1.- El fuego y los incendios. 2.- Fundamentos del fuego. Química del

1.- El fuego y los incendios. 2.- Fundamentos del fuego. Química del

1.- El fuego y los incendios.
2.- Fundamentos del fuego. Química del fuego.
3.- El Tetraedro de fuego.
4.- Cambios de estado de la materia. La pirólisis.
5.- El fuego. Clasificación.
5.1.- Naturaleza del combustible.
5.2.- Tipo de manifestación.
5.3.- Velocidad de reacción.
6.- Productos de la combustión. Análisis físico-químico.
6.1.6.2.6.3.6.4.-
Las llamas.
El humo.
Gases de combustión.
Calor.
7.- Resumen del capítulo.
1.- El fuego y los incendios.
El descubrimiento del fuego es considerado desde
siempre como uno de los hitos más importantes en la
historia de la humanidad. En épocas prehistóricas marca
un antes y un después en la historia del hombre, y a lo
largo de la historia sigue unido a los grandes avances
científicos y técnicos de la humanidad.
En la actualidad, y solo por poner un ejemplo, la práctica
totalidad de los medios de transporte siguen basándose
en motores que utilizan la combustión para transformar
la energía química del combustible en movimiento.
Motores de combustión interna en barcos y automóviles,
y turbinas en sus distintas variantes para los aviones.
Adelantemos ideas.
Fuego: Reacción química que se produce cuando
interacciona un elemento llamado combustible con otro
llamado comburente. Esta reacción se caracteriza por
la producción de calor (exotérmica), radiación
electromagnética visible (luz) y como toda reacción
química genera unos productos finales o de desecho
(CO2 , CO, cenizas, humo...).
¿Estará el fuego detrás del calentamiento global y efecto
invernadero? Muy probablemente... Pero eso es otra
historia.
En un par de párrafos, hemos pasado del fuego como
gran benefactor de la humanidad a asesino silencioso
de la misma... ¿Qué ocurre? ¿Tiene el fuego dos caras?
La respuesta es sí. Y en este manual no queremos
abordar la temática medioambiental del mismo, que
puede ser objeto de otro curso, sino su cara más salvaje
y descontrolada: Los incendios.
Roma Antigua. Todos hemos escuchado la historia de
Nerón tocando la lira mientras Roma ardía. ¿El mayor
incendio provocado de la historia? Con independencia
de la opinión de los historiadores sobre si Nerón ordenó
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el incendio de Roma (del que posteriormente fueron
culpados los cristianos), el hecho indiscutible es que el
incendio existió. Duro 6 días y 7 noches y devastó la
ciudad.
Principios del XX. San Francisco. En 1906 un terremoto
de 7,8 grados en la escala Richter sacude California.
Independientemente de los daños directos del terremoto
(muy importantes), la mayoría de las víctimas (entre
3.000 y 6.000) y daños materiales se producen por los
posteriores incendios que el terremoto provoca y la rotura
de las tuberías de abastecimiento de agua que deja sin
recursos a los bomberos.
Más cercanos.
Madrid 1983. Un incendio en una discoteca provoca 81
muertes.
Camping de Los Alfaques 1978. La deflagración de un
camión cisterna cargado con propileno provoca la muerte
de 320 personas.
Nueva York 11 de septiembre de 2001. Las torres
gemelas del WTC no caen como consecuencia del
impacto de los aviones, sino al colapsar la estructura
por el posterior incendio.
El objetivo de este manual es servir de referencia y
mejorar la capacidad de actuación frente a los incendios,
de todos aquellos alumnos que sigan el curso. Para ello,
en este primer tema trataremos de conocer mejor el
fuego.
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2.- Fundamentos del fuego. Química del fuego.
Adelantábamos en el apartado anterior que el fuego era
el resultado de una reacción química. En concreto de
una reacción química de combustión.
Para nota.
Técnicamente se define la combustión como aquella
reacción no reversible de oxido-reducción (o redox), que
se produce a gran velocidad desprendiendo energía
térmica. El elemento que se oxida se denomina
combustible, y el que se reduce se denomina comburente.
En la práctica totalidad de los casos de incendio, el
comburente que vamos a encontrar va a ser el aire. O
más concretamente el oxígeno del aire, ya que el otro
componente mayoritario del aire, el nitrógeno, es un
inerte, y por tanto no participa en la reacción.
En capítulos posteriores estudiaremos la utilidad de los
inertes en la lucha contra el fuego
Componentes del aire
Nitrógeno
Oxígeno
Argón
Otros (CO2, H2O...)
%
78,03
20,90
0,03
0,04
De manera que una vez establecido que nuestro
comburente va a ser el oxígeno, podemos definir el
combustible como toda sustancia capaz de combinarse
con el oxígeno de forma rápida y exotérmica. Y la
combustión como el proceso en el que se realiza la
mencionada combinación.
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Ya hemos presentado a los actores principales del fuego:
Combustible y oxígeno. Sin embargo, para conseguir
fuego es necesario algo más.
