Het på Gröten - Brand i Hemmet -

Transkript

1

2

3 WESTERLUNDSKA GYMNASIET Enköping Het på Gröten - Brand i Hemmet - Johan Dahlin Martin Ericsson Elis Hellström Projektarbete Läsår 2004/2005 Handledare Andreas Doering Bengt Granberg Gunilla Mårsäter

4

5 Förord Våren 2004 fick alla i klass Nv3, i uppgift att genomföra ett projektarbete. Detta måste alla elever i årskurs tre på gymnasiet oavsett program genomföra. Efter mycket betänkande, många motgångar och en hel del tur sitter vi nu här och skriver förordet till vår projektrapport. Projektet vi valde att genomföra, blev mycket svårare och mer komplicerat än vi någonsin kunde ha anat. Efter mycket diskussion och stor förvirring, kom vi till skott med det teoretiska och det praktiska arbetet. Som blev till grunden till denna rapport. Produkten består till hälften av teori och till hälften de praktiska försöken vi utförde. Vår förhoppning är att när man har läst genom brandteorin i kapitel två kommer att förstå den underliggande mekanismer som skapar, reglerar, släcker och underhåller en brand. Vi har skrivit teoridelen så att elever, lärare och andra intresserade som har grundläggande kunskaper i kemi och fysik ska kunna förstå innehållet i kapitlet. De flesta kapitel är skrivna individuellt och därmed kan svårighetsgrad och språk vara olika i de olika kapitlen. Vi ber om överseende med detta och försäkrar er att vi har gjort vårt yttersta för att eliminera dessa skillnader. Det här är platsen för att tacka de personer och företag med vars hjälp detta projekt i sin nuvarande form har inte varit möjlig. Vi tackar er alla för ert stöd, ni är guld värda: Ralf Bäckroos, för dina böcker, idéer och erfarenheter som du så gärna delade med dig. Andreas Doering, för hjälpen med planeringen och genomförandet av de praktiska försöken på brandfältet. Samt för att du ställde upp som vår handledare på utsidan av skolan. Bengt Granberg, som ställde upp som handledare den sista mycket stressiga månaden. Samt hjälpte oss att planera och färdigställa vårt projektarbete. Margareta Grindebratt, för all ovärderlig hjälp genom de kloka idéer som du gav oss när vi behövde dem som mest. Gunilla Mårsäter, vår handledare som alltid har varit snabb att hjälpa när hjärnsläppet och nöden var som störst. Else-Maj Niia-Nerman och Mats-Olof Söderberg, för alla böckerna vi fick låna och för svaren på alla våra frågor. Tönab byggmaterial & Schotts, för spånskivorna och glasskivorna. Ett stort tack till er alla! Vi hoppas att denna tjocka bunt papper visar sig vara en intressant läsning för dig och att du kan lära dig något nytt och spännande om eldens mystiska väsen Enköping, den 19 maj 2005 Johan Dahlin Martin Ericsson Elis Hellström Projektgruppen Het på Gröten 3

6

7 Sammanfattning Detta är slutprodukten av ett projektarbete om Eld och Brand. Projektet genomfördes under perioden våren 2004 våren 2005 av Johan Dahlin, Martin Ericsson samt Elis Hellström på Westerlundska Gymnasiet, Enköping. Projektarbete är en obligatorisk kurs på alla programmen sedan den nya gymnasiereformen ( ). Projektet genomfördes med våra handledare på Brandförsvaret i Enköping, Ralf Bäckroos och Andreas Doering samt våra handledare på Westerlundska Gymnasiet. Målet och syftet med projektarbetet var att undersöka inomhusbränder och bränder i hemmiljö ur ett vetenskapligt perspektiv. Således kunna tillämpa de kunskaper som vi har förvärvat under vår tolv år långa skolgång. Under projektets gång har vi också fördjupat vår kunskap inom områden som termodynamik, kemiska reaktioner och biologisk påverkan av olika kemiska substanser. Erhållit helt ny kunskap inom begrepp som flamspridning, brandgaser och brandförlopp. Hela arbetsgången har fokuserat på att beskriva ämnet genom ett naturvetenskapligt perspektiv som omfattar ämnen som matematik, biologi, fysik samt kemi. Rapporten är skriven med tanke på att, de personer som har gått första året på naturvetenskapliga programmet ska kunna förstå innehållet. Rapporten och arbetet är dels teoretiskt dels praktiskt. Den teoretiska delen ska ge den nödvändiga kunskapen som behövs för att kunna förstå de praktiska försöken och slutsatserna. Arbetets allmänna teoretiska del introducerar begrepp som eld, brand, flampunkt som är centrala i resten av arbetet. Vidare presenteras energi som en drivkraft för alla kemiska reaktioner, termodynamik och hur dess lagar bestämmer hur en brand utvecklas samt hur värme överförs. Efter denna lite mer grundläggande informationen börjar genomgången av brand. Begrepp som flamspridning, gasutveckling, brandförlopp presenteras i denna del av rapporten. Brandteorikapitlet avslutas sedan med ett kapitel om hur elden kan påverka människan; brandgasernas påverkan, kvävning, värme samt brännskador. Sedan följer ett kapitel om brandsäkerhet, där förebyggande åtgärder, brandvarnare, brandsläckning samt utrymning tas upp. Efter dessa teorikapitel kommer den praktiska redovisningen. Dels av de rumsmodeller som vi konstruerade, byggde och eldade upp för att undersöka övertändning och flamspridning. Dels redovisningen över våra försök på brandövningsfältet. Där eldade vi en fåtölj, sprängde en gasbehållare samt undersökte effekten av att försöka släcka brinnande matolja med vatten. Efter fullskaleförsöken återvänder vi till laborationsmiljön och undersöker självantändning, förbränning i ren syrgas, förbränning av kaliumnitrat samt brandsläckning genom kvävning. I detta kapitel är redovisningen skriven som laborationsrapporter. Rapporten avslutas med en diskussion (utvärdering) av projektets process och produkt. Sedan följer ett avslutande kapitel, en förteckning över källor och bilder. Sist i rapporten finns bilagor innehållandes: projektbeskrivningen, idéskissen, en del planeringar och resultat från labbarna och försöken. 5

