1.

Introduzione

Combustione Processo di rapida ossidazione di un composto (detto combustibile) con un ossidante (detto comburente), con formazione di plasma, sviluppo di calore e, solitamente, di luce.

2.

Definizioni

1.

Plasma

In un plasma, uno stato eccitato della materia, i nuclei degli atomi, portati a temperatura molto elevata, si trovano separati dagli elettroni: possono dunque reagire e ricombinarsi fra loro, rilasciando, sotto forma di calore e di luce, le proprie energie di eccitazione. Per portare una sostanza allo stato di plasma, generalmente occorre fornire una quantità iniziale di energia dall’esterno, ovvero del calore: ne sono esempi la fiamma di un fiammifero, o una scintilla. L’energia che progressivamente si libera durante la combustione fa aumentare ulteriormente la temperatura dei reagenti, mantenendo lo stato di plasma fino a esaurimento di combustibile e comburente.

2.

Combustione

Per i combustibili usuali, in genere sostanze fossili di origine organica, ad alto contenuto di carbonio, la combustione corrisponde a una reazione chimica con l’ossigeno atmosferico, con la conseguente formazione di biossido e monossido di carbonio, di acqua, e di sottoprodotti quali il diossido di zolfo, che si formano a partire da impurità presenti in piccola percentuale nel combustibile.

Il termine “combustione” è anche utilizzato nella terminologia chimica più generale per indicare i processi di ossidazione, ovvero quei processi in cui si verifica la perdita di elettroni da parte di un elemento, nel suo stato elementare o in composto, e nei quali l’agente ossidante può essere costituito da cloro, fluoro, o anche da acido nitrico o da alcuni perclorati.

3.

Caratteristiche della combustione

Le reazioni di combustione devono la loro importanza alla grande quantità di energia termica e luminosa che sviluppano, che può essere utilizzata per l’illuminazione e il riscaldamento domestici, nei motori diesel e a benzina e, in generale, nel settore dell’industria. La combustione è sfruttata anche nella preparazione chimica di composti ossidati, come il diossido di zolfo, utilizzato per la produzione di acido solforico. Inoltre è anche un metodo di smaltimento dei rifiuti.

La temperatura raggiunta nel processo di combustione dipende sia dalle proporzioni fra materiale combustibile e comburente, sia dalla velocità di sviluppo e dissipazione dell’energia stessa. L’aria fornisce la fonte più economica di ossigeno: tuttavia, essendo composta per tre quarti (in peso) da azoto, che passa inalterato tra i prodotti della combustione, consente di ottenere un aumento di temperatura notevolmente inferiore a quello che si avrebbe usando ossigeno puro.

In pratica, per ottenere rapidamente la combustione completa di un combustibile, con lo sviluppo del massimo possibile di energia, occorre una percentuale di aria superiore alla minima necessaria teoricamente, sapendo però che un eccesso di aria abbassa la temperatura finale (poiché parte del calore sviluppato viene impiegato per riscaldare l’aria eccedente) e riduce la quantità di energia prodotta. Quasi sempre, perciò, è necessario determinare il rapporto ottimale tra quantità di aria e quantità di combustibile in base a temperatura finale, velocità ed estensione della combustione desiderate. Per ottenere temperature elevate, si può usare aria arricchita di ossigeno, oppure ossigeno puro, come nel caso del cannello ossiacetilenico.

La velocità di combustione può essere aumentata polverizzando il combustibile e miscelandolo con l’aria, in modo da aumentare la superficie di contatto tra combustibile e comburente; dove è richiesto uno sviluppo di energia molto veloce, ad esempio nella propulsione di un razzo, il comburente deve essere incorporato direttamente nel combustibile durante la sua preparazione.

La combustione di sostanze solide comporta la loro decomposizione, con sviluppo di materiale gassoso, che di solito brucia con fiamma fuligginosa, mentre il residuo solido brucia a una velocità che dipende dall’ampiezza della superficie di contatto con l’ossigeno atmosferico. La combustione del residuo solido richiede un’alta temperatura superficiale, mediamente da 400 a 800 °C, fornita dalla radiazione di calore proveniente dal materiale o dall’ambiente surriscaldato.

Se il combustibile viene fatto bruciare in un focolare munito di griglia, una ventilazione forzata spinge aria dal basso verso lo strato inferiore delle particelle solide infuocate, facendo circolare la radiazione calorica già sviluppata dal combustibile e mantenendo così la temperatura necessaria. Per ottenere una combustione più rapida, il combustibile può essere polverizzato e miscelato con aria compressa, e spinto da questa in camera di combustione.

Il rapporto fra aria e combustibile dipende dal tipo di combustibile utilizzato: 1 kg di litantrace in polvere, ad esempio, richiede almeno 11 kg di aria per una combustione completa, sviluppando una temperatura di circa 1500 °C. In condizioni non controllate, la combustione della polvere di carbone, come di qualsiasi altro idrocarburo, è estremamente rapida e si configura come un’esplosione: ne sono esempio drammatico gli incendi esplosivi che si possono verificare nelle miniere di carbone (vedi Industria mineraria).

Negli ultimi anni sta acquisendo importanza sempre maggiore l’uso come combustibile dei rifiuti solidi domestici, industriali e di provenienza agricola, con il positivo risultato di recuperare energia che altrimenti andrebbe sprecata, smaltendo cospicue quantità di scarti. Vedi Combustibile derivato dai rifiuti.

4.

Sviluppi

Data l’importanza della combustione, sono in corso molte ricerche con lo scopo di aumentare l’efficienza dei combustibili, riducendone le scorie inquinanti, responsabili della formazione di piogge acide. Mediante l’uso di sonde laser vengono studiati sia i motori termici sia i generatori di vapore, allo scopo di individuare i punti dove si verificano sprechi di combustibile durante il funzionamento, e di migliorare quindi la progettazione dei sistemi. L’uso di sonde laser permette inoltre lo studio delle reazioni chimiche che avvengono nella fiamma, per comprenderne meglio i processi e le possibili applicazioni.