En la prehistoria fue necesaria la caída de un rayo sobre
un árbol para conseguir el fuego.
Para determinar que nos falta vamos a estudiar tres
ejemplos:
1. Supongamos que tenemos un gas inflamable en
contacto con oxígeno (imaginemos una cocina de gas
en la que abrimos uno de los quemadores), en principio
la combustión no se produce, pero en el momento que
salta una simple chispa la combustión comienza de
inmediato. Si la cantidad de gas acumulada es
importante, esa chispa puede dar lugar no solo a una
combustión sino a una deflagración o explosión.
2. Estudiemos ahora el caso del alcohol. El hacer
saltar una chispa cerca de él en condiciones ambiente,
no tiene porque producir la combustión. Sin embargo,
si acercamos una pequeña llama, una cerilla,
provocaremos la combustión del alcohol. Es más. Si
en lugar de alcohol contemplamos otro líquido como
la gasolina y la chispa la hacemos saltar en el interior
del pistón de un coche (mediante una bujía), no solo
conseguiremos la combustión, sino una explosión
controlada.
3. Veamos ahora el caso del carbón. Todos hemos
visto o incluso intentado encender una barbacoa. No
basta con una chispa, ni siquiera con la llama de una
cerilla. Es necesario impregnar el carbón con líquido
inflamable o aportar calor de alguna otra forma, para
que el carbón comience a arder.
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¿Qué está pasando?
Para justificar estos fenómenos, debemos introducir el
concepto de Energía de Activación.
En general, en toda reacción química es necesario aportar
energía a los reactivos para conseguir los productos.
Esto es válido para las reacciones de combustión y
afortunadamente provoca que los árboles u otros
materiales combustibles no salgan ardiendo de manera
espontánea en contacto con el oxígeno del aire. ¿Pero
por qué la energía de activación varía de unos
compuestos a otros? La respuesta a esta pregunta no
es inmediata, y en buena medida se sale del objeto de
este curso, pero vamos a tratar de daros una respuesta
sencilla atendiendo solamente al estado físico en que
se encuentran los compuestos reactivos. Damos por
sentado que en nuestro caso uno de los reactivos está
siempre en forma gaseosa, ya que se trata del oxígeno
del aire.
En general, debemos decir que para que una reacción
se produzca, es necesario que exista un contacto íntimo
entre los reactivos. Por esta razón y dado que uno de
nuestros reactivos es gaseoso, la combustión que más
fácilmente se va a llevar a cabo es en fase gas. Si la
concentración de Oxígeno y combustible es adecuada.
Es decir, si en el momento de saltar la chispa existen
átomos de oxígeno y gas combustible en el entorno
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donde salta, la propia chispa aportará energía suficiente
para que la reacción se produzca.
En el caso de un líquido, no existe un contacto estrecho
entre los átomos. Estos solo pueden reaccionar a través
de la superficie del líquido, que además, tiene tendencia
a mantener todos sus átomos unidos, a diferencia del
gas que se disipa y mezcla rápidamente. En estos casos,
una chispa puede no ser suficiente, y es necesario una
pequeña llama que evapora parte del líquido que
inmediatamente se mezcla con el oxígeno y continua la
combustión empezada por la llama. La cantidad de
energía de activación necesaria depende del tipo de
combustible. Algunos son muy ligeros y se evaporan
muy fácilmente por lo que arden con suma facilidad.
Otros como el aceite hay que calentarlos de manera
importante para que consiga arder.
Para nota.
En determinadas condiciones, como en el interior de un
motor diesel, al gasoil se le aporta la energía de activación
de manera mecánica, comprimiendo el aire en el pistón
e inyectando al gasoil a muy alta presión. En estas
condiciones, la mezcla explota sin necesidad de que
salte ningún tipo de chispa o llama.
¡Atento! Este bloque no es sencillo.
En cuanto a las reacciones químicas entre sólidos
podemos decir que no se producen, o están muy
desfavorecidas (podemos contemplar reacciones lentas
como la oxidación del acero, pero poco más). Ello se
debe a que los átomos en los sólidos se encuentran muy
fuertemente unidos los unos a los otros, de manera que
es difícil que el átomo exterior de oxígeno consiga separar
a un átomo de carbón del resto de átomos con los que
se encuentra formando una fuerte estructura. Por eso,
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para quemar el carbón es necesario aportar una
importante cantidad de energía de activación en forma
de calor. Con esta operación conseguimos que los átomos
de carbón empiecen a vibrar dentro de su estructura,
además, el carbón que no suele estar en forma pura,
comienza a dejar escapar compuestos volátiles, que al
vibrar pasan fácilmente al estado vapor. Estos
compuestos en fase vapor y muy calientes arden
rápidamente al encontrar el oxígeno del aire, de manera
que desprenden calor que ayuda a calentar el carbón.
