El fuego es la oxidación rápida de un material (el combustible ) en el proceso químico exotérmico de combustión , liberando calor , luz y varios productos de reacción . [1] [a] En un punto determinado de la reacción de combustión, llamado punto de ignición, se producen llamas. La llama es la parte visible del fuego. Las llamas están compuestas principalmente de dióxido de carbono, vapor de agua, oxígeno y nitrógeno. Si están lo suficientemente calientes, los gases pueden ionizarse para producir plasma . [2] Dependiendo de las sustancias encendidas y de las impurezas del exterior, el color de la llama y la intensidad del fuego serán diferentes. [3]
El fuego, en su forma más común, tiene el potencial de resultar en conflagración , que puede conducir a daños físicos, que pueden ser permanentes, a través de la quema . El fuego es un proceso significativo que influye en los sistemas ecológicos en todo el mundo. Los efectos positivos del fuego incluyen estimular el crecimiento y mantener varios sistemas ecológicos. Sus efectos negativos incluyen peligro para la vida y la propiedad, contaminación atmosférica y contaminación del agua. [4] Cuando el fuego elimina la vegetación protectora , las fuertes lluvias pueden contribuir a aumentar la erosión del suelo por el agua . [5] Además, la quema de vegetación libera nitrógeno a la atmósfera, a diferencia de elementos como el potasio y el fósforo que permanecen en la ceniza y se reciclan rápidamente en el suelo. [6] [7] Esta pérdida de nitrógeno causada por un incendio produce una reducción a largo plazo en la fertilidad del suelo, que puede recuperarse a medida que el nitrógeno atmosférico se fija y se convierte en amoníaco por fenómenos naturales como los rayos o por plantas leguminosas como el trébol , los guisantes y las judías verdes .
El fuego es uno de los cuatro elementos clásicos y ha sido utilizado por los humanos en rituales , en la agricultura para limpiar la tierra, para cocinar, generar calor y luz, para señalización, con fines de propulsión, para fundición , forja , incineración de residuos, cremación y como arma o modo de destrucción.
La palabra "fuego" tiene su origen en el antiguo inglés Fyr , "fuego, un fuego", que se remonta a la raíz germánica * fūr- , que a su vez proviene del protoindoeuropeo * perjos, de la raíz * paewr- , " fuego " . La ortografía actual de "fuego" se ha utilizado desde el año 1200, pero no fue hasta alrededor de 1600 que reemplazó por completo al término del inglés medio fier (que todavía se conserva en la palabra "fiery"). [8]
El registro fósil del fuego aparece por primera vez con el establecimiento de una flora terrestre en el período Ordovícico medio , hace 470 millones de años , [9] lo que permitió la acumulación de oxígeno en la atmósfera como nunca antes, ya que las nuevas hordas de plantas terrestres lo bombearon como un producto de desecho. Cuando esta concentración aumentó por encima del 13%, permitió la posibilidad de incendios forestales . [10] Los incendios forestales se registran por primera vez en el registro fósil del Silúrico tardío , hace 420 millones de años , por fósiles de plantas carbonizadas . [11] [12] Aparte de una brecha controvertida en el Devónico tardío , el carbón está presente desde entonces. [12] El nivel de oxígeno atmosférico está estrechamente relacionado con la prevalencia del carbón: claramente el oxígeno es el factor clave en la abundancia de incendios forestales. [13] El fuego también se volvió más abundante cuando las hierbas irradiaron y se convirtieron en el componente dominante de muchos ecosistemas, hace alrededor de 6 a 7 millones de años ; [14] esta leña proporcionó yesca que permitió la propagación más rápida del fuego. [13] Estos incendios generalizados pueden haber iniciado un proceso de retroalimentación positiva , mediante el cual produjeron un clima más cálido y seco, más propicio para los incendios. [13]