8

9 Summary This is the product of a project about fire made between spring 2004 and spring 2005 by Johan Dahlin, Martin Ericsson and Elis Hellström. A project work is a mandatory course for all students at Westerlundska Gymnasiet, Enköping. The work has been done with the help of our tutors at Enköping s Fire Department and the teachers at Westerlundska Gymnasiet. The purpose of the project was to examine indoor fires and fires in domestic environment in a scientific perspective. This was done with the previous knowledge that we have gained during our school years. We have also deepened our knowledge in areas such as thermodynamics and chemical reactions, along with entirely new knowledge about flame spreading, fire gases and course of fire. We have put together this work that is mainly focused on describing the subject through a scientific perspective. This report is written so that people with elementary knowledge in science should be able to understand it. The report and work are partly theoretical and partly practical. The theoretical part is supposed to give the necessary knowledge needed to understand the practical experiments and conclusions. The general theoretical part introduces fire and flash point, which are central in the rest of the work. Also energy is presented as a propelling force for all chemical reactions and the biological impact that fire may have to human beings. The next passage in the report handles fire safety. Parts like preventive measures, fire alarms and fire extinguishing are described. After these theoretical chapters the accounts for our practical researches are handled. First the room models we made and burned to examine flame spreading. Then the research we made on the fire department s exercise field. After these outdoor, full scale research we went back to laboratory environment. We examined spontaneous ignition, combustion in pure oxygen, combustion of potassium nitrate and fire extinguishing by suffocation. The report is concluded by a discussion and evaluation of the process and the product. Last we also have a list of sources and pictures and some appendixes. 7

10

11 Innehållsförteckning Het på Gröten...1 Förord...3 Sammanfattning...5 Summary...7 Innehållsförteckning Inledning Bakgrund Syfte Metod Avgränsning Rapportens struktur Brandteori Allmänt Värme Flamspridning Brandgaser Brandförlopp Eld och människan Brandsäkerhet Allmänt Förebyggande åtgärder Brandvarnare Brandsläckning Utrymning Eldning Lådorna Brandfältet Laborationer Självantändning Ett syrerikt ämne Brandsläckning Diskussion och slutsats Avslutning Förteckningar Källförteckning Figurförteckning Bilagor Skolverkets PA beskrivning Idéskiss Projektbeskrivning Lådförsöket Gasolburksförsöket Matoljeförsöket Fåtöljförsöket Självantändning Ett syrerikt ämne Brandsläckning Planering (Eldning)

12

13 1.1 Bakgrund 1 1 Inledning Strax efter påsklovet 2004 fick vi ett nytt ämne på schemat, Projektarbete 100 poäng. Margareta Grindebratt introducerade ämnet, dess syfte och kriterierna (för vidare information se bilaga 9.1). Under första lektionen kom många idéer upp; att göra en egen energidryck och att undersöka olika brokonstruktioners hållfasthet. Inga grupper formerades dock. Den 23 mars 2004 genomförde alla i Nv2a en obligatorisk brandutbildning på brandförsvarets övningsfält i närheten av Ullunda, Enköping. Där fick klassen lära sig mer om brandsläckning, LABC och brandsäkerhet. Här föddes idéen till att genomföra ett projektarbete om brand. Martin och Johan formerade en lite grupp och dagen därpå anslöt sig Elis till gruppen, som nu bestod av: Johan Dahlin, Martin Ericsson och Elis Hellström. Vi frågade Gunilla Mårsäter om hon ville vara vår handledare och hon accepterade. Vi genomförde en Brainstormning och resultatet blev en idéskiss. Vi tog också kontakt med Ralf Bäckroos på Brandförsvaret i Enköping/Håbo. Innan sommaren blev vi klara med projektbeskrivning som Gunilla antog. Projektgruppen påbörjade nu den långa färden genom det okända mot ett vagt mål. 1.2 Syfte Vi beslutade att projektarbetet skulle undersöka hur inomhusbränder utvecklar sig. Samt varför vissa material brinner bättre än andra och varför. Vidare skulle vi undersöka och analysera olika släckmetoder, när man använder dem och varför. Som sista punkt skulle vi med Ralf Bäckroos hjälp ta reda på hur en brandundersökning genomförs. För vidare information se bilagor 9.2 samt

14 1.3 Metod För att uppnå vårt syfte med projektarbetet tänkte vi oss att använda dessa metoder och redovisningssätt: Läsa litteratur och bredda vår kunskap i ämnet. För att kunna genomföra vårt projektarbete måste vi bredda och fördjupa vår kunskap inom ämnets avgränsning. Vi lånade böcker från Brandförsvaret, köpte en bok samt hittade en hel del information på Internet. Eldningsförsök i samarbete med Brandförsvaret. För att studera flamspridning och övertändning måste praktiska försök genomföras. Detta under handledning av vår projekthandledare på Brandförsvaret i Enköping. Loggbokskrivning varje vecka. För att dokumentera processen, som leder fram till slutprodukten, måste varje medlem i projektgruppen skriva en loggbok. För att dokumentera projektmöten ska vi också skriva protokoll vid dessa. Detta dokumentationsmaterial kommer inte att vara med i projektrapporten utan sitta i projektpärmen, så att handledarna kan följa processen. Skriftlig rapport med teoridelen samt viss praktisk redovisning. För att redovisa projektet ska vi skriva en rapport med en teoretisk grund som kan förklara de praktiska försöken som vi genomför. Alla praktiska försök kommer att dokumenteras med hjälp av en digitalkamera samt en videokamera. Detta för att kunna påvisa bland annat. Hela rapporten kommer att skrivas individuellt och sen sättas samman och lämnas in som en rapport. CD-ROM med bildmateriel samt videofilmer från försöken. På grund av det begränsade utrymmet i rapporten kommer vi bränna ned alla bilder och allt videomaterial på en CD-ROM eller en DVD. Så intresserade läsare därigenom kan följa arbetet mer noggrant. Muntlig redovisning i Aulan under maj Som en slutlig redovisning av arbetet kommer vi att hålla en muntlig presentation i Aulan under våren Redovisningen kommer att hållas inför alla tvåor samt lärarna på det naturvetenskapliga programmet. Med hjälp av en presentation, videomaterial och material från rapporten ska vi förmedla ett budskap som innehåller brandsäkerhet och förståelse för hur fort en brand kan sprida sig.

