DOĞAL AFETLER ve YANGIN YANMANIN TEMEL KAVRAMLARI VE YANGIN KİMYASI Hedefler Bu üniteyi çalıştıktan sonra; Yanmanın temel kavramlarını öğrenecek, Yangın kimyasını bilecek, Yanma için gerekli üç temel bileşeni/yangın üçgenini tanıyacak, Sıcaklık ölçekleri arasındaki ilişkiyi öğrenecek, Yanma Süreci ve Aşamaları bilecek, Isı Transferi Modelleri öğrenecek ve Yanma Ürünlerinden haberdar olacaksınız.
YANMANIN TEMEL KAVRAMLARI VE YANGIN KİMYASI 3 İçindekiler YANMANIN TEMEL KAVRAMLARI VE YANGIN KİMYASI Yangın Nedir? Kimyasal Reaksiyon Olarak Yanma Süreci/Yangının Anatomisi Yangın üçgeninin bileşenleri/yanma sürecinin bileşenleri Yanma/yangın ile ilgili temel kavramlar Sıcaklık ölçekleri arasındaki ilişki Yanma Süreci ve Aşamaları Başlangıç Aşaması/ Büyüme Aşaması Serbest Yanma Aşaması/ Tamamiyle Gelişme Aşaması İçin İçin Yanma/Sönüm Aşaması Isı Transferi Modelleri İletimle Isı Transferi Yükselerek Isı Transferi Işımayla Isı Transferi Yanma Ürünleri Kendimizi Sınayalım
DOĞAL AFETLER ve YANGIN YANMANIN TEMEL KAVRAMLARI VE YANGIN KİMYASI 1. Yangın Nedir? Yangın; yanma sürecinin gözle görünür bir etkisi, kimyasal reaksiyonun özel bir tipidir. Yangın havadaki oksijen ve enerji sağlayan bazı yanıcı maddeler arasında gerçekleşir. Kimyasal reaksiyon ürünleri başlangıç materyallerinden tamamiyle farklıdır. Yangın yeterli oksijenin varlığında, yanabilecek bir maddenin, yeterli ısıya maruz kalması ile ortaya çıkar. Bu ısının kaynağı bir kıvılcım, mum, çakmak, şömine gibi, başka bir alev kaynağı ya da yoğun güneş ışığı gibi termal radyasyon olabilir. Yanma sürecinin başlayabilmesi için, yanıcı maddelerin tutuşma sıcaklığına kadar ısıtılması gerekir. Reaksiyon yeterli ısı, yanıcı madde ve oksijen olduğu sürece devam edecektir. Bu durum yangın üçgeni olarak bilinmektedir. Şekil 1. Yangın üçgeni
YANMANIN TEMEL KAVRAMLARI VE YANGIN KİMYASI 5 Yanma; yanıcı madde ile oksijen reaksiyona girerek ısı enerjisinin açığa çıkmasıdır. Yanma olayının hızı; ısı, oksijen miktarının az ve çok olmasıyla doğrudan ilgili olabilir. Odun katıdır, gazyağı sıvıdır, propan gazdır, fakat tümü yanar. 1. 1. Kimyasal Reaksiyon Olarak Yanma Süreci/Yangının Anatomisi Yanıcı maddeler katı, sıvı veya gaz olabilir. Kimyasal bir bileşiğin oksijen atomuyla reaksiyonu sonucunda yanma süreci başlar ve ısı açığa çıkar. Yanma neticesinde duman oluşur. Yangının sönmesi için yanıcı madde, oksijen ve ısı bileşenlerinden birinin ortamdan kaldırılmasıyla mümkündür. Bu da yangın üçgeninin kırılması anlamına gelir. Bileşiminde hidrojen ve karbon bulunduran organik maddeler (hidrokarbonlar) ve bileşiminde hidrojen, oksijen ve karbon bulunduran organik maddeler yanma süreci sonunda karbondioksit ve su oluşturur. 1. 2. Yangın üçgeninin bileşenleri/yanma sürecinin bileşenleri Oksijen Oksijen simgesi O² olan kimyasal bir elementtir. Aynı zamanda oksijen yanmayı gerçekleştiren renksiz ve kokusuz bir gazdır.
