Feuer

Was ist ein Feuer?

Als Feuer wird die sichtbare äußere Begleiterscheinung einer Verbrennung bezeichnet. Je nach Aggregatzustand des Brandmaterials können sich Flammen und/oder Glut bilden und es wird Wärme sowie Licht freigesetzt. Bei Stoffen wie z.B. Gase und flüssig werdenden Stoffen (z.B. Wachse oder Fette) entstehen nur Flammen, während bei anderen Stoffen (z.B. Metalle) nur Glut entsteht. Feste Stoffe (wie z.B. Holz und Papier) verbrennen sowohl mit Flammen als auch mit Glut. Die entstehenden Verbrennungsgase (der Rauch) sind heiß und damit leichter als die umgebende Luft. Dadurch steigen sie auf, was zu einem Unterdruck in der Flamme führt. Um den Unterdruck auszugleichen, wird die für die Verbrennung notwendige Frischluft angesogen (Kamineffekt). Im Extremfall kann der resultierende Lufzug Orkanstärke erreichen und es entsteht ein sog. Feuersturm. Im Gegensatz zu einem Feuer ist ein Brand ein Schadfeuer, das sich unkontrolliert ausbreitet.

Wie entsteht Feuer?

Damit ein Feuer entstehen kann, muss brennbares Material (Brandlast) sowie ein Oxidationsmittel (in der Regel Sauerstoff) vorhanden sein. Ein Feuer entsteht erst, sobald die Zündtemperatur des jeweiligen Brandguts erreicht wird. Das sog. Verbrennungsdreieck (s. Abbildung) stellt diese Voraussetzungen für die Entstehung eines Feuers zusammen. Nachfolgend sind die Zündtemperaturen einiger Brandlasten zusammengefasst. Die exemplarische Liste veranschaulicht gut, dass die Zündtemperaturen stark schwanken. Die Zündtemperatur kann z.B. infolge eines Blitzeinschlags, eines Funkens oder Elektrizität erreicht werden.

• Holz: 280°C bis 340°C
• Stroh: 250°C bis 300°C
• Zeitungspapier: 175°C
• Holzkohle: 300°C
• Phosphor: 34°C

Wann erlischt ein Feuer?

Das Verbrennungsdreieck ist auch aufschlussreich, wenn es um die Frage geht, wann ein Feuer erlischt. Neben dem Löschen durch Menschenhand erlischt ein Feuer, sobald es an Brennstoff, Hitze oder Sauerstoff fehlt. Dies kann man sich zur Brandbekämpfung zunutze machen.

Welche chemischen und physikalischen Mechanismen laufen bei einem Feuer ab?

Verbrennungslehre

Die Verbrennungslehre befasst sich mit den chemischen und physikalischen Vorgängen, die in einem Feuer stattfinden. Dieses naturwissenschaftliche Fachgebiet ist u.a. für die optimale Auslegung von Verbrennungsmotoren, Jet-Triebwerke sowie Gas- und Kohlekraftwerke wichtig. Weil sich in einem Feuer ein sehr komplexes Wechselspiel aus Chemie, Strömungsmechanik und Thermodynamik abläuft, besteht hier auch 1,5 Millionen Jahre nach der Zähmung des Feuers durch den Menschen noch Forschungsbedarf. Das hängt auch damit zusammen, dass z.B. Treibstoffe wie Benzin und Diesel aus sehr vielen Chemikalien bestehen, die bei einer Verbrennung unterschiedlich reagieren.

Chemische Mechanismen

Feuer ist aus chemischer Sicht eine Oxidationsreaktion mit Flammenerscheinung. Durch die Reaktion zweier Stoffe miteinander wird Energie freigesetzt, die als Licht und Wärme wahrnehmbar sind. Damit handelt es sich bei Feuer um eine exotherme Reaktion, die mehr Energie freisetzt als zum Entzünden (und damit zum Start der chemischen Kettenreaktion) benötigt wird.

Das häufigste Oxidationsmittel ist Sauerstoff aus der Luft. Ein Feuer kann aber auch entstehen, wenn zwei feste Stoffe miteinander reagieren. Das bekannteste Beispiel ist sicherlich das Entzünden eines Streichholzes, bei dem ein wenig Phosphor mit einem Salz auf dem Streichholzkopf reagiert. Bei der resultierenden Verbrennung wird Energie freigesetzt, die einen schwefelhaltigen Stoff am Streichholzkopf entzündet.