15 1.4 Avgränsning Vi bestämde tidigt att området Eld och Brand är ett mycket stort område. En begränsning var på plats. Vi bestämde oss för att fokusera på de områden som låg oss närmast till hands nämligen bränder i hemmiljöer, i lägenheter och normalstora villor. För att inte behöva skriva ett mycket omfattande teorikapitel med grundläggande kunskap inom biologi, kemi och fysik. Bestämde vi oss för att skriva teoridelen så personer som har läst A-kurserna i respektive ämne kan förstå innehållet. 1.5 Rapportens struktur Denna rapport består av ett flertal delar; inledande kapitel (förord, sammanfattning och inledning), en teoridel (brandteori och brandsäkerhet), en redovisning av vårt praktiska arbete (eldning och laborationer) samt en avslutande del (diskussion och slutsats, avslutning, källförteckning samt bilagor). Rapporten är tänkt att läsas i den ordning som den är skriven, där teorikapiteln ska ge nödvändigt kunskap och hypoteser, som sedan bekräftas i den praktiska redovisningen. Källförteckningen finns i kapitel åtta, där finns adresser till hemsidor, bildförteckning och en förteckning över böcker som har använts i arbetet. Förutom böcker och hemsidor har vi använt oss av kunskap som är förvärrvad under lektioner i matematik, kemi, fysik och biologi. Det är därför svårt att referera till i en källförteckning. I den löpande texten finns en del källhänvisningar. De kan vara allt från förklaringar på begrepp till formler och tabeller. För att hänvisa till vilken källa som används använder vi oss av följande tecken /xx/. Där xx byts ut mot källans nummer, se kapitel åtta. En del information är helt avskriven från källan och då omsluts stycket av citationstecken samt en källhänvisning. Källhänvisningarna är placerade så att de finns i början eller i slutet av de stycken som avses. Bildförteckning hittar du i kapitel åtta, där står källa och upphovsman till alla bilder som vi inte själva har tagit eller gjort. Alla bilderna som är tagna från böcker och Internet står i förteckningen. Annars är det projektgruppen som är upphovsman. Fotnoter används för att förklara en del resonemang och några svåra ord som du kan stöta på i rapporten. Detta är för att de flesta med grundläggande kunskap inte alltid har den kunskapen som krävs för att förstå vissa begrepp i texten. Ett tips till dessa läsare: läs fotnoterna och källhänvisningarna. Fotnoter kan också användas som kommentarer och förtydligande av texten. All praktiskt redovisning är skriven som laborationsrapporter. Inledning samt diskussionen och slutsaten finns i rapporten, kapitel 4 och 5. Resterande material som, material och metod och resultat finns i bilagor. I texten kommer du att stöta på kursiverade, fetmarkerade och understrukna ord. De kursiverade orden är begrepp som är centrala för kapitlet och en förklaring följer ofta ordet, antingen direkt efteråt i en bisats eller i nästkommande stycke eller kapitel. Fetmarkerande stycken är ofta avgörande slutsatser som är centrala i hela kapitlet och kan ses som en sammanfattning av resonemanget i kapitlet. Slutligen kan du stöta på understrukna ord, dessa används endast i ett stycke i rapporten och det är för att påvisa ett viktigt begrepp i ett citat. 13

16

17 2 2 Brandteori 2.1 Allmänt Eld Eld är det synliga yttre tecknet på en förbränning. En förbränning är en så snabb oxidation av ett ämne, att det frigörs så mycket energi som krävs för att avge värme och ljus så att man kan se och känna den. För att kunna framställa en eld krävs först ett brännbart material, detta kan vara; trä, papper, bensin eller vätgas. Sedan krävs en viss mängd värmeenergi, en viss temperatur så att materialet kan sönderdelas och börja avge brännbara gaser. Detta kallas att ett ämne pyrolyseras och temperaturen som är nödvändig för att detta skall ske kallas pyrolystemperatur. När gaserna har nått en viss temperatur antänder dem och oxideras av luftens syre och bildar värme- och ljusenergi. /1/ En eld behöver tre viktiga grundläggande saker för att kunna framställas och underhållas: Det måste finnas något som kan brinna, ett brännbart material. Det måste finnas syre som oxiderar ämnet samt underhåller förbränningen. Det brännbara materialet måste upphettas tills den avger brännbara gaser, det vill säga värme och tillräckligt hög temperatur. Figur 1: Brandtriangeln, som förklarar behovet av material, syre och värme för en eld. Det finns två olika typer av flammor som kan bildas av eld; diffusionsflamma och förblandad flamma. Den mest vanligt förekommande flamman är diffusionsflamman. Då syret från luften och de pyrolyserade gaserna diffunderar in i en förbränningszon. I ett vanligt ljus pyrolyseras stearinet av lågan och blandas med syret i den nedre zonen på lågan, den som är blå, och reagerar. /1/ 15

18 Den andra typen av låga, förblandad flamma, uppstår när syret och gaserna redan är blandade innan de fattar eld. Detta kan hända vid en rumsbrand, där varma brandgaser samlas som ett lager i taket och blandar sig där med syret. När en gnista uppstår, eller en speciell mängd energi tillsätts, kommer blandningen av gas och syre att fatta eld i ett mycket snabbt brandförlopp, en övertändning 1. Efter antändningen kommer förbränning att fortsätta tills en av de tre sakerna tas bort eller tar slut. Vanligtvis är det syret eller det brännbara materialet (gaserna) som tar slut först, då reaktionen skapar värme som underhåller vidare pyrolysering. /1/ Brand Brand är en okontrollerad eld, en eld man inte vill ha eller man har tappat kontrollen över. Detta kan vara allt från en brand i en soffa till en stor skogsbrand. Hur en brand sprider sig, beror på hur mycket brännbart material och syre som finns tillgängligt. Enkelt sagt kan man säga att tillväxthastigheten är proportionell mot storleken av branden vid ett visst tillfälle. Vanligtvis följer en brandutveckling en exponentialekvation 2 t med utseendet, s (t) = s(t) 2, där t är en godtycklig tidsrymd. En brands spridningshastighet utvecklas enligt följande mönster; 1, 2, 4, 8, 16, 32 osv. /1/ s'(t) Tid Figur 2: Graf över en brandutveckling enligt s (t) = s(t) 2 t Brandutvecklingen pågår tills en av de tre faktorerna som behövs för att skapa en eld sätter en begränsning, vanligtvis bränsletillgången (bränslekontrollerad brand). En inomhusbrand är ofta ventilationskontrollerad, det är syret i luften är begränsande för hur stor en brand kan bli. Detta kan bero på rummets storlek, luftflödet och storleken/placeringen på öppningarna i rummet/huset. Mer om detta i kapitel 2.5./1/ 1 Se kapitel 2.6 för mer information. /10/ 2 En exponentialekvation har utseendet y = C a x och har egenskapen att den har en liten derivata, lutning, i början men som sedan snabbt ökar tills den når oändligheten. För mer information se en lärobok i matematik C.