DOĞAL AFETLER ve YANGIN Yanma süreci için gerekli olan oksijen genellikle havadan sağlanır ve havanın bileşiminde %21 oranında oksijen bulunur (%78 nitrojen ve %1 oranında diğer gazlar bulunur). Yanmanın oluşabilmesi için havada bulunan oksijenin en az %16 oranında olması gerekir. Yaklaşık beşte biri oksijen olan hava, yangının büyümesini ve yayılmasını etkileyen en önemli faktörlerdendir. Yangın yerindeki; Hava Büyüklüğü, Rüzgar, Oksijen Üreten Kimyasal Reaksiyonların olması, Yanıcı Madde - Oksijen Oranı gibi faktörler etkendir. Oksijenin oranı yükseldikçe yanma hızı ve ısısı artar. Rüzgâr belirli bir zaman biriminde ateşe daha fazla oksijen girişine neden olduğundan körükleyici etki yapar. Şiddetli rüzgarlar yangınların yayılmasında önemli rol oynar. Yangının yayılmasında yangın odasının büyüklüğü de önemlidir. Oda büyüdükçe oksijen oranı artar. Örneğin; tiyatro ve sinema gibi büyük alanlarda yangın daha çabuk yayılır.
YANMANIN TEMEL KAVRAMLARI VE YANGIN KİMYASI 7 Yanıcı Madde Yanıcı madde yanma sürecinde yanan materyaldir. Yanıcı maddeler genelde karbon, hidrojen ve oksijen bileşenlerini içerir. Yanıcı maddeler katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç durumda bulunur. Yanıcı maddenin cinsine bağlı olarak; Alevlenme Kabiliyeti, Tutuşma Sıcaklığı, Nem Oranı ve Yüzey Kütle Oranı gibi bazı özellikler yangının büyümesini ve yayılmasını etkileyen faktörlerdir. Katı yanıcı maddeler; bir şekle ve boyuta sahiptir. Örneğin; odun ve kömür. Sıvı yanıcı maddeler; fiziksel özellikleri nedeniyle kişiler için daha tehlikeli ve söndürülmesi zordur. Bulundukları kabın şeklini alırlar. Örneğin; benzin ve gazyağı. Gaz yanıcı maddeler; bulundukları kabın şeklini almakla beraber, sabit bir hacimleri yoktur. Örneğin; metan ve propan. Isı Isı belirli sıcaklıktaki bir sistemin (cismin) sınırlarından, daha düşük sıcaklıktaki bir sisteme, sıcaklık farkı nedeniyle geçen enerjidir. Kısacası ısı; sıcaklığı yükselten enerji biçimidir. Isı matematiksel olarak hesaplanabilir ve birimi joule dur. (Ayrıca BTU/British Termal Unit ve Kalori cinsinden de hesaplanabilir).
DOĞAL AFETLER ve YANGIN 1. 3. Yanma/yangın ile ilgili temel kavramlar Kaynama Noktası Bir maddenin/sıvının kaynama sıcaklığına ulaştığı noktaya kaynama noktası denir. Bu sıvının gaz haline geçecek şekilde ısıtılmasıyla da buharlaşma başlar. British Thermal Unit (BTU) İngiliz Isı Birimi Yaklaşık 453 gr suyun sıcaklığının 1 F yükseltilebilmesi için gereksinim duyulan ısıdır. Kalori 1 gr suyun sıcaklığının 1 C yükseltilebilmesi için gerekli olan ısıdır. Santigrat/Selsiyus Santigrat skalasında, 0 C buzun ergime noktasına, 100 C da suyun kaynama noktasına karşılık gelir.
YANMANIN TEMEL KAVRAMLARI VE YANGIN KİMYASI 9 Endotermik ısı reaksiyonu Bir kimyasal reaksiyonda yanıcı maddenin emdiği/(absorbe ettiği) ısı enerjisi. Egzotermik ısı reaksiyonu Bir kimyasal reaksiyonda yanıcı maddenin dışarı verdiği ısı enerjisi. Fahrenayt Fahrenayt skalasında 32 buzun ergime noktasına 212 ise suyun kaynama noktasına karşılık gelir. Yanma noktası Sıvı bir yanıcı maddenin bir kez ateş aldıktan sonra sürekli olarak yanmayı beslemeye yetecek oranda buhar üretebileceği ısıdır. Alev alma Bir yanıcı maddenin ilk ateş almadan sonra yanmaya başlaması. Parlama noktası Sıvı bir yakıtın havayla ateş oluşturabilecek bir karışım oluşturmaya yeterli buhar çıkardığı en düşük ısı değeridir. Bu sıcaklıkta, yanıcı buharlar parlayacak fakat yanmaya devam edemeyecektir. Tutuşma sıcaklığı Ayrı bir ateşleme kaynağı olmaksızın yanmanın kendi kendini besleyebilmesi için hava içindeki yakıtın ulaşması gereken en düşük sıcaklık.
