MATERIA
Los materiales físicos que existen en el mundo a su alrededor se denominan materia. La materia se define como la "sustancia” que conforma nuestro universo. La materia es cualquier cosa que ocupe espacio y tenga masa. La materia se puede describir según su aspecto físico o más técnicamente según sus propiedades físicas como masa, tamaño o volumen. Además de estas propiedades que pueden medirse, la materia también posee propiedades que pueden observarse como su estado físico (sólido, líquido o gaseoso), color u olor. Uno de los mejores y más comunes ejemplos de los estados físicos de la materia es el agua. A una presión atmosférica normal (la presión ejercida por nuestra atmósfera sobre todos los objetos) y a temperaturas superiores a 0°C (32°F), el agua se encuentra en estado líquido. Al nivel del mar, la presión atmosférica se define como 760 mm de mercurio en un barómetro. Cuando la temperatura del agua es inferior a 0°C (32°F) y la presión permanece igual, el agua cambia su estado y pasa a ser un sólido llamado hielo. A temperaturas superiores a su punto de ebullición, el agua cambia su estado y se convierte en un gas llamado vapor. Sin embargo, la temperatura no es el único factor que determina cuando se produce un cambio de estado. El otro factor es la presión. A medida que disminuye la presión en la superficie de una sustancia, también lo hace la temperatura de ebullición. Lo contrario también es cierto. Si la presión en la superficie aumenta, también lo hará el punto de ebullición. Este es el principio que se utiliza en las ollas a presión. El punto de ebullición aumenta a medida que la presión del recipiente se incrementa. Por lo tanto, la comida se cocina más rápidamente en el recipiente, ya que la temperatura del agua en ebullición es superior a 100°C (212°F). La materia también se puede describir utilizando términos derivados de sus propiedades físicas de masa y volumen. La densidades la medida que se utiliza para determinar lo unidas que están las moléculas de una sustancia sólida. La densidad se determina dividiendo la masa de una sustancia por su volumen. Se expresa en kg/m3 en el SI y en libras por pie cúbico (lb/ft3) en el Sistema Anglosajón. La descripción habitual para los líquidos es la gravedad específica. La gravedad específica es la relación de la masa del volumen determinado de un líquido en comparación con la masa del mismo volumen de agua. El agua tiene una gravedad específica de 1. Por lo tanto, los líquidos con una gravedad específica inferior a 1 son más ligeros que el agua, mientras que los que tienen una gravedad específica mayor de 1 son más pesados que el agua. La descripción para los gases es la densidad de vapor relativa. La densidad de vapor relativa se define como la densidad del gas o vapor en relación con el aire. Como se utiliza el aire para establecer la comparación, éste tiene una densidad de vapor relativa de 1 (al igual que la gravedad específica y los líquidos). Los gases con una densidad de vapor relativa inferior a 1 ascenderán y aquellos con unas densidad mayor de 1 descenderán.
CONSERVACIÓN DE LA MASA Y LA ENERGÍA.
Dado que el fuego consume un combustible, su masa se reduce. ¿Qué sucede con este material? ¿A dónde va? La respuesta a estas preguntas es uno de los conceptos básicos de la física moderna: la Ley de conservación de masa- energía (que se abrevia normalmente como la Ley de conservación de la masa). Este es el enunciado de la ley: la masa puede convertirse en energía y viceversa, pero nunca se produce una pérdida neta de la masa energía total. Es decir, la masa y la energía no se crean ni se destruyen. Esta ley es fundamental para la ciencia del fuego. La reducción de la masa de un combustible produce como resultado la liberación de energía a modo de luz y calor. Este principio permite a los investigadores calcular la tasa de liberación de calor de los materiales utilizando instrumentos que determinan la pérdida de masa y el aumento de temperatura cuando un combustible arde. El bombero debe tener en cuenta este concepto durante las actuaciones de planificación previa y valoración (evaluación inicial de una situación) en los incendios. Cuanto más combustible esté disponible para arder, mayor es el potencial de liberación de grandes cantidades de energía como calor durante un incendio. Cuanto más calor se libere, más agentes extintores se necesitarán para controlar un fuego.
ENERGÍA Y TRABAJO
En cualquier ciencia, la energía es uno de los conceptos más importantes. La energía se define sencillamente como la capacidad de realizar un trabajo. El trabajo se produce cuando se aplica una fuerza a un objeto a lo largo de una distancia; es decir, el trabajo es la transformación de la energía de una forma a otra. La unidad del SI para el trabajo es el julio (J). El julio es una unidad derivada que se basa en la fuerza expresada en newtons (que es, a su vez, una unidad derivada: kg m/s2) y la distancia en metros. En el Sistema Anglosajón la unidad de trabajo es el pie-libra (p/lb). Entre los muchos tipos de energía que se pueden encontrar en la naturaleza están los siguientes:
Química: la energía que se libera como resultado de una reacción química, por ejemplo, una combustión.
