25.08.2013
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Ausbilderseminar des ÖBFV 2013Ausbilderseminar des ÖBFV 2013
Der Brand und seine Hi t ü d !Hintergründe !
owid
Dr. Otto Widetschek (Owid) Physiker
Der ReferentDer Referent
(Owid), Physiker
Kontakt: 0043 664 21 22 000
owid
@
www.brandschutzforum.at
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Berufliche StationenBerufliche Stationen
BF Wien 1968-1973
FZS-Steiermark 1973-1981
FF Lebring ab1974
owid
BF Graz 1981-1996
BFK, LFR ab 1988
BFA ab 1989
Univ.-Lektor ab 1974
Eulen nach Athen tragen?Eulen nach Athen tragen?Synonym für „eine überflüssige Tätigkeit!“Hi t i h Historisch:
Eulen → Symbol der Weisheit! gr. Göttin Athene → Schutzgöttin von
Athen (wo es viele Eulen gab)!Eule auf der
Akropolis in Athen Griechischer Dichter Aristophanes in
owid
seiner satirischen Komödie „Die Vögel“ → „Wer hat die Eule nach Athen gebracht?“
Eule auf einer Drachme Anderes Version: Keine Silber-
Drachmen ins reiche Athen bringen!
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1. Historische Betrachtungen
SchwerpunkteSchwerpunkte
2. Phänomenologie des Feuers
3. Einflussgröße Oberfläche
O24. Einflussgröße Sauerstoff
owid
g
5. Einflussgröße Katalysator
6. Was heißt Löschen
1. Historisches1. Historisches
Vor ca. 400.000 Jahren …
owid
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Zähmung des FeuersZähmung des Feuers
BewahrungBewahrung
NutzungNutzung
ErzeugungErzeugung
Soziale DimensionSoziale Dimension
owid
Soziale Dimension Soziale Dimension (Mensch wird sess(Mensch wird sess--haft, Grundlage der haft, Grundlage der Zivilisation)Zivilisation)
Wer ist die
F ?Frau?
owidProbleme des Urmenschen
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Urelement FeuerUrelement Feuer
Heraklith aus Ephesos (gr. N t hil h)Naturphilosoph)Feuer als Urstoff der
Materie! Methapher für Logos
(Weltgeist = Weltgesetz)
owid
( g g ) Feuer ist „ewig lebend“
und „vernünftig“
Die vier ElementeDie vier Elemente
Feuer
3. Jhdt. v. Chr.:ARISTOTELES L h d
Erde
Feuer
Luft
trocken heiß
Lehre von den 4 Elementen
owid
Wasser
naßkalt
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Erde, Wasser, Luft, FeuerErde, Wasser, Luft, Feuer
Erde: Feststoffe
Wasser: Wasser: FlüssigkeitenFlüssigkeiten
L ftL ft GG
owid
Feuer: Feuer: Energie Energie (Plasma)(Plasma)
Luft: Luft: GaseGaseSonne
4 Aggregatzustände4 AggregatzuständeFeststoff GasFlüssigkeit Plasma
owid
Energie/Temperatur
Ionen
Gasmoleküle
Gasmoleküle(angeregt)
Molekülfragmente(hoch-energetisch)
freie Elektronen
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AlchemieAlchemie
Stein der Weisen:
Aus unedlenAus unedlen
owid
Aus unedlen Aus unedlen Stoffen Gold Stoffen Gold erzeugen!erzeugen!
Ewige JugendEwige Jugend
PhlogistontheoriePhlogistontheorie
Beginn des 18 Jahr-Beginn des 18. Jahr-hunderts:
Georg Ernst StahlGeorg Ernst Stahl
Stoffe enthaltenStoffe enthalten
owid
Stoffe enthalten Stoffe enthalten hypothetischen hypothetischen Wärmestoff (Wärmestoff (PhloPhlo--gistongiston))
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„Doktor Phlogiston“„Doktor Phlogiston“
Joseph Priestley (engl.-amerik Naturforscher): amerik. Naturforscher): Wurde als „Doktor
Phlogiston“ bekannt. Er konnte jedoch schon den
für die Verbrennung wichti- S t ff b h ib
owid
gen Sauerstoff beschreiben. Er erkannte ihn jedoch nicht als eigenes Element (dephlogistcated air).