DOĞAL AFETLER ve YANGIN 1. 4. Sıcaklık ölçekleri arasındaki ilişki Sıcaklığı ölçmek amacıyla kullanılan ölçekler arasında en yaygın olanları; Santigrat, Fahrenayt ve Kelvin dir. Bunların dışında Rankine de kullanılmaktadır. Şekil 2. Sıcaklık ölçekleri arasındaki ilişki 2. Yanma Süreci ve Aşamaları Yanma sürecindeki aşamaların iyi tanımlanması, yangın söndürme işinin sağlıklı olarak gerçekleşebilmesi açısından çok büyük önem taşır. Çünkü yangınla mücadelede farklı aşamalar için farklı taktik ve araçlar söz konusudur. Her bir aşamada oda sıcaklığında ve atmosferik bileşimde farklılıklar söz konusudur. Yanma sürecinin aşamaları bazı kaynaklarda üç bazı kaynaklarda da dört olarak verilmektedir. Biz burada üç temel aşamayı ele alacağız.
YANMANIN TEMEL KAVRAMLARI VE YANGIN KİMYASI 11 Çünkü bizim birinci aşama olarak ele alacağımız; Başlangıç ve Büyüme aşaması diğer kaynaklarda iki aşama olarak ele alınmaktadır. 2.1. Başlangıç (incipient phase) Aşaması/ Büyüme Aşaması Ortamda; yanıcı madde, oksijen ve ısı mevcuttur. Yanıcı madde, tutuşma sıcaklığına kadar ısınmış durumdadır. Bu yanma/yangın sürecindeki ilk aşamadır, havadaki oksijen miktarı önemli seviyede düşmemiştir ve yanma su buharı CO₂/(karbondioksit), düşük oranda SO₂/(sülfür-dioksit), CO/(karbon-monoksit) vb. gazlar üretir. Oda içindeki (ortamdaki) sıcaklık 537 C (1000 F) civarındadır. Sıcaklık yavaş yavaş yükselir. Şekil 3. Başlangıç (incipient phase) Aşaması/ Büyüme Aşaması 2.2. Serbest Yanma Aşaması/ Tamamiyle Gelişme Aşaması (Free Burning Phase/Fully Developed Stage) Yanma sürecindeki ikinci aşamadır. Bu aşamada havadaki zengin oksijen, aleve dönüşerek konveksiyonla (ısınan havanın yükselmesi prensibine bağlı olarak) yükselir. Bu süreçte daha üst seviyede de yanabilecek olan tüm materyaller yanmaya başlar.
DOĞAL AFETLER ve YANGIN Yine bu aşamada ilave yanıcı materyaller ortama dahil olmaya ve yangın genişlemeye başlar. Sıcak gazlar toplanarak tavana doğru yükselir ve alevli yanmalar görülür. Şekil 4. Alevli yanma öncesi Şekil 5. Alevli yanma Alevli yanmalar ölümcüldür. Oksijen tüketimi hızla düşmektedir. Bu ısınan hava yangınla mücadele eden ekibin solunumunda problem çıkartır ve onları solunumla ilgili ekipman kullanmaya zorlar. Bu ısınan hava akciğerlerde yanma ve kavrulmalara neden olabilir.
YANMANIN TEMEL KAVRAMLARI VE YANGIN KİMYASI 13 Bu aşamada ortamda bulunan yanıcı maddenin türü, odanın büyüklüğü (ölçüsü) ve oksijen miktarı yangını/yanmayı etkiler. Parlama (flashover) ve ani alevlenmeler (flameover) oluşarak yangın serbest yanma aşamasına geçer. Bu aşamadan sonra, için için yanma aşamasında patlamalar oluşabilir. Parlama (Flashover) Parlamada, ortamda yükselmiş olan yanıcı gazlar (tavan bölgelerine toplanmış olan gazlar) yanmaya başlar. Bu durum ortam sıcaklığının daha da yükselmesine neden olur. Bunun sonucunda da ortamda bulunan tüm yanıcı maddeler yangına dahil olur. Şekil 6. Parlama Bu süreçte havadaki tüm oksijen yanıcı maddelerle reaksiyona girmiş ve ortamdaki oksijen bitme aşamasına gelmiştir. Bu aşamadan sonra şiddetli yanma yerini için için yanmaya bırakır.