• Mecánica: la energía que posee un objeto en movimiento, por ejemplo, una roca que baja rodando por una montaña.
• Eléctrica: la energía que se desarrolla cuando los electrones pasan por un conductor.
• Calorífica: la energía que se transfiere entre dos cuerpos con temperatura diferente, por ejemplo, el Sol y la Tierra.
• Luminosa: radiación visible producida a nivel atómico, por ejemplo, una llama que se origina durante la reacción de combustión.
• Nuclear: la energía que se libera cuando los átomos se separan (fisión) o se unen (fusión); las centrales de energía nuclear generan energía a partir de la fisión del uranio-235.
La energía existe en dos estados:
1. LA ENERGÍA CINÉTICA es la que posee un objeto en movimiento. 2. LA ENERGÍA POTENCIALES la que posee un objeto y que puede liberarse en el futuro.
Una roca al filo de un acantilado posee energía mecánica potencial. Cuando la roca cae por el acantilado, la energía potencial se convierte en energía cinética. En un fuego, el combustible tiene energía química potencial. Cuando el combustible arde, su energía química se convierte en energía cinética adoptando las formas de calor y luz.
Potencia
La potencia es una cantidad de energía liberada durante un periodo de tiempo determinado. En nuestro ejemplo de trabajo anterior, se muestra a los bomberos trasladando una víctima a una distancia durante un rescate. Estos bomberos estaban gastando energía a lo largo de una distancia, por lo que realizaban un trabajo. Si se supiera el tiempo que tardaron en completar el rescate, entonces se podría especificar la potencia necesaria para realizar el mismo. A lo largo de la historia, las personas han utilizado el fuego para generar potencia de muchos modos. La energía potencial de un combustible se libera durante la combustión y se convierte en energía cinética que hace funcionar un generador o girar un eje que “alimenta” una máquina. Las unidades derivadas de la potencia son el caballo (CV) en el Sistema Anglosajón y el vatio (W) en el SI. En el estudio del comportamiento del fuego, los investigadores utilizan a menudo el término potencia para referirse a la tasa de liberación de calor de varios combustibles o paquetes de combustible (grupos de combustibles) mientras arden. Durante las últimas décadas, los investigadores del National Institute of Standards and Technology (NIST, Instituto nacional de normas y tecnología estadounidense) han recopilado abundante información sobre las tasas de liberación de calor (TLC) de un gran número de combustibles y paquetes de combustible. Esta información es muy útil a la hora de estudiar el comportamiento del fuego, ya que proporciona datos sobre la cantidad de energía liberada durante un periodo cuando arden varios tipos de combustible.
CALOR Y TEMPERATURA
Cualquier persona que haya luchado contra un incendio o haya incluso observado alguna vez una actuación contra incendios sabe que se desprende una cantidad de calor enorme. El calor es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro cuando las temperaturas de los cuerpos son diferentes. El calor es la forma de energía más común de la Tierra. La temperatura es un indicador del calor y se utiliza como medida para determinar hasta qué punto un objeto está frío o caliente basándose en alguna norma. En la mayoría de casos actualmente, la norma se basa en la temperatura de congelación (0°C o 32°F) y en la temperatura de ebullición (100°C o 212°F) del agua. La temperatura se mide mediante grados Celsius (°C)en el SI y mediante grados Fahrenheit (°F) en el Sistema Anglosajón. La unidad aprobada por el SI para todas las formas de energía que incluyan calor es el julio. Una caloríaes la cantidad de calor necesaria para aumentar un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua. La unidad térmica británicaes la cantidad de calor necesaria para aumentar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua. Aunque la caloría y la Btu no son unidades aprobadas por el SI, aún se utilizan frecuentemente. La relación entre la caloría y el julio se denomina el equivalente mecánico de calor, donde una caloría es igual a 4,187 julios y una Btu es igual a 1.055 julios.