La capacidad de controlar el fuego fue un cambio dramático en los hábitos de los primeros humanos. [15] Hacer fuego para generar calor y luz hizo posible que las personas cocinaran alimentos, aumentando simultáneamente la variedad y disponibilidad de nutrientes y reduciendo las enfermedades al matar los microorganismos patógenos en los alimentos. [16] El calor producido también ayudaría a las personas a mantenerse calientes en climas fríos, lo que les permitiría vivir en climas más fríos. El fuego también mantenía a raya a los depredadores nocturnos. Se encuentran evidencias de alimentos cocinados ocasionalmente de hace 1 millón de años . [17] Aunque esta evidencia muestra que el fuego puede haber sido utilizado de manera controlada hace aproximadamente 1 millón de años, [18] [19] otras fuentes sitúan la fecha de uso regular en hace 400.000 años. [20] La evidencia se generaliza alrededor de hace 50 a 100 mil años, lo que sugiere un uso regular a partir de esta época; curiosamente, la resistencia a la contaminación del aire comenzó a evolucionar en las poblaciones humanas en un punto similar en el tiempo. [20] El uso del fuego se hizo progresivamente más sofisticado, ya que se utilizó para crear carbón y para controlar la vida silvestre desde hace decenas de miles de años. [20]
El fuego también se ha utilizado durante siglos como método de tortura y ejecución, como lo demuestra la muerte por quema , así como dispositivos de tortura como la bota de hierro , que podía llenarse con agua, aceite o incluso plomo y luego calentarse sobre un fuego abierto para agonía del usuario.
En la Revolución Neolítica , durante la introducción de la agricultura basada en cereales, la gente de todo el mundo utilizaba el fuego como herramienta para la gestión del paisaje . Estos incendios eran típicamente quemas controladas o "fuegos fríos", en contraposición a los "fuegos calientes" no controlados, que dañan el suelo. Los incendios calientes destruyen plantas y animales, y ponen en peligro a las comunidades. [21] Esto es especialmente un problema en los bosques de hoy en día, donde se evita la quema tradicional para fomentar el crecimiento de cultivos madereros. Los incendios fríos se realizan generalmente en primavera y otoño. Limpian la maleza, quemando biomasa que podría desencadenar un incendio caliente si se vuelve demasiado densa. Proporcionan una mayor variedad de entornos, lo que fomenta la diversidad de caza y plantas. Para los humanos, hacen que los bosques densos e intransitables sean transitables. Otro uso humano del fuego en relación con la gestión del paisaje es su uso para limpiar la tierra para la agricultura. La agricultura de tala y quema todavía es común en gran parte de África tropical, Asia y Sudamérica. Para los pequeños agricultores, los incendios controlados son una forma conveniente de limpiar áreas con maleza y liberar nutrientes de la vegetación en pie al suelo. [22] Sin embargo, esta estrategia útil también es problemática. El crecimiento de la población, la fragmentación de los bosques y el calentamiento del clima están haciendo que la superficie de la Tierra sea más propensa a incendios cada vez más grandes. Estos dañan los ecosistemas y la infraestructura humana, causan problemas de salud y generan espirales de carbono y hollín que pueden estimular un calentamiento aún mayor de la atmósfera y, por lo tanto, retroalimentar más incendios. En la actualidad, a nivel mundial, se queman hasta 5 millones de kilómetros cuadrados, un área más de la mitad del tamaño de los Estados Unidos, en un año determinado. [22]
Existen numerosas aplicaciones modernas del fuego. En su sentido más amplio, casi todos los seres humanos de la Tierra lo utilizan en un entorno controlado todos los días. Los usuarios de vehículos de combustión interna utilizan el fuego cada vez que conducen. Las centrales térmicas proporcionan electricidad a un gran porcentaje de la humanidad mediante la quema de combustibles como el carbón , el petróleo o el gas natural y, a continuación, utilizan el calor resultante para hervir agua y convertirla en vapor , que a su vez hace funcionar turbinas .
El uso del fuego en la guerra tiene una larga historia . El fuego fue la base de todas las primeras armas térmicas . La flota bizantina utilizó el fuego griego para atacar a los barcos y a los hombres.
La invención de la pólvora en China condujo a la lanza de fuego , un arma lanzallamas que data de alrededor del año 1000 d.C. y que fue un precursor de las armas de proyectiles impulsadas por pólvora ardiente .
