Mòdul 5 - escolaemergencies.com · 12 3. VELOCITAT La velocitat és un moviment rectilini...

Mòdul 5

Ciències aplicades

Curs de Bomber d’empresa

© Material docent amb protecció intel·lectual destinat exclusivament per il·lustrar l’acció formativa dirigida al alumne.

No es permesa la reproducció total o parcial del contingut ni el seu tractament informàtic, electrònic o mecànic per fotocopia o qualsevol altre mètode ni el seu us per altres accions formatives de tercers aliens a la disciplina i el control de L’escola d’emergències prevenció i seguretat de Catalunya.

Index

1

Index del Mòdul 5

PRINCIPIS DE LA FÍSICA

1. Introducció................................................................................................ 5

2. Força ....................................................................................................... 6

3. Velocitat ............................................................................................... 12

4. Acceleració ............................................................................................ 13

5. Treball ................................................................................................... 14

6. Energia ................................................................................................. 15

7. Potència ............................................................................................... 16

8. Palanques ............................................................................................. 17

PRINCIPIS DE LA QUÍMICA

1. Introducció................................................................................. 21

2. La matèria ................................................................................ 22

3. La calor .................................................................................... 25

4. La temperatura ........................................................................... 29

5. Estats d’agregació ...................................................................... 30

6. Líquids ........................................................................................ 33

7. Gasos .......................................................................................... 35

QUIMICA DEL FOC

1. Introducció ................................................................................... 38

2. La Combustió ................................................................................ 39

3. Elements que poden generar una combustió ............................... 46

4. Evolució d’incendis en interiors ................................................... 50

Index

2

5. Mètodes d’extinció d’incendis ....................................................... 56

PRINCIPIS HIDRÀULICA

1. Introducció ................................................................................... 59

2. L’Hidràulica .................................................................................. 60

3. Hidrodinàmica .............................................................................. 65

Principis de física Curs de Bomber d’empresa



Principis de física

5

1. INTRODUCCIÓ

La paraula física és un terme que prové del grec phisis i que significa “realitat” o “naturalesa”. Es tracta de la ciència que estudia les propietats de la naturalesa gràcies a l’ajut del llenguatge matemàtic. La física és l’encarregada de demostrar les propietats de la matèria: l’energia, el temps i les interaccions entre aquest diversos elements. Aquesta ciència no és només teòrica, també té una component experimental, és a dir, tots els conceptes teòrics es poden demostrar experimentalment; aixó ens permetrà fer prediccions sobre experiments futurs. Davant l’ampli camp d’estudi i el seu desenvolupament històric, la física es considerada una ciència fonamental. Entre les principals teories de la física, podem destacar: la mecànica clàssica (ens descriu el moviment macroscòpic), l’electromagnetisme (relacionat amb els fenòmens electromagnètics com la llum), la relativitat (anal·litza l’espaitemps i el calor), la termodinàmica (descriu els fenòmens molecular i intercanvis de calor), i la mecànica quàntica (estudia el comportament del mon atòmic). En aquest capítol, farem un breu repàs d’alguns conceptes com són: força, Impuls mecànic, quantitat de moviment, velocitat, acceleració, velocitat mitjana, treball, energia, i potència. També farem un petit incís per comprendre el funcionament d’una màquina simple com pot ser una palanca i aprendrem a classificar-les.


6

2. FORÇA

1ª llei de Newton o llei d’inèrcia La primera llei de Newton o llei de l’ inèrcia ens diu que si a sobre un cos no hi actua un altre, aquest es mante indefinidament en un moviment en línea recta amb una velocitat constant.

2ª llei de Newton o principi de la dinàmica

La primera llei de Newton ens diu que per a que un cos alteri el seu moviment es necessari que existeixi alguna cosa que provoqui el canvi. Aquest “algu” es el que coneixem com a força. La segona llei de Newton s’encarrega de quantificar el concepte de força, establint que l’acceleració d’un objecte es directament proporcional a la força neta que actua sobre ell i inversament proporcional a la seva massa. D’aquesta forma podem relacionar la força i la massa d’un objecte amb el següent enunciat:

Força = massa * acceleració

La massa es expressada en quilograms i l’acceleració en metre/segon². Aquesta magnitud, la força, pot ser expresada amb diferentes unitats com poden ser:

Unitat Símbol Sistema al que pertany

Newtons N Sistema internacional 1 N = 0.1 Kp 1 Kp = 9.8 N Quilopond Kp Sistema tècnic

Recordem que 1 newton es la força necessària para proporcionar una acceleració de 1 m/ s² a un Kg de massa (1 Kg*m/s²).

3ª llei de Newton o Principi d’acció-reacció

Tal i com em comentat al principi de la segona llei de Newton les forces son el resultat de l’acció d’un cos sobre un altre. La tercera llei, també coneguda com a Principi d’acció i reacció ens diu que “ si un cos A exerceix una acció sobre un altre cos B, aquest realitza sobre A una altre acció igual i en sentit contrari”. Això es una cosa que podem comprovar a diari en nombroses ocasions. Per exemple, quan volem donar un salt cap amunt, empenyem el terra per impulsar-nos. La reacció del terra es la que ens permet saltar cap amunt.


7

Quan estem a una piscina i empenyem a algú, nosaltres també en movem en sentit contrari. Això es degut a la reacció que l’altre persona fa sobre nosaltres, encara que no hi hagi la intenció d’empenyes.

Uns altres conceptes importants relacionats amb la força són: el sentit, la direcció i l’intensitats. Aquests factors els representarem mitjançant el que anomenarem vectors. El vector serà l’encarregat de definir gràficament aquests tres conceptes.

Primerament, la recta que va del punt A al punt B serà la que ens determinarà la direcció d’aquest vector. La fletxa ens marcarà el seu sentit, i finalment, la distància entre el punt inicial i el punt final serà la que ens marcarà la intensitat o magnitud d’aquesta força.

Composició de forces Dues forces poden generar una força resultant, aquesta força produirà els mateixos efectes que les dues forces inicials. Igualment una força podrà ser descomposada en dues forces (seguint el procés invers). Forces concurrents Direm que dues forces són concurrents quan tenen una direcció diferent i es tallen en algun punt del plà. En aquest cas a l’imatge podem veure que prolonguem un dels vectors s’acaben creuant. En aquets casos podrem trobar la força equivalent de dos maneres diferents:

Matemàticament.

Gràficament.


8

1.Matemàticament Per poder fer aquests càlculs haurem de saber quin és l’angle que formen aquest dos vectors. Si l’angle que formen és igual a 90º aplicarem aquesta fòrmula:

Fr = √ (F1 ² + F 2 ²) Si l’angle que és diferent aplicarem aquesta altre fòrmula:

Fr = √ F1 ² + F 2 ²+(2 * F1* F2 * cos α )

2.Gràficament Podrem trobar aquesta força resultant, fent un dibuix a escala i mesurant-lo. Primer unirem les dues forces en un punt comú. Una vegada ja tenim els dos vectors en un punt comú, traçarem una línea paral·lela a cada vector, aquesta línea la iniciarem a la punta del vector contrari. Per finalitzar unirem el punt comú inicial amb el punt comú final, aquest serà el vector que representà la força resultant.


9

Forces paral·leles Al contrari que en les forces del tipus concurrent, aquestes no es tallen en cap punt del plà. Dins d’aquest tipus de forces es poden donar dos casos ben diferents; en el primer cas, les dues forces tindran el mateix sentit, mentre que en el segon cas les forçes tenen el sentit contrari. En cas que les dues forces presentin el mateix sentit, la força resultant tindrà el mateix sentit i la direcció serà paral·lela a aquestes. La magnitud d’aquest força resultant serà la suma de les dues forces.

1. Matemàticament Si les dues forces presenten el mateix sentit podrem deduir que per saber el valor de la força resultant només ens caldrà sumar el valor de les dues forces, per tant la fórmula:

Fr = F1 + F2 En el cas que una de les forces tingui el sentit contrari a l’altre la fórmula quedaria de la següent manera:

Fr = F1 - F2

Sent la força 1 la més gran de les dues, en aquest cas el sentit el determinarà la força més gran. 2.Gràficament Si tenim el dibuix de les dues forces a escala podrem sabè de manera intuïtiva quina distància tenen les forces respecte al punt neutre. Per saber això, realitzarem els següents passos:


10

Situació inicial. Primer pas: Si les dos forces tenen el mateix sentit, intercanviarem les posicions de les forces i canviarem el sentit d’una de les forces

Segon pas: Per últim unirem els extrems de les forces amb una recta, el punt on aquesta fórça creui la línea horitzontal serà el punt neutre.

I finalment col·locarem les forces en el seu lloc original.


11

Aquest procés també el podem utilitzar en el cas que les forces no tinguin el mateix sentit.


12

3. VELOCITAT

La velocitat és un moviment rectilini uniforme, en el qual l’espai recorregut és directament proporcional al temps utilitzat per a realitzar aquest moviment. Per tant la velocitat és constant en el temps.

Velocitat = espai / temps On l’espai està expresat en metres i el temps en segons, per tant les unitats finals de la velocitat seran de metres per segon (m/s).

Velocitat mitjana És la velocitat mitjana d’un mòbil fictici, suposant que es mogués amb una velocitat uniforme. Aquesta velocitat mitjana es la suma de totes les velocitats instantànies dividides pel temps utilitzat. L’expressió matemàtica és:

V mitjana = espai / temps

On les unitats són en metres per segon (m/s) igual que en la velocitat instantània. La velocitat mitjana també la podem expressar de la següent manera:

V mitjana = ( V final – V inicial ) / temps


13

4. ACCELERACIÓ

L’acceleració és un moviment divers, és a dir, la velocitat del cos serà diferent en cada instant de temps. Es poden produir dos casos diferents, un seria que la velocitat vagi augmentant a mesura que augmenta el temps o be que la velocitat disminueixi al llarg del temps. Quant augmenti direm que l’objecte està patint una acceleració, en canvi, quan disminueixi direm que l’objecte s’està desaccelerant. L’acceleració l’expressarem de la següent manera:

Acceleració = ( V- V0 ) / temps

On les unitats resultant son m / s².


14

5. TREBALL

El treball és el resultant de multiplicar la força per l’espai recorregut. La seva unitat es el Jul (J) i la seva expressió matemàtica és:

Treball = Força * espai

J = N * m

El treball d’una força és el producte de la seva intensitat pel camí recorregut pel punt d’aplicació.

Si la força i el camí tenen la mateixa direcció podem dir que:

J = Força * espai

Si la força i el camí no tenen la mateixa direcció direm que:

J = Força * cos ß * espai

On ß és l’angle que formen el vector força i el camí a seguir.


15

6. ENERGIA

L’energia és la magnitud física per la qual els cossos tenen la capacitat per produir transformacions en ells mateixos o en altres cossos. L’energia té les següents característiques:

L’energia no es crea ni es destrueix, l’energia es transforma.

La massa és una manifestació d’energia.

Les unitats d’energia són les mateixes que les de treball. L’energia es pot manifestar de diverses maneres. Tan pot ser en el moviment dels cossos com en les forces que hi actuen.

Energia Cinètica L’energia cinètica, Ec, és la capacitat que té un cos per a efectuar treball pel fet d’està en moviment.

Ec = ( 1 / 2 ) * massa * velocitat ²

Energia potencial L’energia potencial, Ep, és l’energia que té un cos per ocupar una posició espacial dintre d’un camp gravitatori.