Como consecuencia, algunos átomos de carbón alcanzan
un estado de energía que ya les permite salir ardiendo.
Al arder proporcionan energía a los átomos cercanos
que alcanzan también la energía necesaria para arder.
Hemos provocado la Reacción en Cadena.
Esta reacción en cadena, es la misma que nos permite
que en el caso gaseoso no sea necesario hacer saltar
chispas constantemente. Mientras exista oxigeno y
combustible, la propia energía desprendida por la reacción
facilitará la energía de activación necesaria para que el
resto de reactivos culmine la combustión. En el caso
líquido la explicación es la misma.
Para nota.
Los distintos productos que se venden para encender
barbacoas, están formados por compuestos muy volátiles,
bien en forma líquida o bien “encerrados” en un cuerpo
sólido por comodidad para la venta, transporte y uso.
Su función es procurar la energía de activación necesaria
hasta que el carbón alcanza el nivel de energía (vibración)
que le permite seguir ardiendo por sí solo.
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Pista Fogatín
Olvídate de estados de la materia, sólidos, líquidos y
gaseosos... Piensa que estas en el campo y tienes que
encender una fogata. Dispones de un grueso tronco,
algunas ramas, paja seca y una sola cerilla (la energía
de activación). ¿Cómo lo harías? ¿Intentarías encender
el grueso tronco con la cerilla? No, ¿verdad? Lo lógico
es encender la paja seca con la cerilla, la paja encenderá
las ramas y el calor desprendido por la paja y ramas
encenderá el grueso tronco. Debes hacerte la idea de
que el gas es como la paja, arde muy fácilmente, y se
consume muy rápido, el líquido es como las ramas, no
es demasiado costoso hacerlo arder, y tarda algo más
en consumirse y por último el sólido sería como el grueso
tronco, es necesario aportarle mucha energía para hacerlo
arder, pero después tarda mucho en consumirse.
3.- El Tetraedro de fuego.
Tradicionalmente y de acuerdo a lo estudiado en el
apartado anterior, son necesarios tres factores para
conseguir que se produzca el fuego:
- Combustible.
- Comburente.
- Calor o Energía de Activación.
Durante mucho tiempo se pensó que estos tres factores
eran los únicamente necesarios para existiera el fuego,
de manera que se definió el conocido como Triangulo
de Fuego.
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En él se representaban en cada uno de los lados uno
de los tres factores mencionados, indicando que si en
algún momento faltaba uno de los lados, desaparecería
el triángulo, y con ellos el fuego.
Esta explicación es absolutamente cierta, pero no tiene
en cuenta el fenómeno ya introducido de la reacción en
cadena, y sin él, el fuego se extinguiría por si solo cuando
cesase la causa que lo ha originado (chispa, llama,...).
Por ello, el concepto de triángulo de fuego evolucionó
hasta el más reciente Tetraedro o Pirámide de Fuego.
TRIÁNGULO DEL FUEGO
COMBUSTIBLE
COMBURENTE
ENERGÍA
Su representación es análoga a la indicada para el
triángulo de fuego, pero incluyendo el elemento reacción
en cadena. En cada cara del tetraedro se colocan cada
uno de los factores necesarios para que exista el fuego.
Si falta una de las caras, desaparece el tetraedro y con
ello el fuego.
Curiosidad.
Se utilizó un tetraedro en lugar de un cuadrado, porque
un lado del cuadrado solo está en contacto con otros
dos, mientras que cada cara del tetraedro está en contacto
con las otras tres. Una forma más de indicar que deben
darse los cuatro factores a un tiempo para que se
produzca el incendio.
Adelantando ideas.
Como ya habréis imaginado, los distintos métodos de
lucha contra los incendios deben atacar a una o más
caras de ese tetraedro.
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4.- Cambios de estado de la materia. La pirólisis.
En el apartado 2, ya se determinó como tenían lugar las
reacciones de combustión en estado sólido, líquido y
gaseoso. Ahora debemos de avanzar un paso más
indicando que los únicos combustibles que arden son
los gaseosos. Sólidos y líquidos no pueden hacerlo.
Dejando claro que entendemos por arder, la formación
de llama. La llama es un fenómeno visible que solo puede
producirse en fase gaseosa.
Sin embargo, nuestra propia experiencia nos dice que
hemos visto arder (con llama) combustibles líquidos e
incluso sólidos. Esto es debido a que la cualidad de
sólido, líquido y gaseoso no es intrínseca a los distintos
cuerpos. Por el contrario, este estado de la materia
depende de las condiciones de presión y temperatura a
que esté sometido el cuerpo y es posible y de hecho se
da con frecuencia el cambio de uno a otro, estando
influidos estos cambios por la presión y la aportación de
calor. Como el fenómeno del fuego lleva consigo una
importante aportación de calor, en el mismo se dan los
cambios desde el estado líquido y sólido hacia el gaseoso.
Todos conocemos los tres estados del agua:
Hielo, agua líquida y vapor de agua.
