechseln. Suchen Sie bitte alle nach "Plasmatemperatur", um eine grundlegende Einführung zu erhalten. Die Signatur von Plasma ist Glühtemperatur, freie Elektronen plus Breitband-UV (denken Sie daran, dass es UV braucht, um Elektronen aus Atomen herauszuschlagen, und die rekombinierenden Elektronen emittieren UV.)

Rückseite der Umschlagsberechnung:

Die Saha-Gleichung für ein Wasserstoffplasma sagt

N ich 2 N H = v ( 2 π m e k b T h 2 ) 3 / 2 exp ⁡ ( − R k b T )

wo N ich ist die Anzahl der Ionen, N H ist die Anzahl der Wasserstoffatome, v ist das Volumen des Plasmas, und R ist die Wasserstoffionisierungsenergie (13,6 eV).

Bestimmung des Ionisationsgrades ξ = N ich / N 0 , wo N 0 = N ich + N H ist die Gesamtzahl der Atome im System, dies kann geschrieben werden

ξ 2 1 − ξ = v N 0 ( 2 π m e k b T h 2 ) 3 / 2 exp ⁡ ( − R k b T )

Eine Kerze brennt bei 1000 Grad Celsius und die Flamme hat ein Volumen von etwa 1 cm^3, mit wahrscheinlich 10^20 Atomen in der Flamme. Nehmen wir der Einfachheit halber an, dass es sich hauptsächlich um Wasserstoff in der Flamme handelt (die Ionisierungsenergie anderer Elemente liegt sowieso in der gleichen Größenordnung, also werden wir nicht weit davon entfernt sein). Dann mache ich die rechte Seite der Gleichung (nennen wir sie f ) um 10^-54 liegen. Dann können wir lösen ξ 2 1 − ξ = f mit der quadratischen Formel:

ξ = f 2 + 4 f − f 2

Das gibt uns ξ = 10 − 27 : Keines der Teilchen in einer Kerzenflamme ist ionisiert (denken Sie daran, wir haben angenommen, dass es nur 10 ^ 20 Teilchen gibt). Das macht durchaus Sinn, denn 1000C liegen nur bei etwa 0,1 eV, also gut zwei Größenordnungen unter dem Ionisationspotential. Dafür ist die Partikeldichte zu gering.

Wenn Sie der Meinung sind, dass eine meiner Annäherungen nicht zutrifft (ich persönlich bin mir bei der Partikeldichte nicht so sicher), dann korrigieren Sie mich bitte in einem Kommentar!

Ihr Fehler liegt in der Tatsache, dass Sie davon ausgehen, dass die Ionisation vom Grundzustand n = 1 ausgeht. In einer Flamme steigen Elektronen zuerst durch Kollision die Energieleiter hinauf zu einigen angeregten Zuständen. Wenn ihre Bindungsenergie nahe der thermischen Energie liegt, werden sie ionisiert.
Ich verstehe, was du meinst, aber ich glaube nicht, dass du ganz recht hast. Die überwiegende Mehrheit der Atome in einem Plasma ist entweder ionisiert oder befindet sich im Grundzustand. Dies liegt daran, dass das Kontinuum im Vergleich zu den gebundenen Zuständen ein enormes statistisches Gewicht hat (die Zustandsdichte ist groß). Sie können tatsächlich (eine etwas allgemeinere Form) der Saha-Gleichung verwenden, um herauszufinden, wie viele Atome sich in einem Wasserstoffplasma in den angeregten Zuständen befinden; Es stellt sich heraus, dass es sicher ist, alle außer dem Grundzustand zu ignorieren.
Ich habe einen kinetischen (Fokker Planck) Atomcode für Fusionsplasmen am Rand von Tokamaks ausgeführt. Bei 0,1 eV ist das gesamte Gas ionisiert. Die Energiedifferenz zwischen n=6 und n=7 liegt bereits in der Größenordnung von 0,1 eV. Und Kollisionen pumpen Ebene für Ebene Elektronen aus dem Grundzustand in das Kontinuum. Das Problem ist äußerst komplex, da sich das System (aufgrund von Strahlungen) nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befindet und man unterschiedliche Temperaturen für die oberen Niveaus, die unteren und die freien Elektronen einführen muss.
Flammen können aufgrund chemischer Reaktionen mit freien Radikalen eine nicht zu vernachlässigende Ionisierung aufweisen (beginnend in Kohlenwasserstoffflammen mit C H + Ö → C H Ö + + e − ). Weitere Informationen finden Sie in dieser alten Umfrage zum Thema.

