Физика костра

Физика костра

В этом тексте я хочу максимально упрощённо описать принципы действия костра. Даже опытные туристы, часто имеющие с ним дело, плохо представляют физику процесса, а значит не могут обеспечить оптимальные условия розжига и горения.

Обычно костёр разжигают для получения значительного количества тепловой энергии. При этом желательно затратить на розжиг и поддержание горения как можно меньше усилий и обеспечить стабильный выход энергии на протяжении длительного времени.

Необходимые условия для горения

Условий всего 3, но при розжиге костра и для стабильного горения надо все их выполнить одновременно.

  • Наличие кислорода;
  • Наличие топлива;
  • Достаточно высокая температура топлива.

    Кислород

    Горение – химическая реакция окисления – то есть взаимодействия топлива с кислородом. В атмосфере кислорода не так уж и много, его недостаток может быть лимитирующим фактором, мешающим нормальному горению костра.

    В костре и при розжиге количество кислорода снижается из-за того, что воздух насыщается продуктами горения и водяным паром, выделяющимся из топлива и окружающих предметов при нагревании.

    Практические выводы:

    Изолируйте костёр от мокрых предметов, снега. Отодвиньте мокрые брёвна. На землю под костёр положите лист металла, сухой песок или несколько поленьев.

    Обеспечьте удаление дыма. Используйте ветер, тягу или машите чем-нибудь плоским.

    Топливо

    Горение происходит на поверхности топлива, там, где оно соприкасается с кислородом воздуха. Чем больше площадь поверхности – тем больше выход тепловой энергии.

    Разные виды топлива выделяют при сгорании разное количество энергии. Можно представить себе, что любое топливо состоит из смеси горючих и негорючих компонентов. Чем выше процент горючих компонентов, тем выгоднее, калорийнее топливо.

    Зачастую в топливе присутствует вода или лёд. Кроме того, что это негорючий компонент, выделяемая при горении топлива энергия сразу расходуется на плавление льда и испарение воды. Образующийся пар препятствует доступу кислорода.

    Практические выводы:

    Всегда выбирайте самое сухое и калорийное топливо.

    Для быстрого получения импульса энергии (например чтобы довести до кипения воду в котле) используйте мелкое топливо. У него большая площадь поверхности.

    Температура

    Каждое топливо характеризуется температурой воспламенения и температурой горения. Температура горения выше температуры воспламенения. Для розжига необходимо разогреть топливо до температуры воспламенения. Тогда оно начнёт гореть, его температура ещё повысится. Близлежащие части топлива тоже окажутся разогретыми выше температуры воспламенения и начнут гореть. Таким образом огонь постепенно охватит все положенное в костёр топливо.

    Передача тепловой энергии, то есть разогрев окружающих предметов, происходит тепловым (инфракрасным) излучением, разогретым воздухом, несущим продолжающие гореть частицы топлива, а также при непосредственном соприкосновении предметов с разными температурами.

    Теплоёмкость

    Все предметы характеризуются теплоёмкостью, в том числе земля под костром, топливо, окружающий костёр воздух, костровые принадлежности и котлы с водой. Чем больше требуется энергии для разогрева предмета на 1 градус – тем выше его теплоёмкость. Массивные предметы имеют большую теплоёмкость. Например, 2 литра воды имеет теплоёмкость в 2 раза выше, чем 1 литр воды.

    Теплопроводность

    Способность предметов проводить тепловую энергию называется теплопроводностью. С течением времени температура протяжённого предмета или нескольких близкорасположенных предметов стремится выровняться. Разные вещества обладают разной теплопроводностью. В практике обращения с костром самой высокой теплопроводностью обладают металлы, камни, вода. Средней теплопроводностью – древесина. Самой низкой теплопроводностью – воздух, ткань, бумага.

    Наличие в различных предметах пор и других полостей, заполненных воздухом - сильно снижает теплопроводность. Например: ткань, бумага, снег.

    Практические выводы:

    Температура горения спичек выше, чем у зажигалки, они при розжиге предпочтительны.

    Для розжига используйте мелкое топливо, оно быстрее прогревается до температуры воспламенения, а затем до температуры горения.

    Уберите от костра все лишние теплоёмкие предметы. Сначала подкладывайте мелкие дрова, по мере разгорания костра всё более крупные.

    Массивные костровые принадлежности и котлы с водой ставьте на уже разгоревшийся костёр.

    Вода

    Одно из главных применений костра – разогрев воды и приготовление пищи на её основе. Вода поглощает много тепловой энергии при фазовых переходах. Для таянья снега, льда или доведения до кипения воды в котле требуется потратить значительное количество топлива.

    Перед доведением до кипения тепловая энергия активно передаётся по всему объёму воды. Вся вода в котле имеет примерно одинаковую температуру. Поэтому для закипания требуется значительный импульс тепловой энергии.

    При таянии разогрев происходит локально, лёд и особенно снег не могут передать тепловую энергию по своему объёму. Поэтому требуется долговременное выделение небольшого количества тепловой энергии. Иначе растаявшая вода будет активно испаряться.

    Практические выводы:

    Закрывайте котёл крышкой. Слой нагретого воздуха под ней уменьшит потери тепла.

    Для того, чтобы довести воду до кипения подбросьте в костёр мелких дров. Они дадут импульс тепловой энергии.

    Для поддержания кипения или таянья не требуется сильного огня.

    Жаркого вам костра и вкусной еды!
    Алексей Лапин. 2018 г.