Se indican a continuación la denominación que reciben
los fenómenos de cambios de estado que normalmente
observamos:
Sólido
Líquido
Fusión
Líquido
Solidificación
Evaporación
Condensación
Gas
De esta manera, cuando vemos arder un líquido (alcohol,
gasolina...), en realidad lo que vemos arder son los
vapores del mismo, que han pasado a la fase gas gracias
al aporte de calor proporcionado. Sin embargo, cuando
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vemos arder un sólido, rara vez se ha producido un
proceso de fusión y posterior evaporación. El que suele
darse es un proceso más complejo denominado pirólisis.
La pirólisis es una descomposición térmica de la materia.
Es una fase previa a la combustión, en la que se generan
los gases que realmente arden. La combustión de estos
gases aporta el calor necesario para que se produzca
la reacción de descomposición y se generen más gases
(una vez más reacción en cadena). Podemos considerar
los 250ºC como la temperatura necesaria para que
comience la pirólisis.
5.- El fuego. Clasificación.
Como hemos visto hasta ahora, el fuego es un proceso
bastante complejo en cuanto a su estudio y
caracterización, ya que depende de multitud de factores
normalmente difíciles de controlar. Esto provoca que
tampoco sea sencillo realizar una clasificación única de
la tipología de los fuegos. Por el contrario, podemos
encontrar multitud de clasificaciones de fuegos atendiendo
a los más diversos parámetros. Vamos a indicar en este
apartado algunas de ellas:
1. Por la naturaleza del combustible.
2. Por la forma de manifestarse.
3. Por la velocidad de reacción.
5.1.- Naturaleza del combustible.
Fuegos clase A.
Implican a combustibles sólidos con una alta temperatura
de fusión y que producen brasas en la combustión tales
como papel, madera, textiles, carbón, goma, algunos
tipos de plásticos, ...
Recordatorio.
Este tipo de combustibles debe sufrir el proceso de
pirólisis antes de poder arder.
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Fuegos clase B.
Son aquellos que implican a combustibles líquidos como
gasolina, alcohol... o aquellos sólidos con una baja
temperatura de fusión como alquitrán, grasas, algunas
ceras y plásticos, ...
Fuegos clase C.
Son aquellos en los que intervienen directamente gases
inflamables como el hidrógeno, butano, propano...
Fuegos clase D.
Son incendios en los que intervienen “metales
combustibles”. Hablamos de elementos químicos del tipo
magnesio, sodio, potasio, o muchos otros cuando se
encuentran reducidos en finas virutas. Estos metales, al
contrario de los normalmente utilizados como hierro o
cobre, experimentan una oxidación tremendamente rápida
y en ocasiones violentas que puede dar lugar a incendios
e incluso explosiones.
Merece especial atención la reacción que ocurre entre
estos elementos y el agua. Es tal la avidez de oxígeno
de estos metales, que son capaces de descomponer la
molécula de agua para obtener el oxígeno de la misma:
2Na + 2H2O
2NaOH + H2
El sodio reacciona con el agua para dar lugar a hidróxido sódico
(sosa cáustica) e hidrógeno.
El hidrógeno desprendido en esta reacción suele ser el
responsable de las explosiones que hemos indicado
ocurren en la oxidación de este tipo de metales.
Adelantando ideas.
Como podréis entender, en este tipo de incendios no
vamos a utilizar agua en la extinción.
Estos son los cuatro tipos de fuego normalmente
reconocidos en la clasificación basada en el tipo de
combustible. No obstante, es fácil que encontremos algún
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otro tipo clasificado por letras, por lo que los enunciamos
a continuación:
Fuegos con riesgo de electrocución (también
conocidos como clase E).
No son más que fuegos de alguno de los tipos
anteriormente descritos en los que existen en las
proximidades objetos bajo tensión eléctrica (cualquier
electrodoméstico conectado) y pueden suponer riesgo
de electrocución si se utilizan agentes extintores
conductores de la electricidad. En Estados Unidos a
estos fuegos se les denomina clase C (no disponen de
categoría para los fuegos provocados por gases. Las
clases A, B y D son análogas a las europeas).
Fuegos clase F.
En Europa y Australia se distinguen aquellos incendios
que implican grasas y aceites de cocina, ya que las altas
temperaturas de los aceites en un incendio exceden con
mucho las de otros líquidos inflamables, haciendo
inefectivos los agentes de extinción normales (en España
esta clase se incluye en la B).
Fuegos clase K.
A veces suele añadirse un quinto grupo, la Clase K. Se
refiere a los incendios que implican grandes cantidades
de lubricantes o aceites. Aunque, por definición, la Clase
K es una subclase de la Clase B, las características
especiales de estos tipos de incendios se consideran lo
suficientemente importantes para ser reconocidos en
una clase aparte.
5.2.- Tipo de manifestación.
Combustión con llamas.