DOĞAL AFETLER ve YANGIN 2.3. İçin İçin Yanma/Sönüm Aşaması (Decay Stage) Yanma sürecinin üçüncü aşamasıdır ve alevler azalmaya/durmaya başlar. Artık köz oluşmuştur. Yanıcı maddeler neredeyse tamamen tükenmiştir. Ortam zehirli gaz ve dumanla dolmuş ve ortamın basıncı artmıştır. Ortamda hidrojen (H₂) ve metan (CH 4 ) gibi yanıcı/patlayıcı gazlar birikmiştir. Bu gazlar ortamı yangın söndürme ekibi açısından daha tehlikeli duruma sokar ve muhtemel patlamalar oluşabilir. Şekil 7. İçin İçin Yanma/Sönüm Aşaması (Decay Stage) Patlama/ (Backdraft) İçin için yanma aşamasında patlamalar büyük risk taşır (Eğer yangın kapalı bir ortamdaysa). İçin için yanma aşamasında yanma tamamlanmamıştır. Çünkü ortamda yangını sürdürme için yeterli oksijen yoktur. Burada uygun olan biriken patlayıcı gazların havalandırma yöntemleriyle yapıdan/ortamdan uzaklaştırmadır. Yanma oksidasyona neden olur. Oksidasyonda oksijenin diğer elementlerle kimyasal olarak reaksiyonu anlamına gelir. Karbon ağacın ve diğer bazı materyallerin doğal olarak yüksek oranda bulunduğu bir elementtir.
YANMANIN TEMEL KAVRAMLARI VE YANGIN KİMYASI 15 Odun yandığı zaman karbon, oksijenle birleşir ve CO2 veya CO oluşur. Eğer ortamda yeterli oksijen yoksa serbest karbon salınımı oluşur. Bu yoğun karbon salınımı patlamanın habercisidir. Şekil 8. Patlamadan önce Şekil 9. Patlamadan sonra Aşağıdaki bazı durumlar patlamanın göstergesidir; Siyah dumanın yoğunlaşarak gri-sarıya dönmesi Aşırı ısınma Az veya hiç görünmeyen alev Dumanın fazla olması Aralıklı olarak binadan duman salınımı Dumanla lekelenmiş camlar Boğuk sesler Yangın bölgesine açılma olduğunda havanın içeri ani hareketi.
DOĞAL AFETLER ve YANGIN Bu tür durumlarda havalandırma sağlanarak (bu gazların boşaltılması) olumsuz etkilerden kaçınılabilir. Eğer binanın üst noktasında bir açılma sağlanırsa ısınan gazlar ve duman salınır ve patlama riski önlenebilir. 3. Isı Transferi Modelleri Ekzotermik bir kimyasal reaksiyon olan yangın, sürekli ısı üreterek zincirleme olarak yakında ki maddeleri tutuşma sıcaklığına ulaştırarak büyümekte ve yayılmaktadır. İletimle Isı Transferi (Conduction); katı bir nesne/cisim boyunca ısı transferidir. Örneğin kötü bir iletken olan bir "beton duvar" yangın ortamındaki ısıyı diğer ortama iletir. Duvarın öbür tarafındaki yanıcı maddeler (dolap, sandalye) tutuşma sıcaklığına kadar ısınarak yanar. Bu sebeple yangına müdahale ekipleri henüz hiçbir yanma belirtisi göstermeyen duvara su sıkarak soğutma yapar. Şekil 10. İletimle Isı Transferi (Conduction)
YANMANIN TEMEL KAVRAMLARI VE YANGIN KİMYASI 17 Yükselerek Isı Transferi (Convection); hava ve sıvı akımıyla ısının transferidir. Yükselerek Isı Transferinde gaz yada sıvı akışkan vardır. Yangın ürünü olan kızgın duman, baca etkisi ile yükselerek üst katlara ısı aktarmakta ve yangını taşımaktadır. Şekil 11. Yükselerek Isı Transferi (Convection) Işımayla Isı Transferi (Radiation); görünmez ışık dalgaları yoluyla ısı transferi. Arada iletken veya akışkan olmamasına karşın, güneş ışınlarının yeryüzüne ulaşarak ısınmaya neden olduğu gibi ısı ışın olarak yayılmakta ve ortamdaki maddeyi tutuşma sıcaklığına yükseltmektedir. Şekil 12. Işımayla Isı Transferi (Radiation)