19 2.1.3 Brandrök Vid en förbränning av ett ämne reagerar luftens syre med molekylerna i ämnet. Detta leder till att nya ämnen bildas av molekylerna och atomerna i det ursprungliga ämnet. Dessa nya ämnen är oftast i gasform då temperaturen är hög i brandhärden samt att de oftast har lätt molekylvikt. Vilket gör att det inte krävs mycket energi för att förånga ämnena. Vid en förbränning bildas vattenånga, koldioxid, koloxid och sot. Sot är oförbrända fasta partiklar som är lätta nog att bäras med i brandgaserna. Vid en brand bildas oftast andra mer giftiga och komplexa ämnen i gasform. Detta leder till att brandröken ofta är mycket toxisk 3. Därför är det bra att man kryper ut ur ett rum där det brinner. Då gaserna är lättare än luft kommer det att bilda ett brandgaslager i taket. Vid golvet finns vanlig syrerik luft som kan andas av människor. Hur mycket brandgas som bildas vid förbränning av ett ämne beror på vilket ämne det är och tillgången till syre. För mer information se kapitel Flampunkt och antändningstemperatur Det är bara gaser som kan brinna men även fasta material som trä samt flytande material som bensin kan brinna. Det finns tre stycken aggretionsformer som man känner till från vardagen här på Jorden; gasform, flytande form och fast form. De flesta ämnen på Jorden kan finnas i alla tre former och kan omvandlas till olika former, genom kondensering, stelning, smältning, förångning. Gaserna blandar sig med syre och en kemisk reaktion uppstår och frigör energi i form av värme och ljus från gasen. Det farliga med gaser ur brandsynpunkt är att de är mycket lättflyktiga och kan därför röra sig över stora avstånd innan de fattar eld. Gaser är ofta lättare än luften och ansamlas därför nära taket och bildar ett tjockt och mycket energirik lager av gas som snabbt kan antändas av en gnista. /1/ /2/ Temperaturen som krävs för att få en gas att fatta eld kallas flampunkt och är gasernas pyrolystemperatur. Temperaturen varierar mellan olika ämnen men är i regel mycket lägre än för vätskor och fasta material. Ett flytande och fast ämne behöver värmas upp till en viss temperatur innan de börjar avge brännbara gasångor. Denna temperatur kallas flampunkt respektive antändningstemperatur och varierar, liksom för gaser stort. /2/ Nedan finns en tabell med de olika brandklasserna för vätskor och deras flampunkt. Klass Flampunkt Materialexempel 1-50ºC till 20ºC eter, bensin, aceton och etanol 2a 20ºC till 30ºC thinner 2b 30ºC till 60ºC fotogen 3 60ºC till 70ºC eldningsolja Tabell 1: Brandklasser på vätskor. /2/ Som framgår av tabellen avger bensin, eter och aceton brännbara gaser vid rumstemperatur och detta är skälet till att det är förbjudet att röka på bensinmackar. Fotogen och eldningsolja har så höga flampunkter att en låga från en tändsticka kan antända dem. För att elda fotogen behövs därför en veke så att fotogenet kan värmas upp innan det når lågan. /2/ 3 Giftig 17

20 2.2 Värme Tänk dig en kall vinterdag, du och några vänner ska ut och grilla korv. Ni har tagit med er ved, tidningspapper och tändstickor. Ni kommer fram till en eldplats och temperaturen ligger under nollstrecket. Ni tycker att det skulle vara trevligt att värma sig en stund och påbörjar därför arbetet att göra upp en eld. Ni späntar och klyver vedträn, täljer till spån och river tidningspapper som ni lägger i mitten av er vedhög. Ni tar en tändsticka och drar stickan mot plånet och plötsligt har ni fått en eld, som ni använder för att tända eld på pappret. Elden tar sig snabbt i den torra björkveden och plötsligt har ni en varm brasa, att värma frusna händer och grilla korv på. Hur är detta möjligt? Det är väl inget speciellt med en korvgrillningseld. Tänk på var all värme kom ifrån, det var nollgradigt i luften och ändå kan ni skapa en eld med temperaturer på flera hundra grader. Allt ur några beståndsdelar som är lika kalla som luften. Är det syret som skapar värmen? Ja och nej, det krävs syre men energin kommer egentligen från vedträt. Träd består av fibrer som är uppbyggda av cellulosa, ett kolhydrat som är mycket energirikt. Energin som finns lagrad är kemisk energi och finns i bindningarna mellan atomerna och molekylerna. När du värmer upp ett ämne bryts dessa bindningar och ämnet avger gaser som tar eld och sönderdelar ämnet ännu mera. Alla bindningars energi omvandlas då till värme- och ljusenergi Termodynamiska begrepp För att kunna beskriva reaktioner med hjälp av energi har man infört vissa begrepp. Ett ämnes energiinnehåll kallas entalpi och anger hur mycket energi som finns lagrat i ett ämnes bindningar. Entalpin beror på hur starka bindningarna är, vilka atomer som de sitter mellan och hur långa de är. För att mäta entalpiskillnaden mellan produkterna och reaktanterna har man infört delta-h, ΔH som är lika med ΔH = Hprodukter Hreaktanter. Om ΔH > 0 har produkterna mer energi än reaktanterna och avger därför en del överskottsenergi. Dessa reaktioner kallas exoterm, värmeavgivande och är det som är vanligast vid förbränning. Om produkten istället har mindre energi än reaktanterna, endoterm reaktion (värmeupptagande), blir ΔH < 0. /3/ 2 H2(g) + 2 N2(g) ----> 2 NH3(g) + 92 kj Här avges 92 kj, ΔH = - 92 kj/mol, detta är en exoterm reaktion där värme avges. Värmeenergi finns lagrad i alla molekyler, dels som energi mellan bindningarna, dels som vibrationer och rotationerna hos atomerna själva. En av de viktigaste principerna i termodynamiken är att energi inte kan skapas eller förintas, endast omvandlas mellan olika former. Energin i bindningarna eller atomerna måste omvandlas till värme, eftersom all energi tillslut blir värme. Bindningarna är olika starka beroende på hur de ser ut, en enkelbindning kräver mindre energi att bryta upp än en trippelbindning. En bindning mellan två kolatomer innehåller mindre energi än en bindning mellan en kol och floratom. De flesta förbränningar är exoterma reaktioner som avger energi eftersom det finns mer energi lagrade i bindningar hos reaktanterna än hos produkterna. De avger därför värmeenergi som används för att bryta bindningarna hos andra molekyler i närheten som förångas, pyrolyseras.