Es la que se manifiesta normalmente en fuegos e
incendios. Las llamas pueden observarse a simple vista
y son producto de la combustión de gases, líquidos que
se han evaporado, o sólidos que han sufrido el proceso
de pirólisis.
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Combustión Incandescente.
Es aquella que se produce sin que se presenten llamas
visibles. La combustión incandescente se puede producir
por una de las siguientes causas:
-El combustible sólido no contiene en su composición
sustancias que puedan desprenderse por efecto del calor
(vaporización o pirólisis) en forma de gases o vapores,
para dar lugar a llamas.
-El combustible ha agotado todas las sustancias volátiles
que podía vaporizar.
Esto es lo que ocurre en las chimeneas cuando la madera
ya casi se ha consumido y solo quedan las brasas.
Combustión Incompleta.
Es aquella que se da en atmósferas con bajo contenido
en oxígeno. Lo habitual es que se produzcan en recintos
cerrados, donde el propio fuego va consumiendo oxígeno.
El caso más habitual es la combustión incompleta del
carbono a monóxido en lugar de a dióxido:
C + ½ O2
CO
Incompleta. Formación de monóxido de Carbono.
C + O2
CO2
Completa. Formación de dióxido de Carbono
El peligro de esta reacción incompleta es doble:
1. El monóxido de carbono es un gas muy tóxico,
incoloro e inodoro, por lo que es susceptible de
ocasionar la muerte cuando se respira en
concentraciones suficientes.
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Efectos tóxicos del Monóxido de Carbono
CO
(partes por millón)
Porcentaje CO
en el aire
Síntomas
100
0,01
Ningún síntoma - ninguna lesión
200
0,02
Dolor de cabeza leve, pocos síntomas.
400
0,04
Dolor de cabeza después de 1 a 2 horas.
800
0,08
Dolor de cabeza después de 45 minutos,
náuseas, colapso, e inconsciencia después de
2 horas .
1000
0,10
Riesgo de inconsciencia después de una hora
1.600
0,16
Dolor de cabeza, vértigo, náuseas después de
20 minutos
3.200
0,32
Dolor de cabeza, vértigo, náuseas después de 5
a 10 minutos, inconsciencia después de 30 min.
6.400
0,64
Dolor de cabeza, vértigo después de 1 a 2
minutos, inconsciencia después de 10 a 15 minutos
12.800
1,28
Inconsciencia inmediata, peligro de muerte con
una exposición de 1 a 13 minutos
Para nota.
El monóxido de carbono tiene una afinidad con la
hemoglobina (responsable de transportar el oxígeno por
la sangre) 250 veces mayor que el oxígeno. Por ello,
ante una mínima concentración de CO, la hemoglobina
del cuerpo se satura del mismo y el individuo muere al
no llegar al organismo el oxígeno. A la unión del monóxido
y la hemoglobina se denomina carboxihemoglobina.
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1. Si en un recinto cerrado existe una gran cantidad de
monóxido de carbono a alta temperatura, como el que
se ha generado en un incendio confinado, hay grandes
probabilidades de que se produzca el fenómeno
denominado Backdraft.
Backdraft.
Si ante las condiciones descritas anteriormente (gran
cantidad de monóxido de carbono, ausencia de oxígeno
y altas temperaturas dentro de un recinto cerrado) se
produce una entrada de oxigeno (se abre una puerta),
suelen generarse grandes combustiones instantáneas
del monóxido a dióxido de carbono, verdaderas
explosiones en ocasiones. En este fenómeno, existe
combustible disponible (y ya en fase gas), existe la
energía de activación (alta temperatura), pero no existe
oxígeno (falta un lado del triángulo). Dependiendo de la
cantidad que exista de los dos primeros factores (CO y
temperatura), se producirá una llamarada o una autentica
explosión al entrar el oxígeno.
CO + ½ O2
CO2
Combustión espontánea.
Es aquella que se produce a temperatura ambiente sin
que exista un aporte aparente de calor exterior. ¿Cómo
puede ocurrir entonces la combustión sin que se aporte
la energía de activación necesaria? La respuesta reside
en las zonas donde suele darse este tipo de combustión:
Basureros, vertederos, almacenes de carbón, bodegas
de barcos...
En estos lugares, es fácil que comiencen reacciones de
degradación de la materia y oxidación. Prácticamente
todas las sustancias orgánicas y muchas metálicas,
expuestas a la atmósfera, se oxidan a cierta temperatura
crítica, y esa reacción desprende calor. Sin embargo, la
tasa de oxidación a temperaturas normales es,
generalmente tan baja que el calor que se desprende se
disipa en el entorno a medida que se genera, con el
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resultado que no existe aumento de temperatura en el
material combustible sujeto a oxidación. Sin embargo,
en los lugares mencionados, por su propia naturaleza,
pueden existir dificultades para evacuar el calor generado,
esta dificultad de evacuación es la que provoca un
aumento de temperatura y que se acumule la suficiente
energía de activación para que se produzca la combustión
espontánea.