DOĞAL AFETLER ve YANGIN 4. Yanma Ürünleri Bir yanıcı maddenin yanması durumunda kimyasal bir değişim yaşanır. Sürece katılan maddelerden hiç biri yok olmaz fakat farklı bir madde veya enerjiye dönüşür. Tüm kimyasal reaksiyonlarda olduğu gibi yanma olayında da reaksiyon çıktıları vardır. Yanma sonucu ortaya çıkan ürünlerin cinsi ve miktarı, yanan maddelerin özelliklerine, miktarına ve yanmanın tam veya kısıtlı yanma olmasına göre değişir. Yanma sonucunda dört ürün ortaya çıkar. Duman: yanma sonucu açığa çıkan gaz, su buharı ve çeşitli katı maddeler ile sıvı haldeki parçacıklardan oluşan bir karışımdır. Yanmanın en tehlikeli ürünlerindendir. Karbonmonoksit, Karbon-dioksit, Kükürt ve Azot-oksitler ile su buharından oluşur. Duman içindeki yangın gazları: yanıcı maddeye göre değişiklik gösterir. Alev: Genellikle hızlı tepkimeye giren yanan maddelerde ısı, çoğu zaman da ışık yayan gaz kütlelerine alev denir. Alev yanma olayının gözle görülen kısmıdır. Özellikle tam yanma durumunda çok net gözlenir. Kızıl renktedir fakat oksijen azaldıkça alev sarı renge dönüşür. Yanma sonucu oluşan gazların türleri ve miktarları alev rengini etkiler. Isı: Yangının başlamasıyla birlikte ortamda sıcaklık hızlı bir şekilde yükselir. Genellikle yangınlarda ilk 5 dakikada sıcaklık 500 C ın üzerine çıkmakta 1 saat içinde ise ortam sıcaklığı 927 C ta yükselmektedir. Yüksek hararet insan vücudunda problemlere neden olmaktadır. Derinin yanmasıyla deri altında bulunan ter bezleri tahrip olur.
YANMANIN TEMEL KAVRAMLARI VE YANGIN KİMYASI 19 Vücutta bulunan toksik maddeler ter bezleri yoluyla dışarı atılamazsa kan zehirlenmesine neden olarak yaşamların son bulmasına sebep olabilir. Yüksek sıcaklık dolayısıyla; Proteinler pıhtılaşmaya başlar, Kan basıncının artması ile hayati organlarda iç kanamalar oluşabilir, Kalbin ritmik temposu bozulur, Aşırı su kaybı ve solunum zorluğu meydana gelir. Bunların sonucu da ölümdür. Şekil 13. Yanma ürünleri
DOĞAL AFETLER ve YANGIN Kendimizi Sınayalım Aşağıdaki soruların cevaplarını doğru şıkkı seçerek ya da Doğru ve Yanlış seçeneklerini seçerek cevaplayınız. 1. Bir yanıcı maddenin yanabilmesi için, ortamda en az %16 oranında O 2 bulunması gerekir. 2. Yangının başlamasında yanıcı maddenin tutuşma sıcaklığına ulaşması önem taşımaz. 3. Sıcaklığı ölçmek amacıyla kullanılan ölçeklerden Santigrat a göre suyun kaynaması 100 C a denk gelirken Kelvin ölçeğine göre 150 ye karşılık gelir. 4. Bir kimyasal reaksiyonda yanıcı madde dışarıya ısı enerjisi veriyorsa bu Egzotermik ısı reaksiyonudur. 5. Oksijenin oranı yükseldikçe yanma hızı ve ısısı artar. 6. Sıcak bir çorba içindeki bir metal kaşığın ısıyı transferi metodu aşağıdaki hangi şık için doğrudur? a. İletimle ısı transferi b. Yükselerek ısı transferi c. Işınımla ısı transferi 7. Güneş ışınlarını hangi ısı transferi metodu ile bize ulaştırır? a. Yükselerek ısı transferi b. İletimle ısı transferi c. Işınımla ısı transferi 8. Bir mikrodalga fırın yemeğinizi hangi ısı transferi metodundan faydalanarak ısıtır? a. Yükselerek ısı transferi b. Işınımla ısı transferi c. İletimle ısı transferi
YANMANIN TEMEL KAVRAMLARI VE YANGIN KİMYASI 21 9. Elbiselerinizi ütülemede kullandığınız ütüde, iletimle ısı transferi metodu kullanılır. a. Doğru b. Yanlış 10. Eğer bir kamp ateşi etrafında oturuyor ve ısınıyorsanız yükselerek ısı transferi metodunu kullanıyorsunuz demektir. a. Yanlış b. Doğru Cevaplarınızı cevap anahtarından hareketle değerlendiriniz, yanlış cevapladığınız ya da tereddütte kaldığınız soruları konulara geri dönerek irdeleyiniz. CEVAP ANAHTARI 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Doğru Yanlış Yanlış Doğru Doğru A C B Doğru Doğru