Los primeros lanzallamas modernos fueron utilizados por la infantería en la Primera Guerra Mundial , utilizados por primera vez por las tropas alemanas contra las tropas francesas atrincheradas cerca de Verdún en febrero de 1915. [24] Posteriormente se montaron con éxito en vehículos blindados en la Segunda Guerra Mundial.
Las bombas incendiarias improvisadas lanzadas a mano a partir de botellas de vidrio, más tarde conocidas como cócteles Molotov , se desplegaron durante la Guerra Civil Española en la década de 1930. También durante esa guerra, las fuerzas aéreas fascistas italianas y nazis alemanas desplegaron bombas incendiarias contra Guernica que habían sido creadas específicamente para apoyar a los nacionalistas de Franco .
Las bombas incendiarias fueron lanzadas por el Eje y los Aliados durante la Segunda Guerra Mundial, en particular sobre Coventry , Tokio , Róterdam , Londres , Hamburgo y Dresde ; en los dos últimos casos se provocaron tormentas de fuego deliberadamente en las que un anillo de fuego que rodeaba cada ciudad era atraído hacia el interior por una corriente ascendente causada por un grupo central de incendios. [25] La Fuerza Aérea del Ejército de los Estados Unidos también utilizó ampliamente bombas incendiarias contra objetivos japoneses en los últimos meses de la guerra, devastando ciudades enteras construidas principalmente de madera y casas de papel. El napalm , un fluido incendiario , se utilizó en julio de 1944, hacia el final de la Segunda Guerra Mundial , aunque su uso no ganó atención pública hasta la Guerra de Vietnam . [26]
El control del fuego para optimizar su tamaño, forma e intensidad se denomina generalmente manejo del fuego , y las formas más avanzadas de este, como las practican tradicionalmente (y a veces todavía) los cocineros expertos, los herreros , los maestros del hierro y otros, son actividades que requieren una alta cualificación . Incluyen el conocimiento de qué combustible quemar; cómo disponer el combustible; cómo avivar el fuego tanto en las primeras fases como en las de mantenimiento; cómo modular el calor, la llama y el humo según la aplicación deseada; cómo almacenar mejor un fuego para reavivarlo más tarde; cómo elegir, diseñar o modificar estufas, chimeneas, hornos de panadería u hornos industriales ; etc. Se encuentran exposiciones detalladas del manejo del fuego en varios libros sobre herrería, sobre campamentos especializados o exploración militar y sobre artes domésticas .
La quema de combustible convierte la energía química en energía térmica; la madera se ha utilizado como combustible desde la prehistoria . [27] La Agencia Internacional de Energía afirma que casi el 80% de la energía del mundo ha provenido consistentemente de combustibles fósiles como el petróleo , el gas natural y el carbón en las últimas décadas. [28] El fuego en una central eléctrica se utiliza para calentar agua, creando vapor que impulsa turbinas . Las turbinas luego hacen girar un generador eléctrico para producir electricidad. [29] El fuego también se utiliza para proporcionar trabajo mecánico directamente por expansión térmica , tanto en motores de combustión interna como externa .
Los restos sólidos inquemables de un material combustible que quedan después de un incendio se denominan clínker si su punto de fusión es inferior a la temperatura de la llama, de modo que se funde y luego se solidifica al enfriarse, y ceniza si su punto de fusión es superior a la temperatura de la llama.