5.3.- Velocidad de reacción.
Antes de comenzar a indicar la tipología de esta división,
es conveniente definir un par de conceptos para
comprender mejor cada uno de los tipos.
Frente de reacción: Se denomina frente de reacción a
la superficie imaginaria que separa la zona donde se
está produciendo la combustión, de la zona en la que el
combustible todavía no ha reaccionado.
Durante los incendios forestales es habitual escuchar
en las noticias “El incendio mantiene dos frentes activos.
Velocidad de avance del frente: Es la velocidad a la
que se desplaza esa línea imaginaria. En los incendios
forestales puede ser del orden de metros a la hora,
aunque dependiendo del viento esa velocidad puede
aumentar. En cualquier caso, siempre será muy inferior
a la velocidad de avance del frente en una reacción en
fase gas, que suede avanzar con un orden de metros
por segundo.
Una vez definidos estos conceptos, pasemos a ver la
clasificación de fuegos en función de su velocidad de
reacción.
Combustión.
Es la reacción que se produce en los incendios que
denominaríamos “normales”, su velocidad del frente de
reacción nunca llega al valor de metro por segundo.
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Explosiones.
Podemos definir la explosión como la liberación violenta
de energía química (otros tipos como la nuclear quedan
fuera del ámbito de este manual), acompañada de altas
temperaturas y generación de gases. Estos gases
generados son los que técnicamente nos indican que
realmente se ha producido una explosión, ya que en su
movimiento de expansión provocan una sobrepresión
que se desplaza en forma de onda expansiva.
Dependiendo de la magnitud de la sobrepresión
provocada, podemos diferenciar las explosiones en
deflagraciones y detonaciones.
Deflagraciones son aquellas explosiones en las que la
velocidad del frente de reacción es superior a un metro
por segundo, pero inferior a la velocidad del sonido. La
onda de presión que se produce está comprendida entre
5 y 10, y tiene una velocidad de propagación superior al
frente de reacción.
Detonación es aquella reacción prácticamente
instantánea en la que la velocidad de propagación del
frente de reacción es superior a la velocidad del sonido
en el medio. . La onda de presión que se produce está
comprendida entre 20 y 40, pudiendo alcanzar los 100.
En estos casos, el frente de llama se desplaza a la misma
velocidad que el frente de presión al que habitualmente
se denomina onda de choque.
6.- Productos de la combustión. Análisis físico-químico.
Hasta ahora, nos hemos centrado básicamente en el
estudio del incendio desde el punto de vista de la llama.
Pero en este último apartado, hemos empezado a
vislumbrar como el efecto de los gases puede ser
devastador.
20
La presión de 10 bares provocada por una deflagración
sobre el tabique de una vivienda puede derrumbarlo sin
problemas.
Y si buscamos cual es la principal causa de muerte en
un incendio, no encontramos las quemaduras causadas
por efecto de las llamas, sino la asfixia provocada por
los gases.
Por esta razón, en este apartado vamos a ampliar nuestro
campo de visión analizando los distintos productos de
la combustión, responsables no solo de los daños
humanos y materiales del incendio, sino también de la
propagación del mismo. En general podemos dividirlos
en cuatro grupos:
1.
2.
3.
4.
Llamas.
Humo.
Gases.
Calor.
6.1.- Las llamas.
Como mencionábamos en la introducción de este
apartado, es el principal fenómeno estudiado hasta ahora.
Se produce al combinarse los combustibles en forma
gaseosa con el oxígeno del aire y arder, es decir, llevar
a cabo la reacción de oxido reducción de forma rápida
e irreversible, desprendiendo una importante cantidad
de calor y radiación lumínica.
Si atendemos a esta radiación lumínica como
diferenciadora, debemos decir que el color que
observamos en la llama depende de muchos factores,
principalmente de la naturaleza del combustible y de la
cantidad de oxígeno presente. En general podemos
determinar que llamas muy ricas en oxígeno tienden a
tonos azulados, más difícilmente visibles.
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6.2.- El humo.
El humo es una suspensión en el aire de pequeñas
partículas sólidas y vapores condensados, que resultan
de la combustión incompleta de un combustible. Su color,
y sobre todo su opacidad, principal elemento que dificulta
la visión en los incendios, depende de la naturaleza de
los combustibles y de la concentración de oxígeno
existente.
Como se ha mencionado, el humo dificulta la visión en
los incendios, provocando desorientación y pánico en
las personas que se encuentran atrapadas en los mismos.
Además, las pequeñas partículas que lo forman pueden
afectar a los ojos y a las vías respiratorias, ya que
taponan los alvéolos pulmonares y asfixian a la victima.
La alta temperatura a que suelen encontrarse favorece
todos los efectos mencionados hasta ahora: Pánico,
asfixia y dificultad de visión.
6.3.- Gases de combustión.