1774: Antoine Laurant Lavoisier entdeckt die Bedeutung des Sauer-
SauerstoffSauerstoff
gstoffs (Oxygeniums) für die Verbrennung
Sauerstoff kommt als Molekül O2 in der Luft vor
owid
Verbrennung ist eine chemische Reaktion mit O2 Oxide als Ver-brennungsprodukte
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Brenn-BedingungenBrenn-Bedingungen
Brenn-t ff
Zünd-stoff
Sauer-stoff
quelle
owid
stoff
Das FeuerdreieckDas Feuerdreieck
„Feuerdreieck“ (erstmals um 1960):„Feuerdreieck“ (erstmals um 1960):
1.1. BrennstoffBrennstoff
2.2. SauerstoffSauerstoff
3.3. Zündquelle (Wärme)Zündquelle (Wärme)
owid
3a. Richtiges 3a. Richtiges MengenMengen--verhältnisverhältnis („innere („innere Oberfläche“)Oberfläche“) Brennstoff
richtiges Mengenverhältnis
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2. Phänomenologie2. Phänomenologie
Glutund
Flamme
owid
Flamm- und GlutbrandFlamm- und Glutbrand
FlammeFlammegasförmig
owid
Glutfest
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Flamm- und GlutbrandFlamm- und Glutbrand
GG
FeuerFeuerGlutGlut FlammenFlammen
Flü iFlü i
Gase, Gase, DämpfeDämpfe
owid
FestFest--stoffestoffe
FlüssigFlüssig--keitenkeiten
DämpfeDämpfe
VerbrennungsprodukteVerbrennungsprodukte
Dä f Rauch
Phänomenologisch
Flammen
Gase
Dämpfe Rauch (Qualm)
owid
Glut
Strahlung
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Dichte – GaseDichte – Gase
Folgende 11 Gase sind leichter als Luft (Dichte < 28,836 g/mol)., g )
Gas Formel Molgewicht Siedepunkt brennbar
Wasserstoff H2 2,016 -252,8 °C ja
Helium He 4,003 -268,9 °C nein
Methan CH4 16,043 -161,5 °C ja
Ammoniak NH3 17,032 -33,4 °C ja/nein
Fluorwasserstoff HF 20,010 19,5 °C nein
owid
Neon Ne 20,183 -246,1 °C nein
Acetylen C2H2 26,038 -84,0 °C ja
Diboran B2H6 27,690 -92,5 °C ja
Kohlenmonoxid CO 28,011 -195,8 °C ja
Stickstoff N2 28,016 -195,8 °C nein
Ethen C2H4 28,054 -103,8 °C ja
Dämpfe – FlüssigkeitenDämpfe – Flüssigkeiten
Dämpfe sind alle schwerer als Luft (z B Benzin 4 Mal)als Luft (z. B. Benzin 4 Mal).
