4.5-Structure of a Flame
4.5-Structure of a Flame Important Formulae
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4.5 - Structure of a Flame
- Flames are the visible, gaseous part of a fire where combustion occurs.
- A flame consists of three distinct zones: Inner zone, Middle zone, and Outer zone.
- Inner zone: The darkest part of the flame, where there is incomplete combustion, producing soot.
- Middle zone: The brightest part, where combustion is most complete and emits light.
- Outer zone: The hottest part, with high oxygen availability, leading to complete combustion.
- The temperature of the flame increases as we move from the inner zone to the outer zone.
- The chemical reaction in the flame can be represented as: $CH_4 + 2O_2 \to CO_2 + 2H_2O$.
4.5 Structure of a Flame
In this subtopic, we will learn about the different parts of a flame and their characteristics. A flame is a visible, gaseous part of a fire that occurs when a material undergoes combustion. Combustion is a chemical reaction between a fuel and an oxidizer, usually oxygen, producing heat and light.
The structure of a flame can be understood by studying its various zones, which are the result of the different temperatures and the ongoing chemical reactions at various points in the flame. The flame has three main regions: the outermost zone, the middle zone, and the innermost zone. Let’s explore these zones in detail.
1. Outer Zone (Non-luminous Zone)
The outer zone of the flame is the hottest part and is called the non-luminous zone. In this zone, the combustion is complete, and the gases burn with a blue color. This blue color is due to the presence of oxygen and the high temperature that ensures complete combustion. The temperature in this zone is typically around 1400°C to 1600°C.
Here, the fuel is fully oxidized, and there is a high concentration of oxygen reacting with the fuel. The reaction can be represented by the following equation:
$\text{Fuel (e.g., CH}_4\text{)} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$
2. Middle Zone (Luminous Zone)
The middle zone is the luminous zone, where the flame appears yellow. This part is cooler than the outer zone, with temperatures ranging between 1000°C and 1200°C. The yellow color of the flame is due to the incandescence of small soot particles (carbon) that are heated to glowing temperatures. Incomplete combustion occurs here because oxygen supply is not sufficient to fully oxidize the fuel. This leads to the formation of soot and carbon monoxide.
In this zone, the reaction is less efficient, and the products of combustion include carbon monoxide (CO) and other partial combustion products. The incomplete combustion reaction can be represented as:
$\text{2C}_3\text{H}_8 + 9\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO} + 8\text{H}_2\text{O}$
3. Innermost Zone (Feather Zone)
The innermost part of the flame is called the feather zone or the inner core. This region is where the temperature is lowest, typically between 600°C and 800°C. The flame in this zone is pale and has less visible light. It is also known as the zone where fuel begins to vaporize. In this region, the fuel has not yet fully reacted with oxygen and combustion has not reached completion.
This zone is mostly composed of unburnt fuel and hot gases, and the incomplete combustion continues here. Due to the lower temperature, there is less light emitted, which is why this part of the flame appears faint or transparent.
Flame Colors and Their Significance
The color of the flame depends on the temperature and the type of fuel being burnt. A blue flame indicates complete combustion, while a yellow flame indicates incomplete combustion. The temperature and color of a flame can be used to determine the efficiency of combustion and the amount of oxygen available in the environment.
Factors Affecting the Structure of a Flame
The structure of a flame can be influenced by several factors:
- Type of Fuel: Different fuels burn with different characteristics, leading to variations in flame structure.
- Air Supply: The amount of oxygen present affects the completeness of combustion and the resulting flame color.
- Temperature: The temperature at various points in the flame determines its color and the reactions taking place in each zone.
- Pressure: Atmospheric pressure can influence the flame structure, especially when burning fuels in confined spaces or under high pressure.
4.5-Structure of a Flame
आग (Flame) एक जलती हुई गैस की स्थिति है, जो विभिन्न तापमानों और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के कारण बनती है। यह जलते हुए पदार्थ से निकलने वाली गैसों और अन्य उत्पादों का मिश्रण होती है। जब कोई पदार्थ जलता है, तो उसमें रासायनिक प्रतिक्रिया होती है, और उसमें से ऊर्जा और प्रकाश का उत्सर्जन होता है। आग का संरचना और उसमें उपस्थित विभिन्न क्षेत्र को समझना महत्वपूर्ण है।
फ्लेम की संरचना को तीन प्रमुख भागों में बांटा जा सकता है:
- आग की नोक (Inner Core): यह फ्लेम का सबसे भीतरी भाग होता है। यह क्षेत्र बहुत गर्म होता है, लेकिन यहां पर कोई जलन नहीं होती। इसमें कार्बन, हाइड्रोजन, ऑक्सीजन और अन्य गैसें मिश्रित होती हैं, जो जलने की प्रक्रिया में भाग लेती हैं। इस क्षेत्र का तापमान सबसे अधिक होता है।
- आग का मध्य क्षेत्र (Outer Envelope): यह क्षेत्र वह भाग होता है जहां आग का प्रकाश और गर्मी सबसे अधिक दिखाई देती है। यह क्षेत्र जलने की प्रक्रिया का सक्रिय क्षेत्र होता है, जहां अधिकांश रासायनिक प्रतिक्रिया होती है। इस क्षेत्र में उच्च तापमान होता है, और इसमें जलने वाले पदार्थों के द्वारा उत्सर्जित गैसों की जलन होती है। इस हिस्से में नाइट्रोजन और ऑक्सीजन का मिश्रण होता है, जो जलन में योगदान करते हैं।
- आग का बाहरी क्षेत्र (Outer Blue Region): यह फ्लेम का सबसे बाहरी क्षेत्र होता है। इस क्षेत्र में आग के द्वारा उत्पन्न होने वाली रौशनी दिखाई देती है। इस क्षेत्र का तापमान कम होता है, लेकिन फिर भी यह गर्म होता है। यहां पर अधिकांश गैसों के अणु जलने की स्थिति में होते हैं।
फ्लेम की संरचना को और अधिक समझने के लिए, जलन की प्रक्रिया और रासायनिक प्रतिक्रियाओं को जानना आवश्यक है। फ्लेम में जो प्रमुख घटक होते हैं, उन्हें समझने के लिए एक सामान्य रासायनिक समीकरण का उदाहरण देखा जा सकता है:
यहाँ एक साधारण कार्बन के जलने की रासायनिक प्रतिक्रिया है:
$C + O_2 \rightarrow CO_2$
इस प्रतिक्रिया में कार्बन (C) और ऑक्सीजन (O2) मिलकर कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) का निर्माण करते हैं, जिससे आग उत्पन्न होती है।
विभिन्न प्रकार की आग की संरचना अलग-अलग रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर निर्भर करती है, जैसे कि गैस, तेल, लकड़ी आदि के जलने पर उत्पन्न होने वाली आग की संरचना। विभिन्न प्रकार के ईंधन के जलने पर विभिन्न प्रकार की गैसें उत्पन्न होती हैं, जो फ्लेम के रंग और तापमान को प्रभावित करती हैं।
फ्लेम के रंग में बदलाव भी देखने को मिलता है। जब कोई पदार्थ कम तापमान पर जलता है, तो उसकी आग नीली दिखाई देती है। उच्च तापमान पर जलने पर, आग पीली या नारंगी हो जाती है। यह तापमान और जलन की प्रक्रिया पर निर्भर करता है।