Ep = massa * gravetat * alçada

La unitat d’energia en el sistema internacional és el joule. Tanmateix, per raons històriques, encara s’utilitza la caloria. Una caloria, és l’energia que s’ha de subministrar a un gram d’aigua, perquè la seva temperatura augmenti un grau Celsius.

1 caloria = 4,184 J


16

1 HP = 745,7 W = 1,0138 CV

7. POTÈNCIA

La potència és la magnitud física que relaciona el treball realitzat amb el temps emprat. L’expressió matemàtica que ho representa és:

Potencia = Treball / temps

La unitat de potència en el sistema internacional són els watts. Un watt és la potència que efectua el treball d’un joule en un segon. W = J / s A més del watt també s’utilitzen altres unitats per expressar la potència, com ara els cavalls de potencia o cavalls de força i els cavalls de vapor, CV. Cal saber diferencia be entre cavall de potencia o cavall de força i cavall de vapor. El cavall de potencia es la potencia necessària per elevar verticalment a 1 peu per minut 33 lliures En canvi el cavall de vapor es la potencia necessària per elevar verticalment 75 kg a 1 metre en 1 segon.

1 CV = 735,5 W = 0,986 HP

Unitats bàsiques del sistema internacional (SI)

Magnitud Nom Símbol

Longitud metre m

Massa kilogram kg

Temps segon s

Intensitat de corrent elèctric ampere A

Temperatura termodinàmica kelvin K

Quantitat de substància mol mol

Intensitat lluminosa candela cd


17

8. PALANQUES

Dins els serveis d’extinció i salvament, ens trobarem diferents situacions en les quals, ens veurem obligats a realitzar forces molt superiors a les que un individu pugui desenvolupar. És per aquest motiu, que necessitarem l’ajut de màquines que ens permetin realitzar aquestes tasques. Les màquines que utilitzarem poden ser molt variades, començant per les més simples com poden ser palanques o desmultiplicacions, fins a arribar a les més complexes, per exemple, els separadors hidràulic que utilitzem en l’excarceració de vehicles. Abans de començar a parlar d’aquestes màquines farem un breu repàs teòric que ens seran útils per a millorar-ne la seva utilització. Definim el concepte de màquina com, qualsevol artefacte que fagi possible o ens faciliti la realització d’un treball.

La força F és la que produeix el moviment.

La força R és la que s’oposa al moviment, l’anomenarem resistència. Aplicant el principi de conservació de l’energia, podem deduir que el treball realitzat per la força ha de ser igual al treball realitzat per la resistència. Anteriorment, hem definit que el treball és la força per l’espai. Tots aquest concepte els expressarem de la següent manera:

W = Força * distancia i Wf = Wr

Força * distancia = Resistència * distancia

D’aquesta expressió podrem comprendre: que per a moure una força R, fent una força F molt més petita que R, la distància R haurà de ser menor que la distància de F. Segons la posició en la que trobem el punt de suport o fulcre podrem classificar les palanques en 3 grups; les palanques de primer gènere, les palanques de segon gènere i les palanques de tercer gènere.

Palanques de primer gènere Les palanques de primer gènere són totes aquelles palanques on el punt de suport o fulcre està situat entre la força i la resistència. Seria el cas d’un balanci o una balança.


18

Palanques de segon gènere Les palanques de segon gènere són totes aquelles palanques on el recolzament està situat en un extrem del braç de la palanca i la força està en l’extrem oposat, en aquest cas la resistència estarà situada al mig de la força i el recolzament. Per exemple una carreta de la construcció.

Palanques de tercer gènere Les palanques de tercer gènere són aquelles en les que el recolzament està en un extrem i a diferència de les palanques de segon gènere, la resistència està situada en l’extrem oposat. La força estarà situada entre el fulcre i la resistència. Un clar exemple podria ser una grua, unes pinces...


19

Les palanques de primer i segon gènere, proporcionen abans mecànic. O el que és el mateix, ens permet moure una resistència aplicant una força menor que aquesta. En les palanques de tercer gènere, la força aplicada ha de ser major que la força que es necessitaria per moure l’objectes sense la palanca. El que s’aconsegueix en aquests casos, és amplificar la distància que recorre l’objecte.

Principis de química Curs de Bomber d’empresa



Principis de química

18

1. INTRODUCCIÓ La química és la ciència encarregada de l’estudi de la composició, l’estructura i les propietats de la matèria. També analitzar els canvis que pateix la matèria duran les anomenades reaccions químiques. Els processos naturals que estudia aquesta ciència involucren tant a partícules fonamentals (els electrons, els protons i els neutrons), a partícules compostes (nuclis atòmics, àtoms i molècules) i a estructures microscòpiques (cristalls, superfícies). L’historia ens diu que les primeres experiències de l’home amb la química van sorgir amb la utilització del foc per a transformar la matèria. Per exemple, la obtenció del ferro a partir del mineral i la del vidre a partir de la sorra. Cal destacar que la química és una ciència empírica, que utilitza el mètode científic i que realitza els seus descobriments per mitjà de l’observació, l’experimentació i la quantificació. Al llarg de tot aquest tema desenvoluparem una sèrie de conceptes sobre la matèria i totes aquelles propietats físiques que tenen una estreta relació amb l’extinció d’incendis.


19

2. LA MATÈRIA Existeixen una gran varietat de substàncies al nostre voltant; l’aigua, l’aire, el ferro, la pedra i els organismes vius de qualsevol tipus. Aquestes substàncies pertanyen a una àmplia classe anomenada matèria. Les dos característiques bàsiques que posseeixen totes les formes de la matèria són: Ocupen un espai. Tenen un pes.

Així doncs, podem definir el concepte de matèria com quelcom que té una massa determinada i que ocupa un espai. Encara que les propietats dels gasos, els líquids i els sòlids sin diferents, tots ells són matèria. Entendre com està constituïda la matèria, serveix per explicar el comportament de les diferents substàncies quan varia la seva temperatura o la seva pressió, per qualsevol raó com pot ser el calor produïda per un incendi. De forma simplificada, podem dir, que la matèria està constituïda per petitíssimes unitats anomenades àtoms, que s’uneixen entre si formant grups que anomenarem molècules.

1 oxigen (O) + 2 hidrògens (H) = aigua (H2 O) Àtom + Àtom = Molècula

Àtoms Els àtoms, són les partícules més petites, que juntes formen la matèria d’un element o substància. Cada àtom d’un element, presenta una forma esfèrica i és extremadament petit. Per entendre millor la mida de cada àtom, imaginem una porció de matèria, tant petita, que si la situéssim en línea recta amb més porcions del mateix tamany, es necessitarien de l’ordre de 4 milions de porcions per aconseguir la mida del cap d’una agulla. Antigament, es pensava que l’àtom era indivisible i que era la partícula més petita que existia. Avui en dia, se sap que l’àtom és realment un sistema de partícules que formen un nucli molt dens, rodejades per altres partícules que es mouen al seu voltant descrivint una orbita circular. El sistema solar, en una escala molt superior, és similar al descrit, amb moviments regulars i constants de la terra i altres planetes al voltant del sol.


20

El nucli d’aquest àtom està format per protons i neutrons. Els protons són partícules que posseeixen una càrrega elèctrica positiva i els neutrons són partícules amb una càrrega elèctrica neutre, que també formen part del nucli, excepte en el cas singular del hidrogen. Fora del nucli existeixen diferents nivells o orbites que contenen els electrons, que són partícules amb càrrega elèctrica negativa. Neutrons Electrons Protons

Esquema d’un àtom

Les propietats dels elements i la tendència que tenen a reaccionar químicament depèn del número d’electrons en la capa més externa del àtom. La capa interna de tots els elements, sempre conté dos electrons (excepte la del hidrogen que en conte un de sol). Si la capa exterior conté un número d’electrons imparells o menor de vuit, l’element tendeix a reaccionar amb els altres elements.

Molècules Si avancem, a partir d’aquesta petita porció de la matèria que és l’àtom, arribarem a una part major que anomenarem molècula. La molècula, estarà formada per dos o més àtoms.

Polaritat de les molècules Segons els àtoms que composen una molècula i la manera en la qual s’uneixen apareixeran càrregues elèctriques en les diferents parts de la molècula. Les substàncies que presenten una carrega elèctrica les anomenarem substàncies polars, mentre que la resta que no presenten cap tipus de càrrega les anomenarem substàncies apolars. Un dels exemples més clars de substància polar, és l’aigua i com a substància apolar podríem dir els hidrocarburs. La polaritat d’una molècula influirà en algunes propietats d’aquella substància (formada per les molècules) com pot ser la solubilitat (que és la capacitat d’una substància per dissoldre’s en un medi). Les substàncies que siguin polars, com


21

l’alcohol, es dissoldran en aigua, perquè també és una substància polar; mentre que les substàncies apolars només és dissoldran en substàncies apolars.

Propietats de la matèria La matèria pot experimentar dos tipus de canvis diferents: els canvis químics i els canvis físics. Els canvis químics Els canvis químics són canvis gairebé irreversible, que tenen lloc en una substància quan les seves propietats i característiques canvien completament i adquireix unes propietats noves. Per exemple, el procés de combustió. Quan el carbó crema i es combina amb l’oxigen de l’aire, canvia la seva forma original de sòlid a gas, un gas incolor i inolor anomenat diòxid de carboni. Les cendres que es generen en aquest procés no presenten les mateixes propietats que en el producte inicial. Els canvis físics Els canvis físics, a diferència dels canvis químics no són tant complexos i normalment estant basats en els canvis d’estat. A diferència dels canvis químics, els canvis físics són totalment reversibles.


22

3. LA CALOR Una de les característiques bàsiques en els incendis és l’emissió de calor. Totes les reaccions de combustió o reaccions d’oxidació, son exotèrmiques (exo= exterior, termo= calor), és a dir, desprenen calor. Tal i com passa amb altres formes d’energia, és impossible mesurar el calor per ell mateix. Es pot mesurar, per allò que és capaç de fer, és a dir, per una mesura de treball. En aquest cas, el treball es el que eleva l’energia cinètica de les molècules de la substancia augmentant la seva velocitat de vibració. Sabem que les molècules estan en constant moviment, encara que, la magnitud d’aquest moviment és tant petita que ens resulta impossible apreciar-ho. Per cada estat (sòlid, líquid i gasos), a mesura que s’augmenta la temperatura, augmenta l’energia cinètica transformant un estat sòlid al líquid o al gasos. Quan es produeix aquesta transferència d’energia, la temperatura de la substància augmenta. Per mesurar l’energia tèrmica es poden utilitzar dues unitats diferents, les calories (cal) o els joules (J). Quan es vol indicar la quantitat d’energia que aporta un aliment es diu que té una quantitat determinada de calories. També podrem dir que, per escalfar un litre d’aigua de 10ºC a 20ºC necessitarem una energia equivalent a 10.000 calories. Aquestes unitats també es poden expressar en joules, la conversió de calories en joules és el producte de les calories per 4,18, ja que una caloria són 4,18 joules. També hem de tenir present, que els diferents tipus d’energia es poden transformar en uns altres com succeeix en la combustió, en la qual es transforma l’energia química del combustible i el comburent en energia tèrmica o calor. Uns altres conceptes relacionats amb el calor i que ens resultarà important entendre són: la capacitat calorífica, la calor especifica y poder calorífic.

Capacitat calorífica

Definirem la capacitat calorífica com la magnitud física que expressa la relació entre el calor subministrat a un cos i l’ increment de temperatura experimentat. La seva magnitud en el sistema internacional es de J/K. (Julio / grados Kelvin)


23

Calor específic

Calor específic es un terme que hem d’utilitzar, ja que ho trobarem habitualment per a indicar-nos la capacitat d’una substància per a absorbir calor.