Bei einer vollständigen Verbrennung von organischen Materialien, also chemischen Verbindungen, die auf Kohlenstoff basieren, werden diese mit dem Oxidationsmittel Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgesetzt. Läuft die Verbrennung unvollständig ab, entstehen neben Kohlenstoffdioxid andere, nur teilweise oxidierte Stoffe und nicht oxidierte Stoffe (wie z.B. Ruß).

Eine Verbrennung kann nur dann vollständig ablaufen, wenn ein bestimmtes minimales Mengenverhältnis von Sauerstoff und Brennstoff (das sog. stöchiometrische Verhältnis) vorliegt. Damit haben alle oxidierbaren Bestandteile des Brennstoffes die maximale Menge an Sauerstoff (oder eines anderen Oxidationsmittels) gebunden. Neben dem richtigen Mengenverhältnis müssen Brennstoff und Oxidationsmittel auch noch vollständig durchmischt sein, damit sich jedes Reaktionspaar findet. Dazu müssten feste Brennstoffe höchstmöglich zerkleinert bzw. flüssige Brennstoffe maximal zerstäubt vorliegen. Dieser Zustand wird in der Praxis jedoch nicht erreicht.

Physikalische Mechanismen

Neben den chemischen Mechanismen wirken bei einem Feuer viele physikalische Mechanismen. Dazu gehören der Stoffübertrag in der Flamme (z.B. die oben erwähnte Durchmischung von Brennstoff und Oxidationsmittel), die Wärmeübertragung innerhalb des Feuers und zur Umgebund sowie strömungsmechanische und dynamische Effekte, wie z.B. die entstehenden Turbulenzen infolge eines Feuers.

Wie heiß ist ein Feuer?

Innerhalb der Flamme eines Feuers gibt es unterschiedlich heiße Temperaturbereiche. Das kann am besten am Beispiel einer Kerzenflamme studiert werden. In der Nähe des Dochts sind blaue und dunkle Bereiche zu sehen, die Temperaturen von ca. 600°C aufweisen. Die gelb und orange leuchtenden Regionen im Außenbereich der Flamme weisen hingegen weit höhe Temperaturen von bis zu 1500°C auf. Die inneren Bereiche sind kühler als die äußeren, da es hier an Sauerstoff mangelt (s. Verbrennungsdreieck).

Der Mensch und das Feuer

Es ist unklar, ab wann der Mensch Feuer genutzt hat. Manche Forscher vermuten, dass der Mensch bereits vor mehr als zwei Millionen Jahren Wildfeuer (z.B. aus Blitzen) genutzt haben. Für das damalige konnte das Feuer in vielerlei Hinsicht sinnvoll genutzt werden: Fleisch konnte länger haltbar und genießbarer gemacht werden und lieferte mehr Energie als pflanzliche Nahrung. Zudem wärmte das Feuer und es konnten damit gefährliche Wildtiere auf Distanz gehalten werden.

Ab wann Feuer planmäßig genutzt werden konnten, ist ebenso unklar. Das älteste bislang gefundene Feuerzeug ist ca. 790.000 Jahre alt. Die Nutzung des Feuers nahm auf jeden Fall mit der zunehmenden Sesshaftigkeit der Menschen zu. Es wurde hier z.B. in der Landwirtschaft zur Brandrodung genutzt und es entstanden neue Berufe, die das Feuer nutzten, wie Bäcker, Köche, Schmiede und auch Töpferer.

Mit der zunehmend dichteren Besiedlung erkannte der Mensch auch die Ambivalenz des Feuers. Neben seiner nützlichen Seite wohnt ihm auch die Gefahr der Zerstörung inne, die sich z.B. im Niederbrand ganzer Siedlungen äußerte. Insofern war es naheliegend, das Feuer durch die Nutzung von Öfen zu kontrollieren. Flankierend wurden ab dem 15. Jahrhundert in Europa Brandschutzordnungen erlassen und es entstanden Feuerbrigaden.