owid
Schwererals Luft
4 Mal
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Dämpfe und schwere GaseDämpfe und schwere Gase
owid
Temperatur & DampfTemperatur & DampfTemperatur = Maß für die mittlere Bewegungsenergie
(kinetische Energie) der Moleküle
e E i D hb h E i D hb h
Teilc
hen
mit
eine
r ki
netis
chen
Ene
rgi e Energie zum Durchbrechen Energie zum Durchbrechen
der Flüssigkeitsoberflächeder FlüssigkeitsoberflächeT1
T2 T < T < T
owidkinetische Energie der Moleküle
Anz
ahl d
er T
best
imm
ten
T2
T3
T1 < T2 < T3
Dampf
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Beispiel OsterfeuerBeispiel Osterfeuer
owid
DampfdruckkurveDampfdruckkurve
brennbar bei Luft-f h
w. D
amp
fdru
ck
p2
explosiv
brennbar zufuhr
OEG
owidTemperatur
Vo
l.-%
bzw
t1
p1
t2
unbrennbar
UEG
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ReaktionsgeschwindigkeitReaktionsgeschwindigkeit
sges
chw
ind
igke
it
m/s
km/s
Explosion
Detonation
owid
Rea
ktio
n
cm/s Verpuffung
UEGUEG OEGOEG
Explosionsbereich
Flammpunkt (Petroleum)Flammpunkt (Petroleum)
Zu wenig Dämpfe (kein Entflammen)Zu wenig Dämpfe (kein Entflammen)
Dampf
owid
20 °C 11
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Flammpunkt (Petroleum)Flammpunkt (Petroleum)Genügend Dämpfe zur Entflammung Genügend Dämpfe zur Entflammung
(Flammpunkt = 30 (Flammpunkt = 30 °°C)C)
Flammen
( a pu t 30( a pu t 30 C)C)
owid
20 °C30 °C 22
Flammpunkt (Petroleum)Flammpunkt (Petroleum)Bei Wegnahme der Zündquelle Bei Wegnahme der Zündquelle
erlischt die Flammeerlischt die Flamme
Dampf
owid
30 °C 33
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Flammpunkte in °CFlammpunkte in °C
• Aceton -19
• Alkohol Spiritus +16• Alkohol, Spiritus +16
• Benzol -11
• Benzine - 45 bis +55
• Diesel > + 55
owid
• Methylalkohol +11
• Petroleum +30
• Teer +90
Flammpunkt = UEGFlammpunkt = UEG
sg
esch
win
dig
keit
Flamm-kt
owid
Rea
ktio
n
UEGUEG OEGOEG
Explosionsbereichpunkt
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Klassisches FeuerdreieckKlassisches FeuerdreieckLuft Zur Deutung der
Zündvorganges
Wärme (Zündtem-
)
richtiges Mengenverhältnis
O2-Flasche
owid
BrennstoffChemikalie peratur)
Brandklassen
Am Beispiel der KerzeAm Beispiel der Kerze
Brandrauch
Flamme
→ Energie erforderlich (Mindest-
Gas-, Glüh- und Verbrennungszone (Aufbereitung und Aktivierung)!
owid
Kerze (Paraffin) Kohlenwasserstoff
verbrennungstemperatur)!
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Entzünden & BrennenEntzünden & Brennen
Akti-vierung
Reaktions-wärme
Bre
nnen
vierung
Aufbe-reitung
wärme
Wärme-verluste
owid
Ent-
zünd
en
ZündenergieQuelle: Rodewald, Brandlehre, Kohlhammer
MindestverbrennungstemperaturMindestverbrennungstemperatur
Mindestverbrennungs-temperatur: Niedrigste Temperatur bei temperatur: Niedrigste Temperatur, bei der sich die Verbrennung selbst erhält
Einige 100 °C höher
Energiebedarf für die Aufbereitung des Brennstoffs und Bereitstellung der Aktivierungsenergie
owid
Zündpunkt: Temperatur, oberhalb der sich ein Stoff entzün-det, ohne dass es einer Zündquelle bedarf.
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Zündtemperatur (Def.)Zündtemperatur (Def.)
Zündtemperatur (Zündpunkt): Temperatur auf die man einen Stoff oder eine Temperatur, auf die man einen Stoff oder eine
Kontaktoberfläche erhitzen muss, damit er sich in Gegenwart von Luftsauerstoff ohne Zündquelle ( d h i
Wärmeleitende Tischplatte
owid
(nur durch seine Erwärmung) selbst entzündet.