El fuego es un proceso químico en el que un combustible y un agente oxidante reaccionan, produciendo dióxido de carbono y agua . [30] Este proceso, conocido como reacción de combustión , no se produce de forma directa e implica intermediarios . [30] Aunque el agente oxidante suele ser el oxígeno , otros compuestos pueden cumplir la función. Por ejemplo, el trifluoruro de cloro puede encender la arena . [31]
Los incendios se inician cuando un material inflamable o combustible, en combinación con una cantidad suficiente de un oxidante como el gas oxígeno u otro compuesto rico en oxígeno (aunque existen oxidantes sin oxígeno), se expone a una fuente de calor o temperatura ambiente por encima del punto de inflamación de la mezcla de combustible /oxidante, y es capaz de mantener una tasa de oxidación rápida que produce una reacción en cadena . Esto se denomina comúnmente tetraedro del fuego . El fuego no puede existir sin todos estos elementos en su lugar y en las proporciones adecuadas. Por ejemplo, un líquido inflamable comenzará a arder solo si el combustible y el oxígeno están en las proporciones adecuadas. Algunas mezclas de combustible y oxígeno pueden requerir un catalizador , una sustancia que no se consume, cuando se agrega, en cualquier reacción química durante la combustión, pero que permite que los reactivos se quemen más fácilmente.
Una vez encendido, debe producirse una reacción en cadena mediante la cual los incendios pueden mantener su propio calor mediante la liberación adicional de energía térmica en el proceso de combustión y pueden propagarse, siempre que haya un suministro continuo de un oxidante y combustible.
Si el oxidante es el oxígeno del aire circundante, es necesaria la presencia de una fuerza de gravedad , o de alguna fuerza similar causada por la aceleración, para producir convección , que elimina los productos de la combustión y aporta un suministro de oxígeno al fuego. Sin gravedad, un incendio se rodea rápidamente de sus propios productos de combustión y gases no oxidantes del aire, que excluyen el oxígeno y extinguen el incendio. Debido a esto, el riesgo de incendio en una nave espacial es pequeño cuando se desplaza en vuelo inercial. [32] [33] Esto no se aplica si el oxígeno se suministra al incendio mediante algún proceso distinto de la convección térmica.
El fuego se puede extinguir eliminando cualquiera de los elementos del tetraedro del fuego. Consideremos una llama de gas natural, como la de una hornilla de cocina. El fuego se puede extinguir mediante cualquiera de los siguientes métodos:
En cambio, el fuego se intensifica aumentando la velocidad general de combustión. Entre los métodos para lograrlo se incluyen equilibrar la entrada de combustible y oxidante en proporciones estequiométricas , aumentar la entrada de combustible y oxidante en esta mezcla equilibrada, aumentar la temperatura ambiente para que el calor propio del fuego pueda sostener mejor la combustión o proporcionar un catalizador, un medio no reactivo en el que el combustible y el oxidante puedan reaccionar más fácilmente.
Una llama es una mezcla de gases y sólidos que reaccionan y emiten luz visible, infrarroja y, a veces, ultravioleta , cuyo espectro de frecuencia depende de la composición química del material que se quema y de los productos intermedios de la reacción. En muchos casos, como la quema de materia orgánica , por ejemplo madera, o la combustión incompleta de gas, las partículas sólidas incandescentes llamadas hollín producen el familiar resplandor rojo anaranjado del "fuego". Esta luz tiene un espectro continuo . La combustión completa de gas tiene un color azul tenue debido a la emisión de radiación de una sola longitud de onda de varias transiciones de electrones en las moléculas excitadas formadas en la llama. Por lo general, interviene el oxígeno, pero la quema de hidrógeno en cloro también produce una llama, produciendo cloruro de hidrógeno (HCl). Otras posibles combinaciones que producen llamas, entre muchas, son flúor e hidrógeno , e hidracina y tetróxido de nitrógeno . Las llamas del hidrógeno y la hidracina/ UDMH son igualmente de color azul pálido, mientras que la combustión del boro y sus compuestos, evaluados a mediados del siglo XX como combustible de alta energía para motores a reacción y cohetes , emite una llama verde intensa, lo que le da el apodo informal de "Dragón Verde".
El resplandor de una llama es complejo. La radiación de cuerpo negro es emitida por partículas de hollín, gas y combustible, aunque las partículas de hollín son demasiado pequeñas para comportarse como cuerpos negros perfectos. También hay emisión de fotones por átomos y moléculas desexcitados en los gases. Gran parte de la radiación se emite en las bandas visible e infrarroja. El color depende de la temperatura para la radiación de cuerpo negro y de la composición química para los espectros de emisión .