Aquest terme no es mes ni menys que la concreció de la capacitat calorífica d’una substància per unitat de massa. O el que es el mateix, la quantitat de calor que es capaç d’absorbir una determinada quantitat d’una substància per augmentar la seva temperatura un grau.

La seva unitat en el sistema internacional es J / Kg * K), encara que el podem trobar referenciat a cal / g / ºC ( calories / gram / grau Celsius).

En la taula anterior, podem comprovar com l’aigua te un elevat calor específic. Aquesta qualitat i el seu calor latent de vaporització, que veurem més endavant, son els responsables del seu gran potencial com agent extintor. El calor específic de l’aigua en las unitats que habitualment treballem es de 1 cal / g / ºC. Quan les substàncies canvien d’estat, es necessita una energia calorífica major per poder portar aquesta transformació. Aquí es on apareixen els conceptes de calor latent de fusió i calor latent de vaporització. Calor latent de fusió El calor latent de fusió és la quantitat d’energia necessària per fer passar un kilogram de substància de la fase sòlida a la fase líquida, quan aquesta substancia es troba a la seva temperatura de fusió i a la pressió atmosfèrica normal. Si suposem un glaçó d’aigua a pressió atmosfèrica a una temperatura de 0ºC, perquè aquest glaçó passi a estat líquid a 0ºC necessitarem una aportació d’energia, que serà el calor latent de fusió; en el cas de l’aigua serà de 79,7 calories/ gram (aproximadament 80 cal/g).

Substància Calor específica

J / (Kg * K)

Aigua 4186

Gel 2100

Coure 387

Ferro 460

Vidre 837

Sorra 1046


24

Calor latent de vaporització El calor latent de vaporització és la quantitat d’energia necessària per fer passar un kilogram de substància de la fase líquida a la fase gasosa quan aquesta substància es troba a la seva temperatura d’ebullició i a la pressió atmosfèrica normal. En el cas que aquesta substància fos aigua, el calor latent de vaporització és de 539,6 calories/grams (aproximadament 540 cal/g).

Poder calorífic Totes les substàncies combustibles no desprenen la mateixa quantitat de calor en la combustió. A aquesta diferencia de generació d’energia en la combustió es el que es denomina calor o potencia calorífica i es defineix com: Calor despresa en la combustió completa de la unitat de massa de un combustible sòlid o líquid, o de la unitat de volum de un combustible gasos.

Transmissió del calor Sens dubte una de les característiques importants de la calor és que es transmet d’unes substàncies a unes altres. Bàsicament, existeixen tres mecanismes de transmissió de la calor: la conducció, la convecció i la radiació. La conducció L’energia calorífica flueix en totes direccions des del lloc on es genera i a través de tots els materials. Una substància sòlida no pot parar aquest flux de calor, ja que, tots els materials estan formats per molècules que estan en constant moviment. Per tant, aquestes molècules transportaran i conduiran el calor. Aquest mecanisme de transmissió de calor és molt habitual en sòlids i es produeix amb el contacte directe entre dos substàncies a diferents temperatures.

Transmissió de la calor per conducció

Substància Poder calorífic

Kcal / Kg

Gasoil 10800

Gasolina 10400

Gas natural 11900

Propà 11800

Hidrogen 34000

Fusta 4000


25

La convecció La convecció és el sistema de transmissió de la calor per mitjà de la circulació d’un material des d’un lloc més calent a un lloc més fred, tal com passa amb la circulació de gasos en un incendi per l’efecte xemeneia. Quan un recipient rep calor només per una banda s’escalfarà tot el líquid contingut en el dipòsit, ja que el líquid anirà circulant descrivint cercles anomenats corrents de convecció. El mateix passarà amb els fums generats per un incendi dins d’una habitació.

Transmissió de la calor per convecció

La radiació La radiació és la transmissió de la calor per mitjà de raigs o ones electromagnètiques d’una determinada longitud d’ona, tal com passa amb els raigs de sol o amb el microones. Aquest mecanismes de transmissió de la calor es desplacen de forma lineal, per això, la calor absorbida per una font puntual serà molt menor que la calor absorbida per una font amb una superfície radiant major. La radiació fa que un material es pugui escalfar més que un altre, encara que es trobin en el mateix lloc, segons el comportament de cada material davant dels raigs o de les ones electromagnètiques. Però els diferents materials existents poden reaccionar davant la radiació de tres maneres diferents, i són: Transmissió: Deixen passar els raigs a través seu, sense escalfar-se. Absorció: Absorbeixen els raigs. Reflexió: Reflecteixen els raigs cap a un altre lloc.


26

4. LA TEMPERATURA La temperatura és una escala numèrica que permet mesurar la calor que desprèn un cos, en comparació amb un altre que serveix de model.

Per poder mesurar la calor es fan servir uns instruments anomenats termòmetres que utilitzen un fenomen físic com la dilatació de determinats materials, com el mercuri, per poder establir una escala. Utilitzarem dues escales diferents per mesurar el calor, aquestes escales son: l’escala Celsius i l’escala Kelvin.

L’escala Celsius Aquesta escala utilitza la temperatura a la qual es troba l’aigua quan es transforma de líquid a gas (bull) per establir el valor de 100ºC i la temperatura a la qual l’aigua passa d’estat líquid a estat sòlid ( congela) per marcar la temperatura de 0ºC. Un cop establerts el màxim i el mínim, es divideix l’espai recorregut pel mercuri dins del termòmetre, en cent part iguals, i cada una d’aquestes parts indicarà 1ºC

L’escala Kelvin En aquesta escala es marca el 0ºK a -273ºC, ja que es la temperatura a la qual un gas s’hauria contret tant que no ocuparia espai. Aquest temperatura s’anomena zero absolut, ja que es la temperatura més baixa a la qual pot arribar qualsevol substància. Pel fet de que una escala parteixi de l’altra resulta molt fàcil traspassar la temperatura que s’indica en una escala a la temperatura que s’indicaria en l’altre.

Relació de les dos escales


27

5. ESTATS D’AGREGACIÓ

Si observem tot allò que ens envolta en l’entorn del nostre univers material, els nostres sentits perceben a traves de la vista, l’oïda l’olfacte i el gust que la matèria se’ns presenta en tres estats físics diferents : Estat sòlid Estat líquid Estat gasós o vapor

Sòlids En l’estat sòlid, la matèria es presenta mitjançant molècules compactes i en general indivisibles com seria la fusta, cartró, paper, plàstic, etc.

Líquids En l’estat líquid, la composició molecular ja no és tan estable, permet una adaptació a l’espai a on està contingut i es pot dividir fàcilment (aigua, benzina, gasoil, alcohol, etc.... )

Gasós En l’estat en fase vaporosa o gasosa, les molècules estan totalment alliberades i inconnexes, de forma que s’adapten al medi que les conté i a més es poden comprimir mitjançant la pressió (vapor d’aigua, nitrogen, etc). Però també, ens podem trobar amb compostos i mescles que són el producte de la unió i la desunió dels etats d’agregació, de forma que es poden unir temporalment o de forma definitiva.

Compostos i mescles Quant dos elements bàsics de la natura s’uneixen formant una reacció química, dona lloc a una nova substància amb propietats i característiques totalment diferents, el denominem compost, seria el ca de l’aspirina. En canvi, quant la unió d’aquests elements no es combinen permanentment i cada un d’ells manté les propietats individuals, el denominem mescla ( aigua + oli, gasoil + aigua, etc).

Canvis d’estat L'estat d'agregació que presenta un material, es pot modificar variant la temperatura o la pressió. Si aquests canvis es realitzen a pressió atmosfèrica, cada canvi es produirà només a una temperatura concreta, que dependrà del material.


28

Així, el gel es fondrà només a 0ºC, que és la seva temperatura de fusió; i l'aigua bullirà a la seva temperatura d'ebullició, 100º C. Les temperatures de canvi d'estat variaran si la pressió és diferent o si la substància està barrejada amb altres substàncies. Punt de fusió El punt de fusió és la temperatura en la qual un sòlid passa a l’estat líquid a pressió atmosfèrica normal. Punt de solidificació El punt de solidificació és la temperatura a la qual un líquid passa a l’estat sòlid a pressió atmosfèrica normal. El punt de fusió i el de solidificació són en realitat la mateixa temperatura per cada substància, encara que rebin noms diferents. Punt d’ebullició El punt d’ebullició és la temperatura a la qual un líquid passa a l’estat gasós a vapor a pressió atmosfèrica normal. Tot i que una substància pot estar constantment produint vapor, aquest procés es produeix cada vegada més ràpid, a mesura que s’augmenta la temperatura, fins arribar a la temperatura d’ebullició, moment en el qual l’evaporació es produeix de forma molt ràpida i la temperatura es manté constant. Punt de sublimació El punt de sublimació és la temperatura necessària perquè una substància passi d’estat sòlid a estat gasos, sense passar per l’estat líquid a pressió atmosfèrica normal. Aquest canvi , encara que és poc comú mentre les substàncies es troben a la pressió atmosfèrica normal, resulta més fàcil que es produeixi si s’augmenta la pressió, tal com comentarem més endavant, quan parlem de diagrames de fases.

Canvis d’estat de la matèria


29

Diagrames de fases Fins el moment, hem estudiat els canvis que pateixen les diferents substancies en condicions de pressió i temperatura constants. Els diagrames de fases són uns gràfics on s’indica l’estat en què es trobarà una substància pura concreta per a una pressió i una temperatura determinades. Aquests tipus de diagrames tenen una gran importància quan es produeix un incendi en llocs on puguin existir gasos liquidats, com són el butà o el propà. En la gràfica de la figura podem observar que quan augmentem la temperatura (eix abscisses), la pressió necessària perquè una substància es trobi en estat líquid és cada vegada major (eix de les ordenades).

Diagrama de fase

En el diagrama també s'observa un punt particular, anomenat punt crític. La temperatura crítica és aquella per sobre de la qual no es pot liquar un gas encara que s'augmenti molt la pressió. La pressió que es dóna a aquesta temperatura és la pressió crítica. El coneixement del punt crític és especialment important en aquells gasos que es transporten liquats. Així, per tenir el nitrogen en estat líquid la seva temperatura ha de ser inferior a -146.8 ºC. El punt crític s'utilitza per classificar els gasos en:

Gasos comprimits (Tc inferior a -10ºC) Gasos liquats (Tc entre -10 i 70ºC)


30

6. LÍQUIDS Densitat Una altra de les propietats que varia en cada matèria és la densitat. Definim la densitat com la quantitat de massa d’una substància per unitat de volum. La densitat de l’aigua és de 1g per cada cm³, ja que cada cm³ conté una massa de 1 gram. Dit d’una altra manera, si s’agafa un mateix volum de dues substancies diferents, i es pesa cadascuna, la que pesi més serà la més densa. Densitat = Massa / Volum

Les unitats de més utilitzades per expressar la densitat són el g/cm³ i el Kg/m³.

Densitat relativa La densitat relativa resulta de comparar la densitat de qualsevol substància amb la densitat de l’aigua. Aquesta densitat relativa serveix per saber si una substància concreta es més o menys densa que l’aigua. En el cas de l’oli, la densitat és de 0,92 g / cm³, mentre que la de l’aigua és de 1 g / cm³, això ens permet veure fàcilment quina substància és més o menys densa.