Son sin lugar a dudas los productos de la combustión
más peligrosos para la vida humana. Si tenemos en
cuenta que el proceso de la combustión consiste en una
reacción con el oxígeno, es fácil determinar que en
cualquier gas de combustión la concentración de oxígeno
es muy pobre, y por tanto, todo gas de combustión es
potencialmente asfixiante. Pero a este efecto debemos
añadir la toxicidad de los distintos gases que se producen
en la combustión. La formación de uno u otro gas y con
ello la toxicidad de los mismos depende del combustible
empleado, proporción de oxígeno y otras condiciones
que puedan afectar a la reacción (presión, temperatura,
presencia de otros elementos que interfieran en la
reacción...).
La lista de gases que se pueden encontrar en un incendio
sería interminable, pero vamos a enunciar aquellos
principales que podemos encontrar en la inmensa mayoría
de los incendios.
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Compuesto
Características
Dióxido de
Gas no tóxico. Incoloro e inodoro. Su presencia aumenta el ritmo respiratorio,
Carbono CO2
lo que aumenta la inhalación de otros tóxicos. El aire contiene 0,03% de
dióxido de carbono. A una concentración de 5%, hay un notable incremento
en la respiración, vértigo, transpiración, excitación mental. Concentraciones
de 10 a 12 por ciento causan la muerte en pocos minutos por parálisis
del centro respiratorio cerebral.
Monóxido de
Muy peligroso a bajas concentraciones. Incoloro e inodoro. Provoca la
Carbono CO
mayoría de las muertes en los incendios. Bloquea el transporte de oxígeno
en la sangre.
Cloruro de
Tóxico. Incoloro pero de olor penetrante. Produce irritación en los ojos y
Hidrógeno HCl
vías respiratorias. Dificulta la respiración y puede causar asfixia.
Normalmente provocado por incremento de temperatura en PVC.
Cianuro de
Muy peligroso a bajas concentraciones. Incoloro, olor a almendra. Asfixiante
Hidrógeno HCN
químico, interfiere con la respiración a nivel celular y de los tejidos. Puede
ser absorbido a través de la piel. Es emitido por el nylon, la lona, la espuma
de poliuretano, el caucho y el papel. Una atmósfera que contenga 135
partes por millón (0,0135 por ciento) es fatal en 30 minutos, una
concentración de 270 ppm es fatal.
Nitrógeno
Tóxico. NO pasa a NO2 en presencia de O2 y humedad. El NO2 es
castaño rojizo. Causa edema pulmonar y conduce a la asfixia. Soluble en
NO2, NO
agua, puede formar nitritos y nitratos dentro del cuerpo que llevan al
Óxidos de
colapso y coma. Sus efectos irritantes en la nariz y garganta pueden ser
tolerados para una dosis letal.
Fosgeno COCl2
Muy peligroso a bajas concentraciones. Gas incoloro, con un olor
desagradable. Puede ser producido cuando los refrigerantes tales como
el freón hacen contacto con la llama. Irritante fuerte de los pulmones. Su
efecto venenoso no es evidente hasta varias horas después de la
exposición. Su típico olor es detectable a nivel de ppm. Concentraciones
menores pueden causar tos e irritación ocular. 25 ppm son mortales.
Sulfuro de
Tóxico e inflamable. Incoloro y de olor pestilente. Puede formar mezclas
Hidrógeno H2S
explosivas con el aire. Peligroso por inhalación o absorción cutánea.
Provoca irritación ocular, nauseas, vomito, taquicardia, respiración corta
y rápida, edema bronquial o pulmonar, efectos neurológicos y coma.
Dióxido de
Irritante y corrosivo. Incoloro y de olor ácido. Afecta a sistema respiratorio,
Azufre SO2
piel y ojos. Puede provocar una destrucción severa de los tejidos, bronquitis,
neumonitis química y edema pulmonar.
23
6.4.- Calor.
Desde el punto de vista de la física, el calor se define
como energía en tránsito. Es decir, el calor no es una
propiedad intrínseca de un cuerpo o sistema, como puede
serlo la temperatura, sino una forma de trasladar la
energía de un sistema a otro.
Para nota.
Su concepto está ligado al Principio Cero de la
Termodinámica, que dictamina que dos sistemas en
contacto intercambian energía hasta que su temperatura
se equilibra.
En realidad, en el párrafo anterior no se debía haber
empleado la palabra contacto, ya que existen diversos
mecanismos para la transmisión del calor, en concreto
tres, y no todos ellos precisan que existan contacto entre
los cuerpos o sistemas para que el flujo de calor se haga
efectivo. Lo que sí resulta común a todos los mecanismos
es la diferencia de temperatura que debe existir entre
los sistemas, para que se produzca la transferencia de
calor. Estudiaremos con detalle cada uno de ellos a
continuación, pues su influencia en los incendios es
importante.
Conducción.
La conducción es el mecanismo de transferencia de calor
más básico o evidente. Se aplica solo a los sólidos y
consiste en la transferencia de energía térmica entre las
partículas que forman el mismo. El proceso es el siguiente:
1. Conforme mayor es la temperatura de un cuerpo,
mayor es el estado de excitación o vibración que tienen
sus partículas.