21 2.2.2 Termodynamikens lagar Termodynamikens lagar är en av de ekvationer och satser som kallas fysikens grundekvationer. Tillsammans med Maxwells ekvationer som binder samman elektricitet och magnetism, Schrödingerekvationen som beskriver vad som händer på kvantnivå och Einsteins relativitetsteori som beskriver fysiken vid mycket stora hastigheter och andra extrema förhållanden, berättar dessa fyra ekvationer om den värld människan lever i. Figur 3: I en rymdfärjas motorer tillämpas vätets och syrets lagrade energi för att föra rymdfärjan ut i Universum. Teorierna om termodynamik arbetades fram av vetenskapsmän i Europa som levde mellan En av de stora hjärnorna som omformade termodynamiken till vad den är idag var Max Planck. Planck föddes 1858 i Tyskland. Han valde att bli fysiker mot hans fysikprofessors vilja eftersom man trodde att de flesta viktiga upptäckterna redan var gjorda. Det enda arbetet som återstod var att göra mer exakta beräkningar av de universella konstanterna. Tillsammans med tidens främsta vetenskapsmän, formulerade han de fyra huvudsatser som beskriver termodynamiken: /5/ Termodynamikens nollte lag: Två kroppar som står i termodynamisk jämvikt med varandra har samma temperatur. Termodynamikens första lag: Energi kan varken förintas eller nyskapas; den kan bara omvandlas mellan olika energiformer. Termodynamikens andra lag: Det finns ingen process vars enda resultat är att värme från en enda värmekälla helt omvandlas till mekaniskt arbete Termodynamikens tredje lag: Entropin för en ren kristallin substans vid den absoluta nollpunkten är noll. 19

22 Den nollte lagen säger exempelvis att om man har en kaffekopp med kokande varmt kaffe i. Ställer koppen i ett rumstemperat rum i ett dygn kommer den att avge energi till luften och värma upp luften tills de har uppnått jämvikt. Jämvikt uppstår när kaffet och luften i rummet har samma temperatur. I en brandsituation kan detta konkret betyda att om man värmer ett föremåls ena sida. Kommer värmeenergin att ledas över till den andra sidan för att uppnå jämvikt i föremålet. Detta beror på att atomerna stöter mot varandra och delar med sig av din energi. Den säger också att de varma brandgaserna i rummet kommer att stråla ut energi i rummet och värma upp det till samma temperatur som de själv har. Observera att detta är en jämvikt och att brandgaserna kommer att sända ut mer energi än de absorberar och därmed kylas av. Däremot kommer väggarna i rummet att absorbera mer energi än de sänder ut därmed kommer de värmas upp. Den första lagen säger att energi bara kan omvandlas mellan olika former och inte skapas eller förstöras av någon reaktion. Detta betyder i praktiken att energin som skapar värmen i en eld måste finnas lagrad i föremålet. Eftersom den inte får skapas av elden på plats. Detta betyder också att om man eldar ett föremål och det släpper ifrån sig energi, kan den vara av vilken form som helst. All energi som finns i världen kommer tillslut att omvandlas till lågvärdig värmeenergi, den kallas lågvärdig energi på grund av att den är så utspridd att den nästan är omöjlig att använda i maskiner. Eftersom system vill uppnå jämvikt kommer värmeenergin att fördelas jämt, homogent, i Universum och endast finnas i små koncentrationer. Den andra lagen handlar om friktion och är inte aktuell ur vårt synpunkt. Kort sagt säger det att det blir förluster vid energiomvandlingar, främst värmeenergi. Den tredje lagen säger att entropin, oordningen, i Universum ökar. Samt när ett föremål kyls ned till den absoluta nollpunkten är det i perfekt ordning 4. Entropin skapas av naturens strävan att utjämna alla skillnader. Tänk på ett glas som tappas i golvet, det kommer att gå sönder i tusentals bitar. Varför skulle inte tusentals bitar av glas plötsligt kunna bli ett glas? Jo det skulle skapa mer ordning i Universum. Ett annat exempel är ett hus som bygges ute i skogen. Tänk om det skulle stå orört i trettio år. Det skulle förfalla till sina beståndsdelar, järnspikarna skulle rosta och panelen skulle ruttna. Om man istället skulle lägga ned energi på att underhålla huset skulle de stå kvar lika fint efter trettio år. I ett system som tillförs energi minskar oordningen men den kommer sannolikt att öka i ett annat system. /6/ Vad har detta då med brand att göra? Man kan säga att när en eld brinner ökar oordningen i ett system, entropin. Detta eftersom ett material med tätt och effektivt packade molekyler kommer att sönderdelas av energi från bindningarna. Atomer samt den lösgjorda energin kommer att spridas över ett mycket större område än när de var sammanpackade. 4 Vilket inte kan ske, man kan inte kyla ned ett föremål till 273,15 C, den absoluta nollpunkten. /23/

23 2.2.3 Värmeöverföring När en träbit brinner omvandlas kemisk energi, som finns lagrad i bindningarna, till värmeenergi genom oxidation 5. När värmeenergin från den brinnande träbiten avges till de intilliggande materialen i rummet och luften kommer dessa att värmas upp. Denna process kallas värmespridning och det finns endast tre sätt som värmeenergin kan förflytta sig i rummet. Nämligen genom värmeledning, strålning och konvektion. Dessa tre olika värmespridningssätt har alla olika egenskaper och användningsområden. De tre sätten förekommer nästan alltid tillsammans vid en värmeöverföring Värmeledning Värmeledning är precis som det låter, värmeenergin sprids till ett material genom att energin vandrar genom materialet självt eller ett annat material. När man ställer en kastrull på plattan leds värmeenergin genom kastrullens metall till vattnet i kastrullen som då värms upp. Ur brandsynpunkt är detta ett mycket vanligt fenomen och som redan har konstaterats behövs tre saker för att få fram en eld. En av dessa tre är tillräcklig värme för få materialet att pyrolyseras, ledning är en process som gör detta möjligt. Om ett pappersark fattar eld i ena hörnet kommer elden att sprida sig. Detta på grund av att papperet värms upp av elden och börjar avge brännbara gaser som antänds och sprider lågorna över papperet. Varför sprider sig då värmen i pappersarket? Ett pappersark är uppbyggt, på en molekylär nivå, som ett ordnat mönster av cellulosafibrer. Dessa fibrer består av cellulosa som består av väte, syre och kol ordnat i olika formationer. Dessa formationer ligger tätt packade, och är sammanbundna av elektriska krafter mellan atomerna. Om en atom i ena änden på pappret skulle börja vibrera skulle vibrationerna sprida sig genom pappret till andra sidan. Vibrationer och rörelser bildar det som man i dagligt tal kallar värme. Värmen sprids då genom pappret. /7/ Figur 4: Ett värmesystem som ej är i jämvikt. Figur 5: Ett system som försöker nå jämvikt. I detta system finns tre plattor av samma material, en varm platta betecknad Ty och en svalare platta Tk, materialet mellan, det gråa, håller konstant temperatur. Värmeenergin, Q, kommer att överföras från den varma till den kalla plattan genom det gråa materialet. Värmeledningen (Q/A), energi per areaenhet kan beskrivas med en enkel ekvation, där värmeledningsförändringen är negativt proportionell mot temperaturförändringen i materialet (Formel 1). 5 Kemiskt begrepp, när ett ämne reagerar med syre oxideras det. Oxidationstalet ökar vid en oxidation, alltså ämnet blir mer negativt laddat än innan. Se en lärobok i Kemi B. /4/ 21