Nö. Feuer ist ein thermisches Phänomen, Plasma ist eher ein elektrisches.

Was ist Plasma?

Plasma ist der Zustand, in dem man einem Gas Elektronen entzieht/Elektronen hinzufügt – Plasma besteht also aus geladenen Gasionen. Es leuchtet normalerweise aufgrund von Elektronenübergängen und so weiter.

Was ist Feuer?

In einer Flamme fliegen im Grunde heiße Ruß- / & C-Moleküle hoch. Jedes heiße Material sendet Photonen aus, die bei normalen Temperaturen normalerweise im Infrarotbereich liegen. Bei höheren Temperaturen können sie in den sichtbaren Bereich gehen.

Eine Möglichkeit, dies zu erklären, ist die Schwarzkörperstrahlung – der Ruß muss Photonen emittieren, da er eine Temperatur ungleich Null hat.

Was tatsächlich vor sich geht, ist, dass die Elektronen „thermisch angeregt“ werden – sie haben zusätzliche Energie und neigen dazu, Übergänge zu machen. Übergänge führen zu Absorption/Emission von Licht, und dies verursacht die Farbe.

Sie können sehen, dass am Feuer keine Ionen beteiligt sind, also ist es kein Plasma. Wenn Sie es jedoch auf noch höhere Temperaturen erhitzen, tritt eine Ionisierung auf, und es kann zu Plasma werden.

Wäre ein Acetylen-Sauerstoffbrenner (Schweißbrenner) ein Plasma?
"Feuer ist ein thermisches Phänomen, Plasma ist eher ein elektrisches." Ich kann nicht sagen, dass ich diese Formulierung sehr mag ... Wärme allein reicht aus, um Atome zu ionisieren, wenn es heiß genug wird.
@dmckee: Aber Ionisierung tritt auf, wenn Sie es auf noch höhere Temperaturen erhitzen, und es kann zu einem Plasma werden. Ich weiß, aber im Feuer ist es nicht heiß genug..
@MartinBeckett in einigen Instrumenten ja: directindustry.com/prod/farley-laserlab/…
@annav, ja ein Plasmaschneider ist ein Plasma! Oxy-Acetylen liegt bei etwa 350°C, was das untere Ende einer Sternoberfläche vom K-Typ ist

Feuer ist ein Plasma. Es gibt zwei Arten von Plasmen: Heiße Plasmen, die für die Astrophysik oder Fusion relevant sind, sind in der Tat eine Mischung aus vollständig ionisiertem Gas. In kalten Plasmen (Nordlichter, Neonröhren, Flammen) ist der Ionisierungsgrad kleiner als eins, aber die Mischung zeigt typischerweise kollektives Verhalten und einen Zoo von Wellen, denen man in Gasen nicht begegnet. Die bekanntesten sind die Plasmaoszillation und die Alfven-Welle, aber es gibt noch viele andere. Der Kalkül von Poorsod geht davon aus, dass die Ionisation zwischen n=1 und n=unendlich stattfindet. In Wirklichkeit werden die Atome zunächst durch Stöße angeregt, ihre Elektronen springen auf höhere n, bis ihre Sprungenergie kleiner ist als die thermische Energie freier Elektronen. Bei 0,1 eV sind mehr als 99 % der Atome ionisiert (ich habe an einem Computermodell gearbeitet, um dieses Problem zu analysieren).

interessant, können das bitte auch andere bestätigen?
Es tut mir leid, wie von @Mitchell erwähnt, ist Feuer im Allgemeinen kein Plasma. Feuer ist selten Plasma. Ein einzelnes Elektron oder Ion oder wenige davon qualifizieren sich nicht als Plasma, es muss sich in ausreichender Menge sammeln, damit es kollektives Verhalten zeigen kann.
Feuer ist kein Plasma: Das Vorhandensein von Ionen definiert kein Plasma. Stattdessen weist das Vorhandensein freier Elektronen auf Plasma hin: eine Mischung aus Elektronen und positiven Ionen. Beachten Sie gut, dass die Leitfähigkeit kein Plasma erfordert. Wenn nur Ionenpaare durch chemische Reaktionen erzeugt, aber keine Elektronen freigesetzt werden, dann hat eine Flamme eine „elektrolytische“ Leitfähigkeit, ähnlich wie geschmolzenes Salz und Salz-/Säure-/Laugenlösungen, wo die Leitfähigkeit nur auf beweglichen Ionenpopulationen basiert.
Ist Feuer Plasma?
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