2. Las partículas a mayor temperatura vibran cerca
de otras, obligando a estas a vibrar a su vez. En esta
acción, las partículas más dinámicas se frenan, al
poner en movimiento a las otras.
24
3. Esta es la manera en que se iguala la temperatura
entre una zona “fría” y otra “caliente”.
Esta forma de propagación del calor se da sobre todo al
principio de los incendios, cuando aun no hay grandes
llamas, pero si importantes diferencias de temperatura
entre los materiales que ya están ardiendo y los que no.
No todos los elementos conducen igual la energía térmica.
Hay elementos como los metales, que son muy buenos
conductores pues permiten a sus moléculas vibrar
libremente, y otros que poseen una estructura interna
que impide esta conducción. En la tabla siguiente se
indica la afinidad de distintos materiales a conducir el
calor mediante el coeficiente l: coeficiente de
conductividad térmica (W/m2·K).
A mayor l mayor es la capacidad e conducción del
material.
Material
l
Material
l
Material
l
Acero
47-58
Corcho
0,04-0,30
Madera
0,13
Agua
0,58
Estaño
64,0
Mercurio
83,7
Aire
0,02
Fibra de vidrio
0,03-0,07
Mica
0,35
Alcohol
0,16
Glicerina
0,29
Níquel
52,3
Aluminio
209,3
Hierro
1,7
Oro
308,2
Amianto
0,04
Ladrillo
0,80
Parafina
0,21
Bronce
116-186
Ladrillo refractario
0,47-1,05
Plata
406,1-418,7
Cinc
106-140
Latón
81-116
Plomo
35,0
Cobre
372,1-385,2
Litio
301,2
Vidrio
0,6-1,0
Convección.
Mecanismo de transferencia de calor que se produce
únicamente en materiales fluidos. Éstos al calentarse
disminuyen su densidad y ascienden al ser desplazados
por las porciones a menor temperatura que, a su vez,
descienden y se calientan repitiendo el ciclo. El resultado
es el transporte de calor por medio del fluido ascendente
y descendente.
25
Es un mecanismo mucho más complejo que el anterior,
ya que primero debe realizarse una transferencia de
calor entre una superficie sólida y el fluido, y
posteriormente el transporte de esta energía por el medio
fluido.
Para nota.
La transferencia de calor por este medio depende de la
geometría de la superficie sólida e incluso de su posición.
Existen formulas de cálculo distintas para superficies
verticales y horizontales. Y en las horizontales la
transferencia será distinta si nos referimos al suelo o al
techo de una vivienda.
Debemos distinguir además entre el sistema de
convección indicado, que es habitualmente denominado
libre o natural, y el denominado de convección forzada.
Este sistema de transmisión de calor, provoca un flujo
de fluido sobre la superficie sólida por medio de una
fuerza externa; bomba, ventilador u otro dispositivo
mecánico. En casos extremos como los que suelen darse
en un incendio, las diferencias de temperatura son tan
grandes, que la transmisión debe estudiarse como una
transmisión forzada a pesar de no existir ningún medio
mecánico que facilite el movimiento.
El mecanismo de convección suele ser el causante del
desarrollo vertical de los incendios y tiene gran
importancia en la propagación de la mayoría de los
mismos.
Radiación.
Podemos decir que la radiación es el mecanismo de
transporte de calor que no necesita de ningún medio
para tal fin, ya que esta transmisión se hace a través de
ondas electromagnéticas capaces de propagarse incluso
en el vacío.
Recordemos que la conducción precisaba de un medio
sólido para ser efectiva y la convección de un medio
fluido.
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Es fácil determinar que este mecanismo cobrará gran
importancia en aquellos incendios en que existan grandes
llamas, ya que son las mismas las principales emisoras
de radiación, tanto lumínica como térmica.
Para nota.
En el fondo, radiación lumínica y térmica son muy
parecidas, siendo la única diferencia entre ambas la
longitud de onda de cada una.
La transmisión de calor por radiación es la principal
responsable de la propagación horizontal de los incendios.
Cabe indicar por último, que el calor tiene un gran efecto
no solo sobre las estructuras y materiales, sino también
sobre las personas atrapadas en un incendio y personal
de salvamento. Los principales efectos que concurren
como consecuencia del calor son los siguientes:
-
Quemaduras.
Deshidratación.
Agotamiento.
Bloqueo de vías respiratorias.
Aumento del ritmo cardiaco.
7.- Resumen del capítulo.
En este capítulo hemos introducido el presente curso
contra incendios, indicando las características básicas
del fuego y como inciden estas en la formación y
propagación de los incendios.
En los siguientes capítulos se profundizará en estas
características con mayor detalle, y sobre todo, se
estudiarán las distintas técnicas para conseguir paliar
sus efectos y atacar correctamente a los incendios.
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