Viscositat Anomenem viscositat a la resistència que ofereix un líquid a ser desplaçat. La viscositat variarà en funció de la temperatura del fluid; a mesura que la temperatura augmenti aquesta viscositat anirà disminuint. Les unitats que utilitzarem per expressar la viscositat s’anomenen centipoises (cp). L’aigua a una temperatura de 20ºC té una viscositat baixa, al voltant de 1cp. En canvi, la de l’oli d’oliva és de 84 cp. Serem capaços de modificar la viscositat d’un fluid afegint-hi substàncies que actuaran com a espessants.

Tensió superficial Totes les molècules que composen un líquid estaran sotmeses a forces provocades per les molècules veïnes. En el cas de les superfícies dels líquids, les molècules experimenten una força cap a l’interior del fluid que anomenarem tensió superficial.


31

La tensió superficial variarà en funció del fluid, per exemple, el mercuri és un fluid que presenta una tensió superficial molt elevada i quan l’aboquem sobre una superfície no s’escampa bé, sinó que forma petites boletes de fluid. L’aigua no té una tensió superficial tant gran com la del mercuri, però igualment, presenta una tensió superficial elevada. És per aquest motiu, que en alguns casos concrets l’hi afegirem unes substàncies que tenen la finalitat de reduir aquest tensió superficial. Aquest substàncies encarregades de reduir la tensió superficial les anomenarem tensioactius o humectants.

Pressió de vapor És la pressió en la que les fases líquides i gasoses d’una substància es troben en equilibri. Aquesta pressió és pròpia de cada matèria i variarà amb la temperatura. A major temperatura, major serà la pressió de vapor. Com exemple pràctic podem introduir benzina en una garrafa, sense omplir-la en la seva totalitat. La benzina s’anirà evaporant, ja que la seva pressió de vapor és superior a la pressió atmosfèrica. Amb la garrafa tancada, el gas produït de l’evaporació anirà ocupant l’espai de la garrafa que no ocupa el líquid. A mesura que vagi augmentat la quantitat de gas acumulat, anirà augmentat la pressió, fins que arribi un moment en que la pressió que ha agafat aquest envàs impedeix a les molècules del líquid convertir-se en gas i s’aturarà l’evaporació en aquest moment, s’haurà arribat a la pressió de vapor de la benzina, per la temperatura a la que es trobi.


32

7. GASOS Pressió

La pressió que fa un gas tancat en un recipient és la força, per unitat de superfície, que fa sobre les parets que el contenen. Com que els gasos no tenen volum propi, la pressió que fan està directament vinculada al volum que poden ocupar. Un altre factor que modificarà la pressió d'un gas és la seva temperatura. La pressió que realitza l'aire de l'atmosfera sobre qualsevol cos s'anomena pressió atmosfèrica. La pressió que realitza l'atmosfera a nivell del mar és d'1 atmosfera i va disminuint a mesura que augmenta l'altitud.

Lleis del gasos Tots els gasos es regeixen per tres lleis fonamentals que son: la llei de Boyle-Mariotte, la llei Charles i la llei de Gay Lussac. Llei de Boyle-Mariotte La llei de Boyle-Mariotte diu que per una mateixa massa de gas, a temperatura constant, el volum de un gas varia inversament amb la pressió.

P * V = constant

Això significa que en el moment en que comprimim un gas, aquest augmentarà la seva pressió i si realitzem el procés invers, al disminuir la pressió augmentarà el seu volum. Llei Charles La llei de Charles diu que a pressió constant, el volum d’un gas varia en proporció directa al canvi de temperatura absoluta (ºK).

V1 / T1 = V2 / T2 Llei de Gay Lussac La llei de Gau Lussac relaciona la pressió que fa un gas amb la seva temperatura. Per una mateixa massa de gas, si no varia el volum que ocupa, la pressió d’un gas és directament proporcional a la temperatura.

P1 / T1 = P2 / T2


33

Un exemple clar d’aquest fenomen, es el moment en que nosaltres posem a carrega una ampolla d’aire comprimit, aquest a mesura que es va omplin també augmenta la seva temperatura, per aquest motiu l’hem de refrigera submergint-la en aigua. Si relacionem les dos lleis anterior, obtindrem la llei general dels gasos perfectes o ideals. Aquesta llei diu que per una determinada massa de gas, el producte de la pressió del gas pel seu volum dividit per la temperatura absoluta es una quantitat constant.

( P * V ) / T = constant

Química del foc Curs de Bomber d’empresa



Química del foc

34

1. INTRODUCCIÓ En aquest tema estudiarem la combustió des del punt de vista químic. Aquesta visió ens permetrà raonar a què ens enfrontem en el moment de fer una extinció d’un incendi. També farem un repàs d’alguns conceptes crucials per poder entendre més profundament, el procés de la combustió, com poden ser els límits d’inflamabilitat, els tipus de combustions que existeixen o les temperatures d’inflamació, d’ignició, i auto ignició. Totes aquest conceptes ens ajudaran a saber quines tècniques disposem per a realitzar l’extinció d’un incendi i en cada cas particular, quina és la més adequada en funció de les característiques del material que està cremant.

Química del foc

35

2. LA COMBUSTIÓ La combustió és una reacció química d’oxidació de caràcter exotèrmic.

La reacció de combustió Perquè se’ns generi una combustió, serà necessari la combinació d’aquesta reacció química amb tres elements indispensables: el combustible, el comburent i l’energia d’activació. El combustible El combustible és qualsevol element que reaccioni amb l’oxigen (o l’agent oxidant) en una combustió; per exemple la fusta, la gasolina o el propà. Es poden diferenciar tres tipus de combustibles diferents en funció dels seus estats físics. Aquest són els combustibles sòlids, els combustibles líquids i els combustibles gasosos. El comburent El comburent és l’agent oxidant necessari perquè es produeixi la combustió. El comburent més habitual és l’oxigen, que es troba en una proporció del 21% en l’aire, encara que es considera comburent qualsevol mescla de gasos que contingui una proporció d’oxigen suficient perquè es desenvolupi una combustió. Cal recordar, que hi ha substàncies, diferents a l’oxigen, que poden actuar com a comburents i que, per tant, poden provocar l’oxidació d’un material de forma ràpida i exotèrmica. És el cas dels halògens ( clor, fluor, etc.) que també actuen com a agents oxidants. També hem de tenir present, que en alguns casos l’oxigen pot ser aportat per un material o per una mescla de materials que aporten el comburent necessari per provocar la reacció química, és a dir, porten el comburent en el mateix producte i quan reaccionen el desprenen cap a l’exterior. L’energia d’activació L’energia d’activació és l’energia necessària perquè un combustible i un comburent reaccionin entre ells, de manera que poden produir una combustió amb flama o sense. Davant aquests tres elements perfectament combinats, ens trobem en presència d’una reacció química que coneixem com a triangle del foc.

Química del foc

36

La reacció de combustió, té un mecanisme complex. Quan el combustible i el comburent inicien la reacció, es forma una gran quantitat de productes entremitjos. Tot això es produeix abans de la formació dels productes finals. El procés de combustió consta de moltes reaccions en les quals s'allibera prou energia per permetre que noves molècules comencin la reacció. Aquest tipus de reaccions, són les responsables de que la combustió segueixi i es mantingui, les anomenem reaccions en cadena (la combinació dels termes rapidesa i autoalimentada donen lloc a aquest terme). Així doncs, el foc o combustió necessita de tres factors per tenir lloc i de quatre factors per mantenir-se. El conjunt dels tres factors (combustible, comburent, energia d'activació) formen el triangle del foc i el conjunt dels quatre (combustible, comburent, energia d'activació i reacció en cadena) formen el tetràedre del foc. Cada costat d'aquesta última figura simbolitza un dels components indispensables en el procés de combustió i manteniment d'aquesta. Qualsevol material combustible necessita està a una temperatura mínima per poder iniciar la combustió, per sota d’aquesta temperatura no es podrà cremar. Però aquest temperatura varia molt depenent dels combustibles. Aquestes diferències entre uns materials i uns altres, són degudes, entre altres raons, que abans que una substància s’inflami pateix un procés de formació de vapors ( es destil·len i produeixen vapors inflamable) i són aquests vapors els que en realitat s’inflamen quan arriben a la temperatura d’ignició, aquest procés el coneixem amb el nom de “piròlisis”. Quan el combustible s’escalfa suficientment s’inicia la combustió; es poden donar tres situacions diferents: Que s’encengui quan se li apliqui una font d’encesa, però, en retirar-la,

s’apagui. Que s’encengui en aplicar-li una font de calor i encara que aquesta font

de calor desapareix-hi es mantingui la flama. Que s’encengui sense necessitat d’aplicar-li cap font de calor.

Aquestes tres possibilitats serem capaços de diferenciar-les en funció de la temperatura del cos, i son les següents: punt d’inflamació, punt d’ignició, punt d’auto ignició

Punt d’inflamació El punt d’inflamació és la temperatura mínima en la que el combustible pot començar a generar gasos inflamables, però no és capaç de mantenir la flama per si sol.

Química del foc

37

Punt d’ignició Entenem com a punt d’ignició, la temperatura mínima sota la qual un material desprèn la quantitat suficient de gasos inflamables per produir la inflamació sota l’efecte d’una font incandescent, i aquesta es capaç de mantindràs sola.

Punt d’auto ignició El punt d’auto ignició és la temperatura mínima a la que es té que escalfar un combustible, per a que en presència d’un comburent pugui produir una combustió espontània, sense cap font d’energia exterior.

Límits d’inflamabilitat Per a que es generi una combustió, no tan sols cal que hi hagin vapors inflamables, sinó que té que existir una concentració adequada de combustible y comburent. Però aquesta mescla (vapors combustibles + comburent) no és igual en tots els casos, sinó que cada tipus de combustible precisa d’una proporció de mescla diferent per iniciar la ignició. Definirem, doncs, els límits d’inflamabilitat com els límits extrems de concentració del combustible dins del medi oxidant que li permet la combustió. Quedant definits els següents : Límit Superior d’inflamabilitat (L.S.I): Alta concentració i límit màxim de

vapors de mescla combustible + comburent, per damunt de la qual no es produeix combustió.

Mescla Ideal (M.I.): Mescla estequiomètrica de característiques

proporcionada i adequada perquè es produeixi la combustió. Límit Inferior de Inflamabilitat (L.I.I): És una pobre i mínima concentració

de vapors de la mescla combustible + comburent per sota la qual no es pot produir la combustió.

El comburent mes habitual que intervé en la majoria dels incendis es l’oxigen que conte l’aire. Encara que l’aire conte altre gasos a mes a mes de l’oxigen, les xifres de percentatge de concentració de vapors combustibles, que fan referència als límits d’inflamabilitat, les trobarem generalment expressades como concentració de vapores combustibles en aire.

Química del foc

38

Tipus de combustions Les combustions, en funció de la potència calorífica generada, les podem classificar en dos tipus basics : Combustions perfectes : Tota la potència calorífica es transforma en la

flama i per tant no hi ha presència de fum (bufador d’acetilè, butà, propà d’una estufa, etc).

Combustions imperfectes : Són quasi la totalitat d’elles (+- 95 % de les

combustions) es caracteritzen per generar fum, en més o menys quantitat, en el seu procés de combustió.

I en funció de la velocitat de propagació de les flames, les podem classificar en 3 tipus diferents: Combustions lentes: L’energia emesa es dissipa sense apreciar-ne

l’augment local de la temperatura. Són un exemple l’oxidació del ferro, l’envelliment del paper...