24 Värmeledningsförmågan beror av temperaturen på materialet. Ett varmare material leder värme bättre än ett kallare. Proportionalitetskonstanten är en koefficient som beror på materialets egenskaper och temperaturen på materialet. /7/ Q T = k Formel 1: Värmeledningsförmågan A x Q x( Tv Tk) = Tv Formel 2: Värmeledningsförändringen A L Tv Tk Q = ka Formel 3: Den förflyttade värmeenergin. L Värmeledningsförändringen kan också tecknas som skillnaden i temperaturen mellan plattorna multiplicerat med kvoten av hur långt in på plattan man mäter och plattans längd (Formel 2). Slutligen kan man teckna en formel för Q, som är proportionell mot arean av plattan och kvoten mellan temperaturskillnaden och plattans längd (Formel 3). Detta ger att ledningsförmågan beror på materialets egenskaper, temperaturen på materialet och materialets längd samt area. Material Koefficient W/m K Aluminium (duraluminium) 160 Aluminium (grundämne) 220 Stål (0.85% C) 45 Järn (grundämne) 84 Rostfritt stål (18% Cr, 8% Ni) 15 Tabell 2: Värmekonduktiviteten för några olika materia. /7/ Olika material har olika värmekonduktivitet och temperaturen bestämmer också hur bra ett material leder värme. Hur ett ämne är behandlat bestämmer också hur bra det leder värme. Aluminium finns som grundämnesform samt den industriellt användbara metallen som kallas duraluminium där den senare endast har halva värmeledningsförmågan jämfört med den första. (Se tabell 2) Fluid 6 Koefficient W/m K Luft (20 C) 0,025 Luft (100 C) 0,032 Luft (300 C) 0,045 Vatten (20 C) 0,600 Vatten (60 C) 0,660 Vatten (100 C) 0,680 Tabell 3: Värmekonduktiviteten för några fluider. /7/ I tabellerna kan utläsas att vatten leder värme bättre än luft. Detta beror på att vatten har kortare avstånd mellan molekylerna, därför kommer värmen lättare att spridas i fluiden. Vidare kan konstateras att det är lättare att leda värme genom ett varmt material än genom ett kallt. Ett ämnes värmeledningsförmåga varierar stort, stål leder värme tre gånger bättre än rostfritt stål och detta beror på de andra metallerna i legeringen rostfritt stål. 6 Ett ämne som befinner sig i ett vätske eller gasliknande tillstånd där, materialet kan röra sig fritt.

25 Exempel 1 En förekommande brandorsak är när en rörmokare har varit hemma hos en person och svetsat ihop två vattenledningar. Värmen leds från svetslågan genom röret och värmer sedan upp damm eller andra små partiklar i en vägg. Som efter några dagar fattar eld och sprider branden vidare i väggen. Låt oss nu tänka att en hantverkare har varit hemma hos någon och svetsat en fog för att skarva ett rör med ett annat. Temperaturen i rummet är 25 grader och temperaturen vid svetsfogen var 2000 grader. Materialet i röret var rostfritt stål och arean exponerad till svetslågan var 1 cm 3. Röret fortsätter in i en vägg som ligger en halvmeter från svetsfogen. Hur mycket värmeenergi leds genom röret in i väggen? Svar: k = 45 W/mK, tageturtabell2, koffecienten förstål. 3 3 A = 1cm = 0,0001 m T v = 2000 C Tk = 25 C L = 0, 5m Q =? Tv Tk Q = ka L Q = 45 0,0001 0, Q = 0,0045 = 17,775 J 0,5 Svar: 17,775 J 18 J, antagligen inte tillräckligt för att nå dammkornens pyrolystemperatur Strålning Alla föremål utstrålar elektromagnetisk strålning av olika våglängder. Det är så man kan se att ett föremål har färger. Våglängden på den utstrålade energin beror på temperaturen på föremålet. Vid upphettning av ett järnbleck förändras färgen från att vara svart övergår det till röd, orange och till sist gulaktig färg. När man värmer upp ett föremål utsänds ett spektrum som innehåller strålning av olika våglängd. Vilka våglängder som sänds ut beror på ämnets egenskaper. Alla ämnen har ett egen signatur som kan avläsas som streck av olika färger i ett spektrum. En sak som är gemensam för alla material är att de som utsänder mycket ljus också tar emot, absorberar, mycket ljus. Ett svart föremål absorberar mest ljus och får därför färgen svart men då sänder den också ut mest ljus. Den enklaste kroppen att göra beräkningar på därför den svarta kroppen, därför ska alla beräkningar i denna rapport genomföras på just dessa föremål. /7/ Den energi som ett föremål sänder ut under en viss tid och ytenhet kallas utstrålningstätheten och är kvoten mellan effekten och ytan och får då enheten W/m 2. Genom att använda så kallade Planckkurvor 7 kan man se att utstrålningstätheten och våglängden varierar med temperaturen. 7 Se en lärobok i Fysik B för mer information. 23

26 William Wien upptäckte att vid en viss temperatur får alltid alla föremål samma färg, energimaximumet 8 beror på temperaturen. /5/ λmax T = a,där λ är våglängden i meter, T är den absoluta temperaturen i Kelvin och a är Weins konstant, 2, Km. Formel 4: Weins förskjutningslag Bortsett från det infraröda och det ultravioletta spektrumet kommer ett träföremål ha samma färg som ett järnföremål vid lika temperatur. Detta är en viktig sak att tänka på, man kan bestämma vilken temperatur ett föremål har beroende på vilken färg det har. Exempel 2 Vilken temperatur har ett föremål som har sitt energimaximum vid 700 nm, röd färg? Svar: Formel 4 kan skrivas om som T a 2,90 10 = = 9 λmax = 4143 K = 3870 C En svart kropp kan bara sända ut energi i form av energipaket, kvanta, där antalet beror på vilken temperatur föremålet har. Ett enkelt matematiskt samband kan beskriva effekten utstrålad energi proportionellt mot arean och temperaturen på föremålet./5/ P = e σ A T 4 där, e är emissiviteten är lika med 1 för en svart kropp, där σ är Stefan-Boltzmanns konstant W/(m 2 K 4 ), A är arean i kvadratmeter och T är den absoluta temperaturen i Kelvingrader. Formel 5: Stefan-Boltzmanns lag En intressant sak att konstatera om strålningsenergi är att eftersom effekten beror på arean så ger en större area en större effekt. Således strålar ett objekt med större area ut mer energi vid samma temperatur. Exempel 3 En fåtölj har fattat eld, fåtöljen betraktas som en svart kropp. Hur många 60 W glödlampor motsvarar fåtöljen om den är 500 grader varm och har en sida arean 0,45 m 2 riktad mot oss? Svar: e = 1 t = 500 C T = ,15 = 773,15 K 3 A = 0,45m σ = 5,67 10 W/(m K ) 4 P = eσat P = 1 5, ,45 773, ,97 Detta motsvarar: 60 Svar: 9100 W 4 = 9116,97 W 9000W = 152st 70W glödlampor. 8 Den våglängd där utstrålningen är som störst.