Erwär-mung von
unten
ZündtemperaturZündtemperatur
t (v
)
Oxidation mit Oxidation mit
Temperatur ()
ges
chw
ind
igke
it
ZündtemperaturZündtemperatur
Feuererscheinung Feuererscheinung (glimmen, glühen, verbrennen)(glimmen, glühen, verbrennen)
owid
Oxi
dat
ion
s
Oxidation ohne Oxidation ohne Feuererscheinung Feuererscheinung (gären, rosten, verwesen)(gären, rosten, verwesen)
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Van´t Hoffsche Regel (1)Van´t Hoffsche Regel (1)
Durch eine Temperaturer-höhung von 10 °C () wird die g ( )Reaktionsgeschwindigkeit um
das Doppelte bis Dreifachegesteigert!
vv = v= v00 xxnn
owid
Jakobus Henricus van´t Hoff (1852-1911)
vvnn v v00.x.xvn = Endgeschwindigkeitv0 = Anfangsgeschwindigkeitn = Vielfaches von x = „Reaktivität“ des Stoffes (x = 2-3)
Van´t Hoffsche Regel (2)Van´t Hoffsche Regel (2)10.000
xxnn
s vo
n v 0
(xn )
100
1.000 33nn
22nn
xx
27
owid
1 5 10 15Vielfaches von (n)
Viel
fach
es
1
10
vvnn = v= v00.x.xnn
3
8
27
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WaldbrandWaldbrand
Beispiel:
a) Heimisches Fichtenholz vv = v= v xxnna) Heimisches Fichtenholz x ≈ 2b) Harzreiches Kiefernholz
(z. B. Mittelmeerraum) x ≈ 3Bei Temperaturzunahme um
vvnn = v= v00.x.x
owid
Bei Temperaturzunahme um 30 °C (n = 3):a) v3 = v0 . 23 = v0 . 2.2.2 = 8.v0b) v3 = v0 . 33 = v0 . 3.3.3 = 27.v0
1.200
BrandentwicklungBrandentwicklung
ur
(u
r (°°
C)
C)
ca. 500
Rauch-gase!
Tem
per
atu
Tem
per
atu
Flash overFlash over
Hitze!
owid© by Dr. Otto
Widetschek, Graz
ca. 500
EntzündungEntzündungZeit/Raum
Schwelbrand Entstehungsbrand Vollbrand
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Feuersprung (Flashover)Feuersprung (Flashover)
owid
Feuersprung (Flashover)Feuersprung (Flashover)
owid© by Dr. Otto
Widetschek, Graz
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SelbstentzündungSelbstentzündungQ
A Legende:Q = entstehende WärmeE
Anstiegnach
van´t Hoff
men
ge Q
un
d Q
E
stabilerZustand
QQ = abgeführte WärmeT = UmgebungstemperaturT = Beginn der Selbstentzündung
E
A
0
1
Bereich der
QE
QA
T1
owid
Wär
mem
Temperatur T (°C)
T0
Zustand Bereich derSelbstent-zündung
Ein ExperimentEin Experiment
Bedingungen des Feuerdreiecks sind erfüllt:erfüllt:
1.Brennstoff, Benzindampf (Flammpunkt < -20 °C)
2.Sauerstoff, Luft (ca. 21 %)
owid
3.Zündquelle (300 bis 500 °C, je nachdem, ob gezogen wurde oder nicht)
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Zündung (Aktivierung)Zündung (Aktivierung)Schematische Darstellung:
SchaukelndeKugel
(Molekül)
G i b
Aktivierungs-energieHemm-
schwelle
owid
Gewinnbare Energie
(Reaktions-wärme)
Gehemmte ReaktionenGehemmte ReaktionenNatur: In der Regel gehemmte Reaktionen (Gott sei Dank)!
owid
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Feuertetraeder (4 Bedingungen)Feuertetraeder (4 Bedingungen)
Ungehinderte Kettenreaktion Ungehinderte Kettenreaktion (Katalysatoren)(Katalysatoren)
BrennBrenn--SauerSauer
(Katalysatoren)(Katalysatoren)
owid
stoffstoffSauerSauer--stoffstoff
ZündquelleZündquelle
BrandbedingungenBrandbedingungenBrenn-stoff %
Sauer-stoff
Kataly-satoren
%
owid
OO22Zünd-quelle
OH*H*
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Wichtige EinflussgrößenWichtige Einflussgrößen
Oberfläche
O2
Oberfläche
Sauerstoff
owid
2
Katalysatoren
3. Oberfläche3. Oberfläche
Je feiner zerteilt, desto schneller brennt es!brennt es!
owidHolzblock Grobe Späne Feine Späne
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Was ist Staub?Was ist Staub?