REACCIONES QUÍMICAS
Antes de empezar a explicar la combustión y propagación del fuego, es importante comprender el concepto de Reacciones químicas. Cuando la materia se transforma de un estado a otro o se produce una nueva sustancia, los químicos describen la transformación como una reacción química. La más sencilla de estas reacciones ocurre cuando la materia cambia de estado, lo que se denomina cambio físico. En un cambio físico, la composición química de la sustancia no se altera. El cambio de estado que ocurre cuando el agua se congela es un cambio físico. Cuando las sustancias se transforman en sustancias nuevas con diferentes propiedades físicas y químicas, se produce una reacción más compleja. Estos cambios se definen como cambios químicos. El cambio que sucede cuando el hidrógeno y el oxígeno se combinan para formar el agua es un cambio químico. En este caso, las propiedades químicas y físicas de los materiales en combinación se alteran. Dos materiales que son normalmente gases (el hidrógeno y el oxígeno) a temperatura ambiente se convierten en una sustancia que es claramente un líquido (el agua) a temperatura ambiente.
Los cambios químicos y físicos prácticamente siempre implican un intercambio de energía. Las reacciones que liberan energía mientras se producen se denominan exotérmicas. Las reacciones que absorben energía mientras se producen se denominan endotérmicas. Cuando los combustibles arden en el aire, los vapores del combustible reaccionan químicamente con el oxígeno del aire y las energías calorífica y luminosa se liberan en una reacción exotérmica. El agua que cambia de estado de líquido a gas (vapor) necesita absorber energía, por lo que la conversión es endotérmica. Una de las reacciones químicas más habituales de la Tierra es la oxidación. La oxidación es la formación de un enlace químico entre el oxígeno y otro elemento. El oxígeno es uno de los elementos más comunes de la Tierra (nuestra atmósfera está compuesta de un 21% de oxígeno) y éste reacciona con casi todos los elementos del planeta. La reacción de oxidación libera energía o es exotérmica. El ejemplo más familiar de oxidación es la herrumbre del hierro. La combinación de oxígeno y hierro produce un componente rojizo escamoso que se denomina óxido de hierro o, más comúnmente, herrumbre. Dado que se trata de un proceso exotérmico, siempre produce calor. Por regla general, el proceso es muy lento y el calor se disipa antes de que pueda percibirse. Si el material que se está oxidando se encuentra en un espacio cerrado y el calor no puede disiparse, el proceso de oxidación provocará que la temperatura del espacio aumente. Uno de los ejemplos más comunes de la producción de calor en espacios cerrados se da en los buques de carga que transportan limaduras de hierro. La oxidación de las limaduras almacenadas en la bodega del buque produce calor que no se puede disipar por su ubicación. Este calor se desplaza al casco del buque y, por consiguiente, al agua alrededor del mismo. Cuando el buque está en movimiento, el calor se transfiere al agua pero no se percibe, ya que éste está en movimiento. Sin embargo, cuando el buque estáparado, la transferencia de calor al agua alrededor del mismo se hace patente cuando ésta empieza a hervir. Aunque la temperatura normalmente no llega al punto en que se produce la ignición con llama (fuego), la situación puede ser bastante dramática.
COMBUSTIÓN
[NFPA 1001: 3,30,10(a); 4-3,2(b)]
”Fuego” y “combustión” son términos cuyo uso a menudo se intercambia. Sin embargo, el fuego es técnicamente una forma de combustión. La combustión es una reacción química en cadena que libera energía o productos que provocan reacciones sucesivas del mismo tipo. La combustión es, si utilizamos el término explicado anteriormente, una reacción exotérmica. El fuego es un proceso de oxidación rápido y en cadena que va acompañado de la evolución del calor y de la luz en distintas intensidades. El tiempo que tarda en suceder una reacción determina el tipo de reacción que se observa. El tipo más lento es la oxidación, una reacción demasiado gradual para que se pueda observar, mientras que el tipo más rápido son las explosiones que son resultado de una reacción muy rápida de un combustible y un oxidante. Estas reacciones liberan una gran cantidad de energía durante un periodo de tiempo muy breve.