27 Exempel 4 En viss mängd energi, P, strålar ut från en enda punkt, O, i alla riktningar. Efter en viss tid har energin förflyttat sig en viss sträcka, s. Detta bildar en sfär med punkten O i mitten och med radien s. O s Figur 6: Skiss över exemplet. Om det i punkten O finns en glödlampa med effekten 70 W, vad blir utstrålningstätheten på 2 meters avstånd och på 4 meters avstånd? Utstrålningstätheten beräknas som effekten dividerat på ytan som strålningen träffar. Alltså är U = P P/As, där As är mantelarean på sfären, As=4πr 2. Alltså är: U =. 2 4πr 70 Då r = 2m och P = 70 W blir U: 1, 4 2 4π2 = W/m Då r = 4m och P = 70 W blir U: 0, π4 = W/m 2. Svar: vid 1,4W/m 2 samt 0,34W/m 2, när r är 2 meter är P fyra gånger större än när r är 4 meter. Utstrålningstätheten, U, minskar med kvadraten på avståndet Konvektion Konvektion är ett fenomen som uppkommer i ämnen som kan vara en fluid, gaser och vätskor. Konvektion uppkommer då det finns en temperaturskillnad i fluiden. Ett exempel är i ett rum med ett element. Varm luft stiger från elementet till taket och kyls av och faller ned på golvet igen, kommer till elementet värms upp och så påbörjas den eviga cirkeln. Grunden till konvektion är att varmare ämnen blir lättare och lägger sig över de kallare tunga ämnena. Vid en eld värms brandgaserna upp och stiger till taket, när sedan gaserna har blivit tillräckligt varma tar det eld och en övertändning sker. Därför bör man krypa ur ett rum som brinner, då det ofta finns syre vid golvet och man slipper de gifta brandgaserna och koloxiderna. Formlerna för konvektion är mycket komplicerade men energin som förflyttas genom konvektion är beroende av ytans area, orientering och temperaturskillnaden mellan föremålet och dess omgivning. /8/ 25

28 2.3 Flamspridning Som tidigare nämnts kräver en eld tre saker för att kunna skapas och underhållas: Syre, bränsle och värme. Om något av dessa tas bort kommer elden att slockna på en gång. Beroende på om bränslet är i flytande-, fast- eller gasform brinner det på lite olika sätt men de har alla gemensamt att de fattar eld vid en viss temperatur, antändningstemperatur eller flampunkt Värmeupptagningsförmåga Varför brinner ett material bättre än ett annat? En bomullstuss och en träbit som har samma volym väger olika mycket, detta beror på densiteten. Bomull väger mindre per volymenhet än trä och får därför en större volym än träbiten 9. En bomullstuss har en större area än träbiten eftersom alla fibrerna är blottade samtidigt. I träbiten ligger cellulosan i olika lager där det yttersta lagret måste förbrännas innan nästa lager kan ta eld. I bomullstussen kan alla fibrer fatta eld samtidigt och därför kommer det brinna kraftigare. Densiteten är alltså en faktor. /10/ Den andra faktor är hur bra värmen sprider sig i ett material. I ett material som är kompakt kommer värmen ha svårare att sprida sig, då det är tätare mellan atomerna. Värme är ju vibrationer och rörelser hos atomerna, som sprider sig när de är tätt packade. Det är enklare att leda värme i ett material som har en hög värmeledningskoffecient. Den tredje faktorn handlar om den specifika värmekapaciteten, vilket anger hur mycket energi man behöver tillsätta ett material för att höja temperaturen en grad. Den varierar starkt mellan olika material. Generellt kan man säga att den specifika värmekapaciteten är lägre för ett material som har stor värmeledningskoffecien,t då värme sprider sig lättare i materialet. /10/ Sammanfattningsvis är de tre olika faktorer som bestämmer om hur bra ett material brinner; densiteten, värmeledningskoffecienten samt den specifika värmekapaciteten. Produkten av mätvärdena hos dessa faktorer är ett värde som kallas för värmeupptagningsförmågan: γ = kρc, där k är värmeledningskoffecienten i W/mK, ρ är densiteten i kg/m 3 samt c är den specifika värmekapaciteten mätt i J/kgK. Formel 6: Värmeupptagningsförmågan /10/ Detta är ett mått på hur bra ett material brinner. I tabellen nedan finns fem vanliga material i hemmet, deras tre mätvärden på faktorerna och produkten: Material K (W/mK) c (J/kgK) ρ (kg/m 3 ) kρc (W 2 s/m 4 K 2 ) Spånskiva 0, Träfiberskiva 0, Polyuretan 0, Stål Furuträ 0, Tabell 4: Tabell över värmeupptagningsförmågan som produkt av densiteten, den specifika värmekapaciteten och värmeledningskoffecienten. /10/ 9 Förutsatt att de väger lika mycket.