Staub = Feinverteilter fester Stoff
d
Teichen(Korn)grösse: d < 850 m (0,85 mm)
PulverPulver
MehlMehl
owid
PuderPuder
Aerosole Aerosole (fest)(fest)
Rolandmühle, 1979Rolandmühle, 1979
owid
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30
Siloexplosion, HamburgSiloexplosion, Hamburg
owid
Staubexplosion (Film)Staubexplosion (Film)
owid
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Der Spray-EffektDer Spray-Effekt
PumpeStichflamme?
Parfum-
Stichflamme
Dieselöl nicht
?
owid
Spray (Flacon)
Dieselmit Flamme entzündbar!!
FlammenwerferFlammenwerfer--Effekt!Effekt!
FeuerspuckerFeuerspucker
Eine brennbare FlüssigEine brennbare Flüssig--keit wird durch ein spezikeit wird durch ein spezi--keit wird durch ein spezikeit wird durch ein spezielles „Ausspucken“ fein elles „Ausspucken“ fein
verteilt und an einerverteilt und an einerZündquelle entflammt.Zündquelle entflammt.
K Eff kt!“
owid
„Kaprun-Effekt!“
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BrandförderungBrandförderung
Sauerstoff brennt nicht, sondern Sauerstoff brennt nicht, sondern fördert die Verbrennungfördert die Verbrennung
glimmender Span
Entzündung (Flamme)
fördert die Verbrennungfördert die Verbrennung
owid
LuftSauer-stoff
Spa ( a e)
NarkosemittelNarkosemittel
Lachgas (N2O)
Ether (R1-O-R2)
Sauerstoff im Sauerstoff im Molekül ( irktMolekül ( irkt
owid
Molekül (wirktMolekül (wirktoxidierend)oxidierend)
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LachgasLachgas
owid
Sauerstoff im MolekülSauerstoff im Molekül
?Zellstoff (Watte) Glimmbrand
owid
Nitrozellulose
?Verpuffung
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Autogenes SchweißenAutogenes Schweißen
Sauer Sauer-stoff Acetylen
owid
id
Sauerstoffgehalt (Textil)Sauerstoffgehalt (Textil)
12
14
B b k it
)) Bei 40 % O
4
6
8
10Brennbarkeiteines Baum-woll-Overalls
nn
un
gs
nn
un
gs--
win
dig
keit
(cm
/sw
ind
igke
it (
cm/s Bei 40 % O2-
Gehalt brennt das Textil etwa 6 x schneller
ab!!!
owid
2
4
20 30 40 50Quelle: BCGA Report R1, 1984
Sauerstoffgehalt der Luft (%) Sauerstoffgehalt der Luft (%)
Ver
bre
Ver
bre
ges
chw
ges
chw
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PraxisversuchPraxisversuch
Sauerstoff imSauerstoff imArbeitsanzugArbeitsanzug(rascher und (rascher und
IntensiverIntensiverAbbrand)Abbrand)
owid
Abbrand)Abbrand)
Selbstmordversuch Bruck/MurSelbstmordversuch Bruck/Mur
owid
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Brandförderung von O2Brandförderung von O2
owid
5. Katalysatoren5. Katalysatoren
Werden in einer chemischen Reaktion nicht verbraucht!Reaktion nicht verbraucht!
„Geburtshelfer“ für die Bildung neuer Moleküle.
„Heiratsvermittler“ bei chemi-schen Reaktionen
owid
schen Reaktionen.