Combustions simples o ràpides: Combustió o simple: s’observa un

considerable augment de la temperatura, però la seva velocitat de flama és inferior a un metre per segon.

Química del foc

39

Instantànies.

1. Deflagracions: la velocitat de propagació de la flama és superior a un

metre per segon. Es generen ones de pressió i efectes sonors anomenats faxos.

2. Detonacions: La velocitat de propagació del foc és superior a la del

so (340m/s). Acostumen a produir-se a llocs tancats i generen grans ones de xoc.

Química del foc

40

Classificació en funció del combustible que crema Segons la norma europea i la UNE a nivell espanyol (UNE-EN-2 1994 / A1 2005) , els focs es classifiquen en cinc categories segons les seves reaccions i als efectes de poder efectuar una correcte extinció: Sòlids, Líquids. Gasos, Metalls i grasses i olis animals o vegetals. Sòlids B Líquids C Gasos D Metalls

F focs derivats de la utilització d’ingredients per a cuinar

(olis i greixos vegetals o animals) en els aparells de cuina.

Influència de la concentració d'oxigen L'atmosfera en què es produeix la combustió pot està afectada per deficiència d’oxigen o per excessos d'oxigen. En qualsevol d'aquests casos, la combustió presentarà variacions. Si es tracta d'un espai confinat, la combustió va exhaurint el comburent present i provoca combustions incompletes. En aquests casos, s'obtenen productes diferents, per exemple, s'obté monòxid de carboni i es forma un gran volum de fum. No obstant, en molts casos, una baixa concentració d'oxigen no suposa l'extinció del foc.

http://sites.google.com/site/saludalbaida/incendios/image011.gif?attredirects=0

Química del foc

41

Per exemple, la combustió incandescent de la fusta es produeix amb concentracions d'oxigen no superiors al 4 o 5%. En aquestes condicions la fusta genera una gran quantitat de gasos inflamables que poden cremar ràpidament, produint explosions, en cas que es produeix una ventilació del lloc. Aquestes explosions s’anomenen re explosions, explosions de fum o back-draft. En altres ocasions, l'atmosfera pot ser rica en oxigen degut a fuites d'aquest gas o a la presència d'altres productes que els continguis. L'excés d'oxigen amplia notablement els límits d'inflamabilitat, augmenta la velocitat de la combustió i disminueix l’energia d’activació necessària per a la combustió. Gairebé tots els materials son inflamables en atmosferes d’oxigen pur. Així, un aire amb un 24% d'oxigen dóna combustions al doble de ràpides que en aire normal. I si la concentració és del 40%, la velocitat es quadruplica. A part d'això, cal destacar que molts materials que a l'aire s'oxiden lentament o no reaccionen, en atmosferes d'oxigen pur s'inflamen vivament. Aquest comportament és fàcilment comprensible ja que el nitrogen, component majoritari de l'aire, en la immensa majoria de combustions no reacciona però absorbeix part de la calor alliberada. Cal una gran quantitat de calor per escalfar el nitrogen, de manera que una flama produïda amb aire, com a comburent, dóna temperatures fins a 1.000 graus inferiors a les que s'obtindrien en oxigen pur. L'efecte del nitrogen en la combustió també és la de dificultar la mescla entre combustible i comburent. Actua, per tant, com a retardant de la combustió. Qualsevol gas inert mesclat amb el combustible o amb el comburent actuaria de la mateixa manera. També hem de tenir en consideració que quant major sigui la concentració d’oxigen, menor energia d’activació serà necessària para iniciar la combustió i aquesta es propagarà amb major rapidesa.

Química del foc

42

3. ELEMENTS QUE PODEN GENERAR UNA COMBUSTIÓ En funció de la naturalesa d’una combustió, es pot generar els seguentss elements:

Flama La flama és una conseqüència característica de les combustions (exceptuo en els combustions incandescents o de brasa). De fet, és la zona on es produeix la combustió. Consta dels gasos inflamables, aire i els productes acabats de formar en la combustió. És un fenomen que emet llum i calor. La llum que emet és deguda a àtoms que formaven el combustible, que encara no s'han combinat amb l'oxigen i que es tornen incandescents per les elevades temperatures. El color i la temperatura de la flama dependrà del tipus de combustible i de la proporció d'oxigen o comburent present a l’incendi. Aquesta temperatura pot oscil·lar entre 1600 ºC y 2000ºC. Existeixen dos tipus ben diferenciats de flama, les flames de mescla prèvia i les flames de difusió.

Flames de mescla prèvia: Aquetes flames les trobem quan els gasos que cremen han estat mesclats en proporcions estequiomètriques prèviament. Un exemple d’aquest tipus de flama podria ser la flama d’un fogó. La flama te forma de con i es incolora o blavosa.

Flames de difusió: Son aquelles flames que necessiten la generació de gasos inflamables per a que es puguin produir. Un exemple d’aquest tipus de flama podria ser la flama generada per una espelma. La zona més externa de la flama és la que té la temperatura més alta ja que, en esta en contacte amb l'oxigen, la combustió és completa. Els corrents de convecció, deguts a l'escalfament de l'aire en la part superior de la flama, afavoreixen l'aportació d'oxigen en la part inferior

Fums El fum és una suspensió en l’aira de petites partícules sòlides i liquides a les que deu el seu color i el seu grau d’opacitat. Aquestes partícules resultant de la combustió incompleta d’un combustible i són més abundants, quant més incompleta sigui la combustió. La quantitat i la calor del fum depèn de la composició química del combustible i de la concentració de comburent. A més a més de ser nociva la seva inhalació i d’irritar les mucoses de ulls i vies respiratòries, és el principal responsable de la falta de visibilitat en els incendis confinats.

Química del foc

43

Les dimensions de les partícules que formen el fum, oscil·la entre 0,05 i 0,10 micres i aquestes son atrapades per la nasofaríngia i en funció de la seva concentració i del temps d’exposició (TLV) pot causar lesions gravíssimes o be la mort.

Gasos Són els compostos químics gasosos que es formen per reacció entre l’oxigen i els diferents compostos de la matèria combustible. La formació de gasos depèn principalment de la composició química del combustible, de la concentració d’oxigen i de la temperatura que agafa. Encara que Generalment es consideren gasos de la combustió els produïts per la pròpia reacció de combustió, no hem d’oblidar que també podem trobar en l’incendi gasos procedents de la piròlisi dels materials, que no han combustionat.

Els que produeixen els materials més habituals del nostre entorn són : Combustió de Fusta :

Monòxid de carbó Anhídrids carbònic Formaldehid Àcid fòrmic Àcid fèrric Àcid acètic

Combustió de Goma :

Monòxid de carbó Àcid sulfúric Anhídrid sulfurós

Combustió de Plàstics :

Monòxid de carbó Anhídrid de carbó Àcid clorhídric Amoníac Cianur i òxids de nitrogen

I els efectes sobre la salut i el cos humà són: Monòxid de carboni CO Es tracta d’una combustió incomplerta del carboni (deficiència O2) És la principal causant dels morts en interiors És un gas incolor, inodor i per això no es visible És letal i el risc més important és per la combustió de vehicles en

garatges i altres situacions és degut al CO.

Química del foc

44

El 80 % de les víctimes es produeixen a causa del CO, però el 50% és la causa única i directe.

Diòxid de carboni C02 Es tracta de la combustió completa del carboni. Quan si augmenta la proporció de CO2 (+- 2 %) augmenta el ritme

respiratori i en la seva conseqüència augmenta l’absorció d’altres compostos i productes.

És més pesat que l’aire i es diposita a la part baixa dels espais. És letal en concentracions del 5% durant 40 minuts.

Cianur d’hidrogen CNH És el resultat de la combustió de productes rics en nitrogen Nilons, plàstic, fibres acríliques, suro, cartró, paper Afecta la respiració a nivell cel·lular, produint una acceleració cardíaca,

espasmes musculars i la mort. Letal en concentracions de 3 a 10 mg/l en sang.

Diclorur de carbonil (FOSGENO) COCI2 Es produeix pel contacte de les flames amb productes clorats PVC o

amb productes de refrigeració com el freó. Genera edema pulmonar i la mort directe.

Cianur de nitrogen HCN Solen produir-se per la combustió de productes sintètics tals com roba,

moquetes, catifes, etc. Inhibeix la respiració cel·lular i la seva capacitat d’enverinament és

superior a la del CO.

Calor Les flames, fums i gasos que poden generar una combustió, tenen una quantitat d’energia calorífica superior a la dels elements del entorn que les rodegen. Aquesta energia calorífica superior la va transmeten a l’entorn, pels diferents mètodes de transmissió que ja s’han estudiat, fins que s’equilibrin les seves temperatures. És ben conegut que la flama és la major energia calorífica present, però en moltes ocasions, l’energia calorífica que tenen els fums i els gasos de l’incendi poden arribar a escalfar els objectes que es troben al seu voltant fins que pirolitzin i s’encenguin.

Química del foc

45

Evolució del foc en combustibles sòlids En la generació d’un incendi s’estableixen tècnicament quatre etapes diferenciades, tanmateix, en la realitat el que es manifesta és una fase lenta a base de fum i un altra de reacció ràpida a base de flames:

Primera etapa: estat latent, és una fase de incubació, no es produeixen fums que siguin visibles a ull nu, ni flama, però si que es generen partícules ionitzades que pugen verticalment i que poden ser detectades per un aparell automàtic de gasos (iònic).

Segona etapa: Fums visibles, es produeixen a conseqüència de partícules que es desprenen de l’incipient combustió i que pugen amb gran rapidesa. Poden durar hores o minuts sense produir flama.

Tercera etapa: Flames que es produeixen sota condicions ideals d’oxigen i desprenen rajos infrarojos , ultraviolats i llum.

Quarta etapa: La calor, es desenvolupa en qüestió de segons i va acompanyada de fums i gasos tòxics que ascendeixen a les parts mes altes de les habitacions.

Efectes que es poden produir en un incendi Un incendi en funció de la seva intensitat i de la naturalesa del mateix, pot provocar greus i tràgiques conseqüències a les persones i al medi natural. Tot integrant d’un servei d’extinció d’incendis ha de conèixer aquests efectes, per desenvolupar la extinció de l’incendi amb la major eficàcia, no només minimitzant tots els possibles danys a persones i bens, sinó garantitzant la pròpia seguretat dels intervinents.

Química del foc

46

Els efectes més significatius a tenir en consideració són:

a. Cremades. b. Destrucció de materials. c. Propagació de l’incendi a dependències o immobles col·lindants. d. Deteriorament estructural i esfondraments

Química del foc

47

4. EVOLUCIO D’INCENDIS EN INTERIORS

Fins ara hem vist la evolució d’un foc tipus de combustibles sòlids. En exteriors, a partir del establiment de les flames, l’incendi anirà propagant-se lliurement pel combustible disponible, ja que no te ninguna manca d’aire i per tant d’oxigen. En canvi, en interiors, podem trobar un altre tipus de evolucions denominades Flashover i Backdraft, condicionades per la configuració de la dependència i per la mancança d’oxigen.

FLASHOVER Una possible definició de Flashover es la establerta per la norma ISO (International Standrad Organization): Transició ràpida a un estat on totes les superfícies dels materials combustibles continguts en un compartiment es veuen involucrats en un incendi.