COMBUSTIBLE
El combustible es el material o la sustancia que se oxida o arde en el proceso de combustión. En términos científicos, el combustible de una reacción de combustión se conoce como el agente reductor. La mayoría de los combustibles más comunes contienen carbón junto con combinaciones de hidrógeno y oxígeno. Estos combustibles se pueden subdividir en combustibles derivados de hidrocarburos (como la gasolina, el fuel-oil y los plásticos) y materiales derivados de la celulosa (como la madera o el papel). Otros combustibles con una combustión menos compleja tienen una composición química que incluye gas hidrógeno y metales combustibles tales como el magnesio y el sodio. En el proceso de combustión intervienen dos factores claves relacionados con el combustible: el estado físico del combustible y su distribución. Estos factores se explican en los párrafos siguientes. De la sección anterior sobre la materia se desprende que un combustible puede encontrarse en cualquiera de los tres estados de la materia: sólido, líquido o gaseoso; pero para que los combustibles ardan, éstos deben estar normalmente en estado gaseoso. En el caso de los sólidos y los líquidos, se debe emplear energía para provocar que cambien de estado. Los combustibles sólidos se transforman en gases combustibles mediante la pirolisis. La pirolisis es la descomposición química de una sustancia mediante la acción del calor. Dicho de un modo sencillo, cuando los combustibles sólidos se calientan, los materiales combustibles se desprenden de la sustancia. Si existe suficiente combustible y calor, el proceso de pirólisis genera la cantidad suficiente de gas inflamable para provocar la ignición, siempre y cuando los demás elementos del tetraedro del fuego estén presentes. Por su naturaleza, los combustibles sólidos tienen una forma y un tamaño definidos. Esta propiedad afecta significativamente a la facilidad con que se encienden. Es muy importante tener en cuenta el coeficiente de superficie- masa del combustible. El coeficiente de superficie-masa es el área de superficie del combustible en proporción a la masa. Uno de los mejores ejemplos del coeficiente de superficie-masa es la madera. Para producir materiales útiles, se debe cortar un árbol en un leño. La masa de este leño es muy alta, pero su área de superficie es relativamente escasa, por este motivo el coeficiente de superficie-masa es bajo. Se sierra el leño en tablas. El resultado de este proceso es una reducción de la masa de las tablas individuales en comparación con el leño, pero el área de superficie resultante aumenta, por lo que el coeficiente de superficie-masa también se incrementa. El serrín que se desprende mientras se sierra la madera tiene incluso un coeficiente de superficie-masa superior. Si las tablas se lijan, el polvo resultante tiene el coeficiente superficie masa más alto de todos los ejemplos. A medida que este coeficiente aumenta, las partículas combustibles se hacen más pequeñas (están divididas más finas; por ejemplo, el serrín en oposición a los leños) y su capacidad de ignición se incrementa extraordinariamente. A medida que el área de superficie aumenta, se expone al calor más parte del material, lo que genera más gases inflamables debido a la pirolisis. La posición real de un combustible sólido también afecta al modo en cómo arde. Si el combustible sólido está en posición vertical, la expansión del fuego será más rápida que si está en posición horizontal; por ejemplo, si fuera a encender una plancha de madera contrachapada de 0,32 cm (0,125 pulgadas) que estuviera colocada horizontalmente entre dos caballetes de aserrar, el fuego consumiría el combustible con un coeficiente relativamente lento El mismo tipo de planchas en una posición vertical ardería más rápidamente. La rapidez de diseminación del fuego se debe al aumento de la transferencia de calor mediante convección, así como conducción y radiación. En el caso de los líquidos, los gases combustibles se generan a partir de un proceso llamado vaporización. En términos científicos, la vaporización es la transformación de un líquido a su estado de vapor o gaseoso. La transformación de líquido a vapor o gas se produce cuando las moléculas de la sustancia escapan de la superficie del líquido a la atmósfera circundante. Para que las moléculas se liberen de la superficie del líquido debe haber una entrada de energía. En la mayoría de los casos, esta energía se presenta en forma de calor; por ejemplo, el agua que queda en una olla acaba evaporándose. La energía que se necesita para este proceso procede del Sol o del entorno de alrededor. El agua en la misma olla sobre un fogón y calentada hasta la ebullición se vaporiza más rápidamente porque se aplica energía al sistema. La tasa de vaporización se determina según la sustancia y la cantidad de energía calorífica que se le aplica.