Amor als „Heiratsvermittler“Amor als „Heiratsvermittler“
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„Heiratsvermittlung“„Heiratsvermittlung“
Katalysator → „Heiratsvermittler„ für Molekülefür Moleküle
Chinesen → gleiches Schrift-zeichen (phonetische Aussprache „tsoo mei“).
owid
Chinesisches Schriftzeichen für Chinesisches Schriftzeichen für Katalysator und Heiratsvermittler Katalysator und Heiratsvermittler
„„tsootsoo meimei““
Katalytische WirkungKatalytische Wirkung
Katalysator (Asche)
Beispiel:Zucker (Asche)Zucker
owid
Würfelzucker brennt nicht!
Verbrennung ist möglich!
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Was ist ein Katalysator?Was ist ein Katalysator?
angeregtes Atom Ion Ion geladenes Molekül-
bruchstück
→ sind alle sehr reaktionsfähig!!!
owid
Sie besitzen ungepaarte Elektronen und werden auch Radikale genannt.
Wirkung von KatalysatorenWirkung von KatalysatorenDurch Anwesenheit bestimmter Substanzen
(Radikale) wird die Aktivierungsenergie reduziert!
Energie-berg
Reduzierte Aktivierungs-
Molekül
owid
energie
Katalytischer Effekt
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„Berg-Theorie“ (1)„Berg-Theorie“ (1)Langsame Reaktion, weil ein hoher Energie-berg überwunden werden muss!
Aktivierungs-energie
owidQuelle: O. Reiser und P. Kreitmeier
„Berg-Theorie“ (2)„Berg-Theorie“ (2)Der Katalysator öffnet einen neuen Weg über einen niedrigeren Berg, der g g g,sehr viel weniger Energie erfordert. Die Reaktion verläuft viel schneller!
owidQuelle: O. Reiser und P. Kreitmeier Katalysator
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Radikalbildung (schem.)Radikalbildung (schem.)Schematische Darstellung:
owid
Brennstoff-bzw.
Sauerstoff-molekül
Radikal (R)Radikal 1 (R1) Radikal 2 (R2)
Kettenreaktion (schem.)Kettenreaktion (schem.)1. Generation 2. Generation 3. Generation 4. Generation
Beispiel:Beispiel: Verdoppelung der Verdoppelung der Reaktionspartner (Radikale)Reaktionspartner (Radikale)
Brennstoff-molekül
Reaktionspartner (Radikale)Reaktionspartner (Radikale)
owid
Radikal
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Wesen des FeuersWesen des Feuers
GLUT FLAMME
fest physikalische Effekte Atomgitter schwingt
gasförmig chemische Reaktionen Bildung von Radikalen
owid
g gschwer flüchtige Oxide Löschen durch Kühlung
(Wasser und Schaum)
gKettenreaktionen Löschen durch physi-
kalisch-chemischen Eingriff (Löschgase)
Was heißt löschen?Was heißt löschen?
In quantitativer HinsichtIn quantitativer Hinsicht
Reaktionsbedingungen im Feuer ändern!
In quantitativer HinsichtIn quantitativer HinsichtStörung des Mengenverhältnisses bzw. der Mindestkonzentration von brennbarem Stoff und Sauerstoff →Brennstoffentzug ("Verdünnen") bzw. Sauerstoffentzug ("Ersticken").
In thermischer HinsichtIn thermischer Hinsicht
owid
Unterschreitung der Zünd- bzw. der Mindestverbrennungs-temperatur → Wärmeentzug ("Kühlen").
In katalytischer HinsichtIn katalytischer HinsichtEinbringen von Inhibitoren bzw. Ausschaltung von Katalysatoren → Störeffekt („Antikatalyse“).
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LöschenLöschenEingriff in die Verbrennung Antikatalyse
KühlenErsticken
owid
Bren
nsto
ffB
renn
stoff--
entzu
gen
tzug „Verdünnen“
Universallöschmittel?Universallöschmittel?
DasDasDas Das „Wundermittel“ „Wundermittel“
zum Löschen gibt zum Löschen gibt es im es im
BrandschutzBrandschutz
owid
Brandschutz Brandschutz leider nicht!leider nicht!