Situació del Flashover sobre la curva de desenvolupament de l’incendi

Química del foc

48

Indicadors de flashover Els següents factors poden actuar como indicadors per alertar al personal que es troben en el interior d’un edifici, en el que es pot produir un flashover:

o Canvis ràpids en el color dels gasos de la combustió, de negre dens a

groc o gris groguenc.

o El pla neutre descens ràpidament. Augment de la piròlisis en el recinte

incendiat.

o Augment de la temperatura en la capa superior dels gasos, i en el

recinte com a tal.

o Es veuen flames en la zona mes alta y calenta de la capa de gasos.

o Es poden observar moviments ondulatoris en la capa superior de gases.

BACKDRAFT

Quan un incendi es troba controlat per ventilació pot produir-se un backdraft.

En alguns casos el backdraft pot ser molt violent degut a una inflamació molt

ràpida dels gasos del incendi en un recinte, tant ràpida que no dona temps a

reaccionar. Per aquest motiu, es molt important ser capaç d’identificar els

signes que en indiquin que aquest fenomen es pot produir.

Un backdraft es pot descriure de la següent manera: En un incendi que ha estat

controlat per ventilació però que, per exemple, no ha pogut obtenir l’estat de

desenvolupament total degut a que els forats de ventilació son petits, donarà

lloc a una acumulació de gasos en el recinte incendiat.

Desprès de l’obertura d’una porta, finestra, etc es produirà una succió d’aire

cap a l’interior del recinte. Aquest aire provocarà una premescla amb els gasos

de l’incendi en alguns llocs del recinte. La ubicació de la font de ignició es

crucial en aquest cas, ja que determinarà quina quantitat de gasos es

barrejaran amb l’aire abans de que es produeixi la ignició. Al produir-se la

ignició es generarà flames de difusió i premescla. En la zona de premescla la

flama s’estendrà ràpidament.

Química del foc

49

Darrera d’aquesta flama els productes calents de la pirolisis es veurà empesos

cap avall i barrejats amb la capa que contè més aire, produint una flama de

difusió. La ràpida combustió i expanció del incendi en el recinte, provocarà que

els gasos que no s’han incendiat siguin expulsats al exterior on posteriorment

s’encendrant produint una bola de foc. En Backdraft pot portar un incendi al seu

desenvolupament total, però en ocasions el recinte despres de la expulsió de la

major part dels gasos de la combustió queda buit d’aquest restant només petits

focos en el seu interior.

Situació del Backdraft sobre la corba de desenvolupament de l’incendi.

Indicadors de Backdraft

Els següents factors poden alertar al personal que es troba a l’exterior de

l’edifici sobre la possibilitat de que es produeixi un Backdraft.

o Incendis en espais confinats on la ventilació és mínima i que porta un

cert temps actius.

o Finestres amb aspectes oliosos i negres, que indiquen productes

condensats de la piròlisis en la superfície freda de la finestra.

o Gasos polsants per petites obertures de l’habitació incendiada. Signe

clar d’una ventilació deficients.

o Sons xiulants en les obertures.

Química del foc

50

Pla neutre

Un incendi confinat els gasos i fums procedents d ela combustió es van

acumulant a la part superior de la dependència, formant el que es coneix com a

coixins de gasos. Aquest coixí de gasos va augmentat a mesura que es

desenvolupa l’incendi i té una major pressió i temperatura que la resta de

dependència. A efectes pràctics, el coixí de gasos comença al nivell en que

perdem la visibilitat. A aquesta frontera entre la zona amb visibilitat i la zona

sense visibilitat o coixí de gasos, se la denomina pla neutre.

Encara que a efectes pràctics l’identificarem per la diferència de visibilitat,

donat que aquest límit pugui ser una mica dissolt, la definició tècnica exacta del

pla neutre és:

Altura del pla, en una habitació en la que s’està desenvolupant un incendi, on la

pressió comença a ser superior a l’atmosfèrica.

No cal dir que si el desenvolupament del incendi ha sigut suficient per inundar

per complet la dependència de fums i gasos, no tindrem pla neutre. Per

descriure aquesta situació, col·loquialment diríem que el pla neutre està en el

terra.

Coixí de gasos

Pla neutre

Química del foc

51

S’ha de dedicar especial atenció a controlar el coixí de gasos a mesura que ens

anem acostant al focus de l’incendi. Aquest coixí pot contenir gasos inflamables

procedents d’una combustió incompleta del focus del incendi, per falta de

comburent. Aquests gasos poden està a altes temperatures i poden inflamar-se

quan les condicions de rang, temperatura o energia d’activació són les

adequades. Per tant si no hem dissipat i refredat aquests gasos durant el

nostre abans, podem veure’ns envoltats amb flames o en una deflagració.

Les tècniques de control de coixí de fums no son matèria pròpia del programa

formatiu que correspon als presents continguts, però si resulta imprescindible

identificar l’existència d’aquests gasos, per evitar que una intervenció acabi en

un accident.

Pla neutre

Coixí de gasos

Química del foc

52

5. MÈTODES D’EXTINCIÓ D’INCENDIS Segons el factor el qual s’incideix principalment, el sistema d’extinció rep un nom diferent, així es parla de: inanició, sufocació, refredament i inhibició. Inanició L’ inanició és un tipus de tècnica en la que es tracta d’actuar sobre el combustible per tal d’aconseguir l’extinció de l’incendi. Es pot actuar de tres maneres diferents: Retirant el material: Es tracta d’eliminar el màxim de material possible

així, evitem que el foc es pugui propagar. Evidentment aquesta tècnica no és fàcil d’aplicar en incendis de bosc, vaixells, etc.

Allunyant el foc: Es tracta d’allunyar la resta de material combustible existent del conat de l’incendi.

Dividint el material: Si dividim el material que està cremant en trossos més petits, aquest material s’extingirà més fàcilment.

Inhibició Aquest sistema d’extinció es basa, a trencar la reacció en cadena necessària per al manteniment del foc. Perquè pugui existir la reacció en cadena hi ha d’haver necessàriament uns radicals que transmetin la calor al combustible. L’actuació adequada sobre aquets radicals farà possible l’extinció del foc. Més concretament, la tècnica consisteix a abocar sobre el foc productes com ara el clor, el fluor o el brom, que reaccionen amb els radicals fent que perdin la propietat de transmetre la calor des de la flama al combustible. Sufocació La tècnica de sufocació consisteix a disminuir o impedir completament l’accés de comburent nou al combustible i esperar que el foc s’extingeixi en acabar-se el comburent. Normalment es tracta d’evitar que l’aire fresc pugui accedir al lloc de l’incendi, com per exemple, quan es posa una tapa sobre una paella encesa, Per evitar el contacte del comburent amb el combustible, podrem actuar de tres maneres: Aplicant escumes: L’escuma s’elabora barrejant aigua, aire i escumogen

i s’aplica a sobre el foc formant una pel·lícula aïllant. A més, la presència d’aigua permet actuar com a refredant.

Aplicant pols seca: Aquesta pols està formada principalment per bicarbonat sòdic i potàssic en la pols BC i fosfat monoamònic i diamonic en les pols ABC. Aquestes pols actuen formant una crosta sobre el combustible, aïllant-lo del medi. A més a més, les pols ABC actuen

Química del foc

53

també sobre la reacció en cadena, ja que es combinen amb els radicals lliures i així eviten la reacció en cadena.

Injectant gasos: S’injecten gasos com el diòxid de carboni o el nitrogen, ja que son gasos inerts. Actuen, perquè desplacen l’oxigen del medi. Aquesta tècnica només es pot utilitzar en llocs tancats i amb uns focs no gaire desenvolupats.

Refredament El refredament consisteix en fer disminuir la temperatura fins al punt en què el combustible no sigui capaç de generar més gasos inflamable. Normalment s’utilitza l’aigua. L’aigua té una gran capacitat per absorbir calor, tant durant el procés d’escalfament de 0ºC a 100ºC com en el procés de canvi d’estat (recordem que necessitava al voltant de 540 cal/ gram). Pel que fa referència a l’efectivitat, l’aigua es més efectiva com a agent extintor quan es llença en forma polvoritzada. Com més petites són les gotes més ràpid s’evaporen degut a la seva gran superfície, i com ja hem dit anteriorment quan l’aigua passa de líquid a gas és quan necessita més energia. Per aquest motiu si tirem l’aigua polvoritzada és quan estem treient el màxim rendiment d’aquest agent extintor.

Principis d’hidràulica

Curs de Bomber d’empresa


No es permesa la reproducció total o parcial del contingut ni el seu tractament informàtic, electrònic o mecànic per fotocopia o

qualsevol altre mètode ni el seu us per altres accions formatives de tercers aliens a la disciplina i el control de L’escola

d’emergències prevenció i seguretat de Catalunya.


54

1. INTRODUCCIÓ

L’origen de la paraula hidràulica és del llatí “hidro” que significa aigua. Aquesta

és la branca de la física que es dedica a estudiar el comportament dels fluids.

Considerarem fluids tots aquells que presentin les següents propietats:

No tenen forma pròpia. Les partícules que els formen estan molt a prop

unes amb les altres, però les atraccions no són tant fortes com en els

sòlids i per això poden moure’s lliurement.

Es dilaten amb la calor. En escalfar-se les partícules es mouen més

ràpidament i ocupen més espai.

Les forces degudes al seu pes s’exerceixen perpendicularment a la base

i a les cares laterals dels recipients que els conté.

L’hidrostàtica és l’encarregada d’estudiar el comportament d’un fluid quan

aquest està en repòs; mentre que l’hidrodinàmica estudiarà aquest mateix fluid

però, en aquest cas quan està en moviment.

Bàsicament estudiarem el comportament d’un sol fluid, l’aigua, ja que és el fluid

que utilitzarem més habitualment alhora d’extingir un foc.

L’aigua està composta bàsicament d’hidrogen i d’oxigen (1 gram hidrogen per

cada 8 d’oxigen ). Aquest fluid en funció de la temperatura pot presentar els

tres estat de la matèria: a menys de 0º Celsius estarà en estat sòlid, entre 0 i

100º Celsius estarà en estat líquid i a més de 100º Celsius estarà en estat

gasos. Aquestes temperatures poden variar lleugerament en el cas que la

pressió sigui diferent que l’atmosfèrica.

També sabem que aquest fluid te un calor específic de 1 cal / g / ºC i que

necessita una quantitat d’energia per poder passar d’un estat a una altre, el que

anomenem calor latent de fusió, serà de 80 calories i servirà per passarà de

sòlid a líquid i la calor latent de vaporització de 540 calories per passar de líquid

a gas.

El volum que ocuparà 1 kg d’aigua també variarà en funció de la seva

temperatura. El mínim volum que ocupa 1 kg d’aigua és de 1 dm³, a la

temperatura de 4ºC. Si se li augmenta o disminueix aquesta temperatura,

l’aigua augmentarà de volum sempre. Si se li augmenta la temperatura,

l’augment del volum és progressiu de tal manera que 1 quilo d’aigua a 4ºC

ocupa 1000 cm³ a 100ºC ocupa 1040 cm³; d’altra banda, si es disminueix la

temperatura en canviar d’estat líquid a sòlid a 0ºC, el volum que ocupen els

1000 grams d’aigua gelats és de 1090 cm³ pot crear desperfectes en elements

plens d’aigua en disminuir la temperatura.


55

En el canvi d’estat de líquid a vapor, 1 litre d’aigua dóna 1700 litres de vapor d’aigua a 100ºC.

2. L’HIDROSTÀTICA

Pressió estàtica

La pressió hidrostàtica és la pressió que exerceixen els líquids sobre els cossos

a conseqüència dels seu propi pes. La pressió del cos submergit augmenta tan

sols amb la profunditat i la densitat, no amb la quantitat de líquid,com seria en

el cas dels sòlids.