La distribución común de una llama en condiciones de gravedad normal depende de la convección , ya que el hollín tiende a subir a la parte superior de una llama general, como en una vela en condiciones de gravedad normal, volviéndola amarilla. En microgravedad o gravedad cero , [34] como un entorno en el espacio exterior , la convección ya no ocurre y la llama se vuelve esférica, con tendencia a volverse más azul y más eficiente (aunque puede apagarse si no se mueve de manera constante, ya que el CO 2 de la combustión no se dispersa tan fácilmente en microgravedad y tiende a sofocar la llama). Hay varias explicaciones posibles para esta diferencia, de las cuales la más probable es que la temperatura esté lo suficientemente distribuida uniformemente como para que no se forme hollín y se produzca una combustión completa. [35] Los experimentos de la NASA revelan que las llamas de difusión en microgravedad permiten que se oxide completamente más hollín después de que se producen que las llamas de difusión en la Tierra, debido a una serie de mecanismos que se comportan de manera diferente en microgravedad en comparación con las condiciones de gravedad normal. [36] Estos descubrimientos tienen aplicaciones potenciales en la ciencia aplicada y la industria , especialmente en lo que respecta a la eficiencia del combustible .
La temperatura de llama adiabática de un par de combustible y oxidante dado es aquella en la que los gases logran una combustión estable.
La ciencia del fuego es una rama de la ciencia física que incluye el comportamiento, la dinámica y la combustión del fuego . Las aplicaciones de la ciencia del fuego incluyen la protección contra incendios , la investigación de incendios y la gestión de incendios forestales .
Cada ecosistema natural terrestre tiene su propio régimen de incendios , y los organismos que habitan en esos ecosistemas están adaptados a ese régimen o dependen de él. El fuego crea un mosaico de diferentes parches de hábitat , cada uno en una etapa diferente de sucesión . [38] Diferentes especies de plantas, animales y microbios se especializan en explotar una etapa particular, y al crear estos diferentes tipos de parches, el fuego permite que exista una mayor cantidad de especies dentro de un paisaje.
Los programas de prevención de incendios forestales en todo el mundo pueden emplear técnicas como el uso de incendios forestales y quemas controladas o prescritas . [39] [40] El uso de incendios forestales se refiere a cualquier incendio de causas naturales que se monitorea pero se permite que arda. Las quemas controladas son incendios iniciados por agencias gubernamentales en condiciones climáticas menos peligrosas. [41]
En la mayoría de las zonas desarrolladas se ofrecen servicios de extinción de incendios para extinguir o contener incendios incontrolados. Los bomberos capacitados utilizan aparatos contra incendios , recursos de suministro de agua como tuberías de agua e hidrantes , o pueden utilizar espuma de clase A y B según lo que alimente el incendio.
La prevención de incendios tiene por objeto reducir las fuentes de ignición. La prevención de incendios también incluye la educación para enseñar a las personas cómo evitar provocar incendios. [42] En los edificios, especialmente en las escuelas y en los edificios altos, a menudo se realizan simulacros de incendio para informar y preparar a los ciudadanos sobre cómo reaccionar ante un incendio en un edificio. Iniciar incendios destructivos de forma intencionada constituye un incendio provocado y es un delito en la mayoría de las jurisdicciones. [43]
Los códigos de construcción modelo exigen sistemas de protección pasiva contra incendios y de protección activa contra incendios para minimizar los daños que resultan de un incendio. La forma más común de protección activa contra incendios son los rociadores contra incendios . Para maximizar la protección pasiva contra incendios de los edificios, los materiales de construcción y el mobiliario en la mayoría de los países desarrollados se someten a pruebas de resistencia al fuego , combustibilidad e inflamabilidad . También se someten a pruebas los tapizados , las alfombras y los plásticos utilizados en vehículos y embarcaciones.
Cuando la prevención y la protección contra incendios no han logrado evitar los daños, el seguro contra incendios puede mitigar el impacto financiero. [44]
Los primeros humanos utilizaban el fuego hace un millón de años, mucho antes de lo que se creía, según sugiere una evidencia desenterrada en una cueva de Sudáfrica.