La vaporización de los combustibles líquidos requiere generalmente una entrada de energía menor que la pirolisis de los combustible sólidos. Esto se debe, principalmente, a las diferentes densidades de las sustancias en estado sólido y líquido, y al hecho que las moléculas de una sustancia en estado líquido tienen más energía que cuando están en estado sólido. Los sólidos también absorben más energía por su masa. La volatilidad o facilidad con que un líquido libera vapor influencia su capacidad de ignición. Todos los líquidos liberan vapores en mayor o menor medida sencillamente por evaporación. Los líquidos que liberan fácilmente cantidades de vapores inflamables o combustibles pueden ser peligrosos. Al igual que el coeficiente de superficie-masa de los combustible sólidos, el coeficiente de superficie-volumen de los líquidos también es un factor importante en su capacidad de ignición. Un líquido adopta la forma del recipiente que lo contiene. Por lo tanto, cuando se derrama o es liberado, el líquido adopta la forma del suelo (plano), fluye y se acumula en áreas bajas. Cuando está en un recipiente, el volumen específico de un líquido tiene un coeficiente de superficie-volumen relativamente bajo. Cuando se libera, este coeficiente aumenta significativamente al igual que la cantidad de combustible vaporizado de la superficie. Los combustibles gaseosos pueden ser los más peligrosos de todos los tipos de combustibles, porque ya se encuentran en el estado natural necesario para la ignición. No se necesita ninguna pirólisis o vaporización para preparar el combustible y se requiere menos energía para la ignición. Para que se produzca una combustión después de que un combustible haya pasado al estado gaseoso, éste debe mezclarse con aire (oxidante) en la proporción adecuada. La gama de concentraciones del vapor combustible y el aire (oxidante) se denomina el rango (explosivo) de inflamabilidad. El rango de inflamabilidad de un combustible se calcula utilizando el porcentaje por volumen de gas o vapor en el aire para el límite de inflamabilidad inferior (LII) y el límite de inflamabilidad superior (LIS). El límite de inflamabilidad inferior es la concentración mínima de vapor combustible y aire que permite la combustión. Las concentraciones inferiores al LII son demasiado pobres para arder. El límite de inflamabilidad superior es la concentración más allá de la cual no se produce la combustión. Las concentraciones inferiores al LIS son demasiado ricas para arder. La tabla 2.4 presenta las gamas de inflamabilidad de algunos de los materiales más habituales. Los límites de inflamabilidad de los gases combustibles se presentan en los manuales de química y en documentos como la norma 49, Hazardous Chemicals Data (Datos sobre los productos químicos peligrosos) y la norma 325, Fire Hazard Properties of Flammable Liquids, Gases, and Volatile Solids (Propiedades peligrosas de los líquidos, gases y sólidos volátiles inflamables) de la National Fire Protection Association (NFPA, Asociación Nacional de Protección Contraincendios de Estados Unidos). Los límites se calculan normalmente a temperatura y presión atmosférica normales. Las variaciones en la temperatura y la presión pueden hacer que el rango de inflamabilidad varíe considerablemente. Por regla general, los incrementos de temperatura o de presión amplían el rango y las disminuciones lo reducen.
TASA DE GENERACION DE CALOR. TGC
Es la tasa a la cual la energia es emitida (KW) al ambiente. es la variable mas importante y controla las consecuencias del fuego tales como:
• La pluma (altura y volumen de humo) asociada al fuego
• Altura de las llamas
• Temperatura de los gases calientes
• La rapidez de descenso de la capa de humos dentro de un compartimiento.
La TGC depende de la forma como se encuentra el combustible. por ejemplo en el caso de un solido. 10 Kg de madera solida 10 Kg de paletas o tablas de madera 10 Kg de aserrin. En los 3 casos tienen potencialmente la misma energía calórica pero se desprende a tasas muy diferentes.
TASAS DE GENERACION DE CALOR TIPICAS
• Un cigarrillo ardiendo: 5W
• Un bombillo: 60W
• Una papelera quemandose: 100 KW
• Un charco de 1 M2 de Gasolina: 2.5 MW
• Una Ruma de 3 Mts de Altura de Paletas de Madera: 7 MW
¿COMO SE OBTIENEN LAS TASAS DE GENERACION DE CALOR?
• Técnicas de Medición de Parámetros
Medición Directa de la tasa de Generación de Calor por Medio de un
• Medición de la Tasa de Masa Consumida durante su quemado.
Calor de Combustión.
Eficiencia de la Combustión.
EJEMPLO: Una ruma de paletas de madera que ocupa 2 por 2 metros para un total de una altura de 1.52 mts. Calcula la TGC de dicho material:
DATOS: SE CALCULARA POR LA FORMULA 2 A FIN DE ESTIMAR LA CANTIDAD DE CALOR QUE DESPRENDE LA RUMA DE MADERA LA CUAL OCUPA UN AREA.
Qt: ???
q: SON DATOS QUE SE OBTIENEN DE LA NORMA NFPA 72.LA TASA DE GENERACION DE CALOR MAXIMA DE PALETAS DE MADERA CON ALTURA DE HASTA 1. 52 MTS ES: 3.745 kw/m2
Qt = 3.745 Kw/M2 x 4 M2 : 14.980 Kw
EL CALOR TOTAL EMITIDO POR EL FUEGO DE ESAS PALETAS DE MADERA ES DE 14.980KW DEL CUAL EL 30% SE TRANSFIERE POR RADIACION Y EL 70% POR CONVE CCION.
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