29 Ur tabellen fås att stål har det klart största värmeupptagningsförmågan och ska därför brinna bra men hur många har sett stål brinna? Stål kan brinna. Ett enkelt försök kan bekräfta detta, genom att tända eld på en bit stålull kan man observera att stål brinner kraftigt och snabbt. En spånskiva och furuträ brinner ungefär lika bra medan en träfiberskiva brinner sämre och har en tiondel av värdet av de andra på grund av en låga värmeledningskoffecienten Flamspridningshastigheten Flamspridningshastigheten är omvänt proportionell mot värmeupptagningsförmågan. Flammorna sprider sig därför snabbare i ett ämne som har ett lägre värde på värmeupptagningsförmågan. Detta leder till att ett ämne som har ett lågt värde kommer att brinna snabbt men inte avge alltför mycket energi under förloppet. /10/ Andra faktorer som också kan spela in på flamspridningshastigheten är; materialets tjocklek, ytans orientering, ytans geometri samt den omgivande miljön. Tjockleken kan minska flamspridningshastigheten för tunna material (upp till 10 mm) efter det spelar inte tjockleken längre någon betydande roll för hastigheten. Orienteringen på ytan bestämmer också hastigheten. Flammor sprider sig snabbast vertikalt rakt uppåt, när väggen lutar eller branden börjar högst upp på en vägg minskar därför hastigheten med mellan 50 och 100 gånger. /10/ Om en brand börjar i ett hörn sprider sig flammorna snabbare, detta har att göra med att vinkeln i hörnet ger en återstrålning av energi från brandhärden. Detta ökar den utstrålade energimängden och därmed ökar flamspridningen. Omgivande miljön kan ha påverkan som att om temperaturen i rummet redan är högt innan branden börjar slipper flammorna värma upp väggen till antändningstemperatur och då sprider sig flammorna snabbare än i ett kallt rum. /10/ Ett approximativt värde på hur fort flammor sprider sig kan fås av formeln: 1 v, detta gäller för naturliga material som trä men vid förbränning av plaster (speciellt kcρ 1 cellplaster) sprider sig flammorna extra fort, hastigheten av denna flamspridningen fås av v, 2 ρ här gäller istället att ju lättare ett material är ju fortare sprider sig flammorna. Formel 7: Flamspridningshastighet i naturliga material /10/ Formel 8: Flamspridningshastighet i plaster /10/ Vad betyder då dessa formler egentligen? I tabell 5 ses vissa värden från tabell 4 samt resultatet som man får vid beräkning av hastigheten av flamspridningen, enligt formel 9 och formel 10: Material ρ kρc Formel 9 Formel 10 (kg/m 3 ) (W 2 s/m 4 K 2 ) (m/s) (m/s) Spånskiva , , Träfiberskiva , , Polyuretan , , Stål , , Furuträ , , Tabell 5: Tabell över flamspridningshastigheten. /10/ 27

30 I tabellen kan observeras att de material som har störst flamspridningshastighet är Polyuretan som kan sprida sina flammor med hastigheten 1,1 mm/s. Det material som hade sämst flamspridningshastighet var stål som bara sprider sig med 6,25 nm/s. Som tidigare nämnts är flamspridningshastigheten starkt styrd av hur varmt det är i omgivningen av materialet. Då följer istället flamspridningshastigheten följande formel: För ett tunt material (ca 0,5 2 mm) gäller då denna formel istället för Formel 7: 1 v, där Tp är protolystemperaturen (antändningstemperaturen) och T0 är T T p 0 begynnelsetemperatur, alltså rummets temperatur, se kapitel För tjockare material (större än 10 mm) gäller istället följande formel: 1 v, alltså blir v mindre eftersom nämnaren är i kvadrat, detta är ganska naturligt då 2 ( Tp T0) materialet är tjockare. Formel 9 & Formel 10: Flamspridning vid uppvärmt tunt/tjockt material. /10/ Flamspridningen går fortare ju varmare ett material är, eftersom det inte behövs värmas upp lika mycket innan det avger brännbara gaser. Eftersom en flamspridning kan betraktas som en serie av antändningar kan man använda sig av dessa formler Flamspridningshastighet (m/s) h 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 Begynnelsetemperatur ( C) Figur 7: Graf över pappers flamspridningshastighet beroende på begynnelsetemperaturen. Grafen ovan visar plottat flamspridningshastigheten som funktion av begynnelsetemperaturen enligt Formel 9 och Formel 12. Den övre streckade grafen gäller för tunna material och den andra för tjockare material. Observera att skalan på y-axeln är logaritmisk, det skiljer då en tiopotens mellan varje streck.

31 Materialet är vanligt trä som har en pyrolystemperatur på ungefär 250 grader. Detta ger den maximala hastigheten vid ca 250 grader då formeln ger hastigheten 1 m/s eller som det egentligen skulle vara, övertändning. Då temperaturen närmar sig pyrolystemperaturen kommer hela föremålet att pyrolyseras samtidigt och kommer då fatta eld om en tillräcklig gnistenergi kommer i kontakt med gaserna (se kapitel 2.5.3) Lättantändlighet I princip kan man säga att ett material är mer lättantändligt än ett annat då det krävs mindre energi för att nå protolysen och därmed antändning. Detta beror på värmeledningsförmågan hos ett material då större värde ger en större spridning av värmen i materialet och då en lägre yttemperatur. Det är just yttemperaturen som bestämmer om ett ämne fattar eld eller inte, då det endast är det materialet som kan oxideras i en låga. /10/ Temperaturen hos ett material kan beräknas om man vet den tillförda värmen och värmeledningsförmågan med hjälp av dessa formler: T = Ts i 2q π t, där Ts är temperaturen vid ytan (celsiusgrader), Ti är initialtemperaturen, q är kρc tillförd värme (W/m 2 ), t är tiden i sekunder och h är värmeövergångstalet (W/m 2 K). q (1 e h t k ρ c Ts T0 = h värmeövergångstalet. 2 erfc 2 h t ) kρc, samma enheter används i denna formel men här har man tagit med Formel 11 & Formel 12: Yttemperaturen beroende på tillförd värmestrålning (med & ytan värmeövergångstal) /10/ Yttemperaturen ( C) Polyuretan Träfiberskiva Spånskiva Tid (s) Figur 8: Yttemperaturen hos tre olika material som funktion av tiden. 29

32 I grafen ovan beskrivs yttemperaturen hos tre olika plattor, där alla utsätts för samma konstanta värmestrålning, 5kW/m 2. Alla tre plattorna är av olika material; polyuretan, träfiber och spånskiva. I grafen kan utläsas att polyuretanet är det materialet som det går klart snabbast för att höja sin yttemperatur och detta är ett av skälen till att plaster brinner så bra. Om man observerar träfiberskivan och spånskivan utvecklas deras yttemperatur på ungefär samma sätt. Med dessa formel kan ett tankeexperiment utföras. För enkelhetens skull redovisas inte beräkningarna. Två till ytan identiska skivor, en spånskiva och en träfiberskiva placeras i en kammare och utsätts för en konstant värmestrålning, 20kW/m 2. Hur lång tid tar det till antändning? Genom att skriva om Formel 11 kan erhålls en formel med följande utseende, som kallas kallar tid till antändning. t a ( T = sa 2 Ti) kρc π, där Tsa är antändningstemperaturen (celsiusgrader), Ti är 2 (2q ) initialtemperaturen, q är tillförd värme (W/m 2 ), ta är tiden i sekunder till antändning och h är värmeövergångstalet (W/m 2 K). Formel 13 : Tid till antändning. Värdena som stoppas in i formeln kan hittas i tabell 10 och om initialtemperaturen sätts till 0 grader. Då fås tiden 180 sekunder för spånskivan och endast 50 sekunder för träfiberskivan. Detta beror på att träfiberskivan har en högre värmeledningsförmåga än spånskivan. Detta är bara en approximation att lägga på minne är att dessa formler är pratiskt framtagna och inte teoretiskt beräknade samt att de endast ska användas som riktmärken. Figur 9: Spånskivan här på bilden är relativt lättantändligt.