Иногда сигара — это гораздо больше чем просто сигара

10/09/2014

Как химик-инженер, я не могу просто выкурить сигару и успокоиться на этом. В этой статье мы рассмотрим внутреннее устройство сигары и изучим зоны, в которых протекают химические процессы, а также покажем простую модель распределения температуры дыма и концентрации кислорода в сигаре.

Внутреннее строение сигары и зоны химических процессов

Каждому, кто хоть раз курил сигару, знакомо ощущение четкости и концентрации внимания от первых затяжек и приходящие позже покой и умиротворение от последующих. Если оставить в стороне вопросы здоровья, то курение, по моему мнению, — один из лучших способов достичь безмятежности и созерцательного состояния.

В эти моменты полной концентрации внимания я обычно проверяю, насколько ровной получилась линия горения. Иногда я размышляю о том, как протекают химические реакции, процессы сгорания и переноса веществ в сигаре. Достигнув умиротворения, я наблюдаю за облаками дыма и размышляю об их газодинамике.

На схеме ниже показано внутреннее строение сигары: головка, корпус, ножка и шляпка, наполнитель, связующий лист и покровный лист, а также зоны, где протекают процессы горения, пиролиза и конденсации во время курения сигары (ссылки приведены в разделе «Дополнительная литература»).

Изображение структуры и зон химических процессов в сигаре.
Внутреннее строение сигары и зоны протекания различных процессов. В сердцевине сигары находится наполнитель; связующий лист сохраняет структуру сигары, а покровный — обертывает ее снаружи. Перед раскуриванием от сигары отрезают шапочку. Мы хотим добиться тонкой ровной линии горения.

Когда сигара зажжена и достигла псевдостационарного состояния, образуется зона горения. Сразу за ней возникает зона пиролиза.

Химические процессы в зажженной сигаре

Кислород, который переносится в зону горения благодаря конвекции и диффузии во время затяжек, а также за счет диффузии в промежутках между ними, поглощается в процессе сгорания. Поэтому в зону пиролиза, расположенную за зоной горения, попадают только газы, бедные кислородом. В этой зоне органические составляющие табачных листьев разлагаются под воздействием температуры без участия кислорода. Часть продуктов пиролиза испаряется, а остальные будут окислены позже, когда зоны горения и пиролиза переместятся ближе к головке сигары. Это означает, что в зоне пиролиза также происходит дистилляция.

Во время затяжки газообразные продукты пиролиза переносятся вместе с дымом к головке сигары. Когда дым движется к головке, холодные табачные листья охлаждают и фильтруют его. Более низкая температура ведет к конденсации некоторых веществ из дыма в виде аэрозоля. Образующиеся мелкие капли содержат никотин и большую часть ароматических веществ из дыма. Дым становится менее концентрированным из-за проникновения воздуха через покровный лист и утечки угарного газа из сигары. Однако оба этих процесса протекают очень медленно, поскольку покровный лист плохо пропускает газ.

Стоит заметить также, что пористость табачного наполнителя, связующего и покровного листов отличается. Пористость определяет форму зон горения и пиролиза.

Что влияет на форму сигары

Форма зоны горения также определяет, какую форму примет сигара, которую вы курите. Во время затяжки процесс горения протекает быстрее вблизи покровного листа из-за сильного переноса кислорода вдоль краев. Между затяжками края лучше охлаждаются окружающим воздухом, распределение температуры становится более равномерным, при этом зона горения выравнивается за счет более интенсивного горения в центре сигары.

Если курить сигару слишком быстро, может образоваться конус, то есть края сигары будут сгорать быстрее, чем сердцевина. С другой стороны, если сигару курить слишком медленно, образуется туннель. Почему? Сердцевина сигары сгорает быстрее в промежутках между затяжками, потому что окружающий воздух лучше охлаждает края. Неровный розжиг и неидеальная структура сигары могут привести к неравномерному горению с одной стороны или горению полосами (подробнее о проблемах горения сигары написано здесь).

По моему мнению, образование туннелей — самая большая проблема, ведущая к снижению температуры, качества и количества дыма.

Моделирование сигары

Ниже приведены результаты расчета относительно простой модели сигары во время затяжки и между затяжками. Помимо пиролиза табака модель описывает горение и образование угля. Мы также включили в модель перенос кислорода, дыма и азота. Конечно, реальный процесс гораздо сложнее с точки зрения химических явлений, но эта модель ясно и просто показывает распределение температуры дыма и концентрации кислорода.

Распределение температуры в дыме.

Концентрация кислорода в сигаре.
Распределение температуры дыма в сигаре (вверху) и концентрации кислорода (внизу). Концентрация кислорода резко снижается в зоне горения во время затяжки. Утечка через покровный лист оказывает лишь незначительное влияние. Горение угля — классический пример задачи сжимающегося ядра из области управления химическими реакциями.

Не вдыхайте сигарный дым

Когда составляющие сигарного дыма растворяются во рту, слюна становится щелочной. Сигаретный дым делает ее, наоборот, кислотной. При низких значениях pH никотин протонирован и не несет электрический заряд. С другой стороны, при высоких значениях pH никотин теряет протон и приобретает отрицательный заряд. Отрицательно заряженный ион никотина гораздо легче проходит через оболочки ротовой полости, чем нейтральная молекула, которую оболочки отталкивают. По этой причине сигарный дым не требуется и не следует вдыхать; никотин всасывается и поступает в кровь, просто попав в ротовую полость.

Как мы уже говорили, первая доза никотина стимулирует и ускоряет мышление, а последующее повышение его уровня имеет успокаивающий эффект. Такая последовательность событий обычно называется парадоксом Несбитта в честь ученого, который указал на нее.

Гораздо больше чем просто сигара

Вы могли заметить, что заголовок статьи обыгрывает цитату (неточную) «иногда сигара — это просто сигара». Первоначальная цитата отсылала к ответу Зигмунда Фрейда на основанное на его собственной теории предположение о том, что Фрейд постоянно курит сигары из-за их фаллической формы (если вы не знакомы с этой теорией, о ней можно узнать здесь или здесь).

Анимация курения. Сложные процессы, протекающие при курении сигары, и красивые дымные узоры показывают, что и без фаллического символизма сигара иногда больше, чем просто сигара…

Дополнительная литература

  1. R.R. Baker, “Mechanisms of Smoke Formation and Delivery”, Tobacco Chemists’ Research Conference Symposium, 1980.
  2. "Cigarette combustion science".
  3. P. Ermala and L. Holsti, “On the Burning Temperatures of Tobacco”, Cancer Research,16:490-495, 1956.

Отказ от ответственности: COMSOL не поддерживает курение, но поддерживает развитие науки и численное моделирование повседневных действий, связанных с мультифизическими явлениями.


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