En l’exemple de la figura, els dos

objectes estan a la mateixa profunditat,

però degut a les diferents densitats

dels líquid podrem entendre que, el

sòlid submergit en l’oli estarà sotmès a

una pressió diferent que el sòlid

submergit dins de l’aigua.

És a dir, podem definir la pressió hidrostàtica en un punt d’un líquid com la

força que fa el líquid en virtut dels seu pes, sobre la unitat de superfície situada

en aquest punt.

Pressió = F / S

Sent F la força exercida pel líquid i S la superfície on està aplicada.

Una persona que camini sobre la neu amb raquetes no s’enfonsa amb tanta

facilitat que una altre persona que no en porti; si o analitzem detingudament, el

pes sempre serà aproximadament el mateix, però la superfície si que

augmentarà considerablement. A l’augmentar la superfície aconseguim reduir la

pressió i per aquest motiu no ens enfonsarem amb tanta facilitat.

Un altre concepte important a tenir en compte és la densitat, per això

plantejarem una sèrie de comparatives per veure quin fluid pesarà més.

Compararem l’aigua amb el mercuri.

Suposem que :

Utilitzem la mateixa proveta, amb un litre de capacitat i una superfície de

1 cm ².


56

Sabem que la densitat del l’aigua és de 1kg per cada litres d’aigua,

mentre que la del mercuri serà de 13.6kg per cada litres de mercuri.

Calcularem

Aigua: Pressió = 1Kg/ 1cm²

Pressió = 1Kg/cm²

Mercuri: Pressió = 13.6 Kg/ 1 cm²

Pressió = 13.6 Kg/cm²

Per tant, pel mateix volum de líquid, el mercuri pesarà 13,6 vegades més que el

mateix volum d’aigua.

Les unitats de mesura per la pressió poden ser molt diverses, però a nivell

pràctic utilitzarem les atmosferes, els bars, els metres columna d’aigua i els

kilograms per centímetre quadrat.

1 atm = 1,013 bar = 10 m.c.a. = 1,033 Kg/ cm2 = 76 centí. de columna mercuri

Principi de Pascal

El principi de pascal diu: “ En un fluid en equilibri, un increment de pressió en

un punt interior és transmès, un cop arribat de nou a l’equilibri, a tots els demés

punts del fluid”.

La pressió que exerceix un sòlid gràcies al seu pes actua només en una

direcció i un sentit, m’entres que la pressió aplicada per un fluid, gràcies al seu

pes, actua en totes les direccions i sentits amb igual intensitat.

Pascal per demostrar la seva teoria va realitzar un experiment amb una bota de

vi, una tub i un litre d’aigua. Va construir un tub molt llarg i prim i el va connectar

amb una bota plena d’aigua, va omplir el tub i la pressió de l’alçada de l’aigua

va aconseguir rebentar la bota. Així va poder demostrat de manera pràctica que

la pressió no depèn de la quantitat de líquid sinó de l’alçada d’aquest.

El principi de Pascal està aplicat en moltes màquines, però un dels exemples

més clars és la premsa hidràulica.

Consisteix, en essència, en dos cilindres de diferent secció comunicats entre si,

l’interior dels quals està completament ple d’un líquid com pot ser aigua o oli.


57

Dos èmbols de seccions diferents s’ajusten, respectivament, en cadascun dels

dos cilindres, de manera que estiguin en contacte amb el líquid.

La premsa hidràulica en permet amplificar la intensitat de les forces aplicades.

Plantejarem un petit exemple amb les següents dades:

Pes del cotxe= 2000 Kg, Superfície A2= 5 m² ,

Superfície A1= 1m² i Força 1= ?

Pressió 1 = Pressió 2

Força 1 / Superficies A1 = Pes del cotxe /

Superficies A2

Força 1 = (2000/5)* 1

Força 1 = 400Kg

És a dir, gràcies a la utilització del principi de pascal, per moure un pes total de

2000kg només ens farà falta realitzar una força de 400 Kg.

Aquest diferència de forces manté una proporcionalitat en funció de la

diferència entre les superfícies, és a dir, la divisió entre la superfície gran i la

petita en diu quantes vegades menys hem de fer força per realitzar el

moviment, en aquest cas la proporció és de 5 vegades menys.

Principi d’Arquímedes

Segons l’historia, el governador de Siracusa va demanar al matemàtic grec

Arquímedes que determinés si la corona que s’havia fet fabricar, era realment

d’or o si pel contrari l’havien enganyat. Arquímedes tenia que resoldre aquell

problema sense danyar la corona, així que, no la podia fondre per convertir-la

en una cos regular i calcular-ne el seu volum.

Es diu, que un dia m’entres s’estava banyant, va notar que el nivell d’aigua

pujava quan entrava a dins la banyera, en aquell moment es va adonar que

podia utilitzar aquella mesura per determinar el volum total de la corona.

Una vegada sabut el volum total i el pes de la corona podia determinar la

densitat i comprovar d’aquesta manera si la corona era d’or o no. Llavors,


58

Arquímedes va sortir corrents i va començar a cridar aquella famosa paraula

“Eureka” que en grec vol dir “ Ho he trobat !!

Aquest principi diu: “Tot cos, total o parcialment submergit en un fluid,

experimenta una força ascendent vertical, ascendent igual al pes de fluid

desallotjat. ” Segons aquest principi els cossos que floten en l’aigua tindran una

densitat menor 1 mentre que els cossos que s’enfonsen tenen una densitat

major que 1.

Gràcies al principi d’Arquímedes sabem que, quan nosaltres submergim un

objecte en l’interior d’un fluid, aquest es desplaça exactament el mateix volum

que l’objecte submergit.

Pressió atmosfèrica

La terra està rodejada per un conjunt de gasos que anomenarem atmosfera. Aquesta atmosfera està composta en la seva gran majoria per oxigen i nitrogen, no obstant tot aquest conjunt de gasos son els que composen l’aire. Aquesta atmosfera té una alçada aproximada d’uns 60 kilòmetres o més, respecte al terra i al pes de tots aquests conjunts de gasos exerceixen una pressió. Aquesta pressió, és el que coneixem amb el nom de pressió atmosfèrica. La pressió atmosfèrica actua en totes direccions i sempre perpendicular a les superfícies dels cossos que tenen en contacte. Encara que la pressió atmosfèrica varia sensiblement depenent de les condicions meteorològiques, podem considerar que la pressió mesurada a nivell del mar és de 1 atmosfera. 1 atm = 1,013 bar = 10 m.c.a. = 1,033 Kg/ cm2 = 76 centí. de columna mercuri

Pressió absoluta y manomètrica

La pressió es pot mesurar respecte a qualsevol base de referència arbitraria, sent la mes usual el buit i la pressió atmosfèrica. Quan una pressió es expressada com la diferencia entre aquesta i el buit parlarem de pressió absoluta. Si la diferencia es respecte a la pressió atmosfèrica parlarem de pressió manomètrica. Les dades de pressió que s’utilitzen mes habitualment en els equips d’extinció, correspon a pressió manomètrica. Els baròmetres son instruments que mesuren pressió absoluta, es a dir, comparen la pressió existent respecte al buit, on la pressió es nul·la. En canvi


59

si mesurem la diferencia de pressió respecte a la pressió atmosfèrica, estem registrant pressió manomètrica, que es la registrada en els manòmetres. Això es molt fàcil de comprendre si pensem que una manòmetre col·locat en el fons d’un recipient de 10 metres de profunditat ple d’aigua, marcarà 1 bar i col·locat en la superfície marcarà 0 bar. Però la pressió absoluta o real que tenim en el fons son 2 bars. Un bar per efecte del 10 metres de columna d’aigua i 1 bar per efecte de la pressió atmosfèrica. O el que es el mateix, tot cos sobre la superfície terrestre està sotmès a la pressió atmosfèrica, que es d’un bar. En canvi, si col·loquem una baròmetre en la superfície de l’aigua junt al manòmetre, la seva lectura serà d’1 bar. Hem de considerar també que les pressions podem ser positives o negatives. Referint-nos als manòmetres, que son els que s’utilitzen en els equips d’extinció d’incendis, podem decidir que les pressions per sobre de la pressió atmosfèrica seran positives i per sota de la pressió atmosfèrica seran negatives. Els instruments que mesuren pressió positiva es denominen manòmetres i els que mesuren la pressió negativa s’anomenen vacuòmetres. Els que poden mesurar les dues pressions, son els que anomenem manovacuometres.

Experiment de Torricelli

Torricelli va omplir un tub de 1 metre de llarg que estava tapat per un dels seus

extrems i el va omplir amb mercuri per l’extrem obert. Seguidament va tapar-ne

l’extrem obert amb el dit i el va submergir dins d’una cubeta plena d’aquest

mateix fluid.

Sorprenentment la columna de mercuri baixava uns

centímetres i quedava estàtica a una altura de 760 mm per

sobre del nivell del líquid de la cubeta.

Amb aquesta demostració, Torricelli va ser capaç de

mesurar per primera vegada la pressió atmosfèrica. Va

raonar que la columna de mercuri no baixava més perquè la

pressió atmosfèrica exercia una pressió sobre el fluid de

dins de la cubeta.

Ja que la pressió era directament proporcional a l’altura de la columna de mercuri (h), es va adoptar com a mesura de la pressió el mm de mercuri.

Així la pressió considerada com "normal" es correspon a una columna de 760 mm de mercuri.


60

3. HIDRODINÀMICA

Tal i com hem comentat amb anterioritat, l’hidrodinàmica és l’encarregada

d’estudiar tots aquells fluid que experimenten un moviment.

Pressió dinàmica

Si un fluid es troba en moviment, definim la pressió dinàmica com:

Pressió dinàmica = (δ x v²) / 2

On δ es la densitat y v es la velocitat del fluid.

Aquesta expressió que te unitats de pressió és la energia cinètica del fluid

deguda a la velocitat del fluid en el seu moviment. La pressió dinàmica no es

manifesta exercint una força sobre una superfície, com ocorre amb la pressió

estàtica, sinó que és l’energia per unitat de volum que posseeix el fluid en el

moviment.

Dimensionament té unitats de pressió, ja que expressa l’energia cinètica del

fluid per unitat de volum.

Així doncs, la pressió dinàmica no es pot mesurar amb un manòmetre, doncs

aquests instruments funcionen només amb la pressió estàtica.

És habitual en el llenguatge dels bombers denominar la pressió dinàmica a la

que marca un manòmetre quan l’aigua que circula en una instal·lació es troba

en moviment. Aquesta forma d’expressar-se no és correcta ja que el concepte

tècnic de pressió dinàmica és l’exposat, lo que marca el manòmetre en la

situació és una pressió estàtica, la qual ha disminuït respecte a la que hi havia

ja que part de l’energia, que posseïa l’aigua quan estava em repòs, s’ha gastat

en posar en moviment el fluid. Però aquesta lectura si que ens serveix de

referència per quantificar la pèrdua de carga que experimenta una instal·lació,

concepte que tractarem més endavant.

El fluid laminar i turbulent

L’aigua com tots els fluids, presenta una densitat determinada en funció de la

seva temperatura, això provocarà que en el moment que aquest fluid comenci a

tenir moviment aquesta viscositat origini una resistència superficial. Igualment,

les característiques de la superfície per un circuli també provocaran unes

friccions que en direm resistències de forma. Així doncs, sabem que un fluid

estarà sotmès a dos resistències:


61

El fluid és viscós => Resistència de superfície

Característiques de la superfície => Resistència de forma

Tot aquest conjunt de resistències ens provocaran que a nivell macroscòpic

aquest fluid es comporti com un flux permanent. En canvi, a nivell microscòpic

aquest fluid es podrà comportar de dos maneres diferents, com a un fluid

laminar o com un fluid turbulent,em funció de la velocitat a que es desplaça i de

les dimensions de la canonada.

El fluid laminar

Entenem com a fluid laminar aquell fluid que circula sense generant grans

turbulència, de manera ordenada i constant; podríem dir que en el fluid laminar

el fluid es mou en capes uniformes denominades làmines.

El fluid turbulent

En canvi, els fluids turbulent són aquells fluids que en el seu interior es generen

una gran quantitat de remolins de diferents mides, desordenats, caòtics i molt

fluctuants. En aquest tipus de fluid, patirem grans pèrdues d’energia, aquestes

pèrdues d’energia provocades per la generació de remolins a l’interior del fluid,

aquesta turbulència és un dels factors que generen pèrdues de càrrega.

Per referenciar el comportament d’un fluid respecte a la turbulència, s’ha

establert un paràmetre adimensional conegut com número de Reynolds. Per

valors per sota de 2000, es considera que el fluid flueix de forma laminar i per

sobre de 4000 es considera que flueix de manera turbulenta, existint un període


62

entre aquests dos valors, en el que el fluid és difícil de delimitar si es turbulent o

laminar.

El cabal Entenem com a cabal, la quantitat d’aigua que passa per la secció d’un conducte en funció del temps utilitzat, podríem dir, que és la velocitat a la que circula el fluid. Les unitats utilitzades habitualment són: Litres per minut ( l/min) Metre cúbic per minut (m³/min) Metre cúbic per hora (m³/ h)

1 l/min = 0,001 m³/min = 0,06 m³/h

El cabal que circula per un conducte està relacionat amb la velocitat que te el fluid i pel diàmetre del conducte per on circula, aquesta relació la representem mitjança’n l’expressió matemàtica següent:

Q = V * S

On la V és la velocitat del fluid i la S és la secció de la canonada per un circula. En el moment d’utilitzar aquesta expressió matemàtica hem de ser conscient de quines unitats hem d’utilitzar per a que el resultat tingui una magnitud correcte, per exemple si volem obtenir el cabal en m³/min haurem de posar la velocitat en metres per minut i la secció en metres quadrats.

Q = V * S Q = m/min * m²

Q = m³ / min

Quan la velocitat de l’aigua en una conducció supera los 2,5 m/s, es produeixen pèrdues de carga importants. Això limita el cabal que circula per una conducció en funció del seu diàmetre. Per a que ens puguem fer una idea del cabal màxim que pot passar a aquesta velocitat per cada una de les mànegues que utilitzem farem el càlcul de cabal dels tres diàmetres que utilitzarem com a bombers d’empresa; 25 Ø, 45Ø i 70Ø.


63

Per tant aplicant l’expressió que hem vist en l’apartat anterior serem capaços de mesurar aquest cabal. Sabem que la secció de la canonada serà S= π * R².

Velocitat (m/s) Diàmetres (mm) Secció (mm²) Secció (m²)

2,5 25 490,87 0,00049

45 1590,43 0,00159

70 3848,45 0,00385

I aplicant la formula de Q= V* S obtenim els següents resultats.

Cabal (m³/s) Cabal m³/min) Cabal(l/min) 0,00123 0,07363 73,63108

0,00398 0,23856 238,56469

0,00962 0,57727 577,26765

Això, ens permet comprovar numèricament el que ja ens podíem imaginar intuïtivament. Com més gran sigui la secció de la mànega, amb la mateixa velocitat, circularà una major quantitat d’aigua. Les instal·lacions mòbils d’extinció presenten un important inconvenient per treballar a una velocitat de 2.5 l/m. Per aconseguir els caudals apropiats per l’extinció, necessitaríem uns diàmetres de mànega que una vegada plens d’aigua dificultarien de manera important la seva mobilitat, incidint negativament sobre l’eficàcia de l’ intervenció. Per tant, en aquest tipus d’instal·lacions que assumeixen velocitats majors i majors pèrdues de carga. La taula següent fa referència als règims de treball habituals en les instal·lacions d’extinció.

Teoria de la continuïtat


64

Ara que ja coneixem la formula Q=S*V i sabem que l’aigua és un fluid no compressible, podem entendre que tota l’aigua que passa pel començament de la mànega ha de sortir pel final de mànega, és a dir, el cabal és constant.

S * V = CONSTANT

Això voldrà dir, que encara que la secció de la canonada variï la relació entre la secció i la velocitat es mantindrà constant, per tant si la secció és major la velocitat disminuirà, en canvi si la secció es redueix la velocitat augmentarà.

En el cas de la canonada de la figura la relació entre els dos diàmetres seria la següent:

V1*A1 = V2*A2

Teorema de Bernoulli El teorema de Bernoulli és l’encarregat de descriure el comportament d’un fluid ideal (suposant que no te viscositat ni forces de frec) en un regim de circulació per un conducte tancat. Aquest teorema diu, que el fluid es mante constant durant el seu recorregut i que les energies de que està compost el fluid són tres: L’energia cinètica deguda al moviment del fluid. L’energia potencia gravitatòria provocada pel desnivell del fluid. L’energia pròpia del fluid, provocada a la pressió que posseeix.

Aquestes tres energies estan reflectides a l’equació de Bernoulli, que és la següent:

Energia cinètica Energia pròpia del fluid Energia potencia gravitatòria


65

Segons Bernoulli si hi ha més velocitat es té més energia dinàmica i a menys, velocitat menys energia dinàmica, però més energia estàtica.

Teorema de Bernoulli

Efecte venturi Aplicant el que s’ha dit anteriorment, si disminuïm la secció augmentarà la velocitat del fluid, aquest augment de velocitat farà augmentar l’energia cinètica del fluid. Aplicant el teorema de Bernoulli, si augmenta l’energia cinètica disminuirà l’energia estàtica i per tant en el punt en que la secció es redueixi si crearà una depressió, a aquest fenomen és el que coneixem com efecte venturi. Hi ha una gran varietat de màquines que utilitzen aquest principi per al seu funcionament, com poden ser el premesclador d’escuma, els polvoritzadors, etc.

Premesclador d’escuma

Pèrdues de càrrega Així com va avançant un fluid al llarg de la conducció, va experimentant reduccions d’energia motivades per una sèrie d’elements que podríem qualificar de fixes, és a dir, que sempre estan presents i ocasionals, que poden estar-ho o no.


66

Elements fixes:

Raonament amb les parets de la conducció.

Corbes i girs en la conducció que produeixen les reduccions, bifurcacions...

Elements ocasionals:

Desplaçament ascendent del fluid.

Velocitat de desplaçament superior a 2.5m/s que generi fluid turbulent.

A aquesta reducció d’energia la denominem pèrdua de carga. Considerem un dipòsit que es descarrega per una canonada recta en la que hem situat una sèrie de manòmetres, si la clau està tancada, els manòmetres marcaran tots la mateixa pressió que serà l’altura de pressió existent a la sortida del dipòsit.

Si obrim la clau, l’aigua comença a circular em un cabal Q i com no varia la secció de la conducció, al llarg de la mateixa hi haurà la mateixa altura de velocitat, per tant els manòmetres marcaran una altura o pressió menor ja que part de la pressió s’utilitzarà en moure el fluid.


67

Això és una situació teòrica, ja que en la pràctica comprovaríem que el que passa és que no tots els manòmetres han perdut la mateixa altura sinó que el més allunyat del dipòsit ha disminuït més i marcarà menys pressió.

Això és degut a les pèrdues de càrrega i el primer que s’observa és que augmenta amb la longitud de la conducció. Si ara augmentem la velocitat de circulació de l’aigua per la conducció, es comprova que el descens de l’altura dels manòmetres serà major.

Per a una mateixa velocitat si augmentem el diàmetre de la conducció veurem que el descens és menor.


68

Si canviéssim el material de la conducció per un altre més rugós veuríem que el descens és major. També es pot demostrar que quan més viscós és el fluid la pèrdua de carrega és major. Resumint, les pèrdues de carrega són directament proporcionals a:

La longitud de la canonada (la pèrdua de càrrega augmenta en la mateixa proporció que la longitud de la canonada).

Al cabal. (al quadrat del augmento de cabal). Rugositat de la canonada (fregament del fluid amb les parets de la

cononada). La viscositat del fluid.

Les pèrdues de càrrega son inversament proporcionals a: El diàmetre de la conducció.

Encara que depenent de les característiques específiques de cada mànega, podrem agafar de referència les següents pèrdues de càrrega per fregament:

Diàmetre

mànega Caudal Longitud

Pèrdua de

càrrega

Pèrdues de

càrrega per

fregament

Ø 25 200 l/m 100 m 9 bar

Ø 45 475 l/m 100 m 3 bar

Ø 70 750 l/m 100 m 1 bar

Cop d’ariet El cop d’ariet és un fenomen que es produeix en les instal·lacions hidràuliques en el moment en que es redueix el cabal de manera brusca. Aquesta reducció pot ser provocada per la llança en el moment en que nosaltres la tanquem de manera sobtada. Això, produeix unes fortes pressions que poden deteriorar els materials. Una obertura ràpida d'una vàlvula per alimentar una instal·lació que estigui buida, pot ser la causa d'un cop d'ariet, si a la seva prolongació es troba una reducció de secció considerable, que redueix bruscament el cabal com per exemple, una instal·lació de mànegues amb la llança muntada.


69

L'augment de pressió, depèn principalment del cabal i rigidesa de la canonada. Aquest és el motiu de posar les vàlvules de sobrepressió a les bombes, amb això aconseguirem evacuar aquesta sobrepressió i evitar danyar el cos de la bomba.

Cavitació Dins de les pales de la bomba poden existir zones en les que produeixen una depressió, on l’aigua tendeix a separar-se de la superfície. Quan la pressió arriba a ser menor que la pressió de vapor del líquid, es formen petites bombolles de vapor. Quan aquestes arriben a zones amb pressions més altes implosionen generant sorolls i vibracions. Aquestes implosions poden provocar erosions en les aletes i el cos de la bomba. Aquestes situacions venen motivades, per una quantitat d’aigua en el col·lector d’admissió de la bomba, insuficient pel seu rendiment d’impulsió.

Reacció en la llança Quan apliquem aigua amb una llança, aquesta aigua és impulsada per la acció d’una força. Com a conseqüència, segons el 3er Principi d’Arquímedes, es produeix una força de reacció que té la mateixa direcció però en sentit contrari. Aquesta força de reacció depèn de la secció del conducte i de la pressió de sortida. De tal manera que si augmentem tant el diàmetre de la mànega, com la pressió amb què impulsem, augmentarà la força de reacció, que és la que suporta el bomber quan està a “punta de llança”. Si a l’aigua li col·loquem la llança en posició de xorro sòlid, l’empenta o força de reacció agafa el seu màxim valor, però a mesura que anem augmentant el grau d’obertura del vano del xorro d’aigua, anirà disminuint l’empenta, fins arribar a un valor pràcticament nul si l’aigua és projectada en cortina de protecció.

Mòdul 5 - escolaemergencies.com · 12 3. VELOCITAT La velocitat és un moviment rectilini...

Documents

Transcript of Mòdul 5 - escolaemergencies.com · 12 3. VELOCITAT La velocitat és un moviment rectilini...