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火的科学原理

大科学 ransiwen 3年前 (2016-11-02) 590次浏览 已收录 0个评论

火的科学原理

火为人类带来的益处也是无法估量的。它为人类提供了第一种可移动的光和热,我们还能用它来烹饪食物、铸造金属工具、烧制陶瓷和砖瓦以及驱动发电厂。事实上,很少有事物像火一样为人类带来无穷祸害,也很少有事物像火一样为人类带来无穷益处。火无疑是人类历史中最重要的力量之一。但它到底是怎么一回事呢?
古希腊人将火与水、土和空气一起视为宇宙中最重要的元素。这种归类方法比较直观:您能感觉到火,就像能感觉到土、水和空气一样。您也可以看到它,闻到它,并且可以拿着它四处走动。

但实际上火又是一种完全不同的事物。土、水和空气都是物质的形式,由不计其数的原子组合而成。而火则根本不是物质,它是物质改变形式时所产生的一种副产品,是可见的、有形的——它是某种化学反应的一部分。

通常情况下,火是由空气中的氧气和某种燃料(例如木材或汽油)发生化学反应后产生的。当然,木材和汽油不会仅仅因为接触氧气就自发起火。若要发生燃烧反应,必须将燃料加热到燃烧温度

下面是典型森林火灾发生过程中的一系列事件:

  • 某种东西将树木加热到非常高的温度。该热量可能来自多种不同事物:火柴、被聚焦的光、摩擦、雷电、已在燃烧的其他东西……
  • 当木材温度达到摄氏 150 度时,热量会分解出木材中包含的一些纤维素。
  • 一些分解出来的材料以挥发气体的形式释放出来。我们将这些气体称为烟。烟是由氢、碳和氧组成的混合物。剩余的物质形成烧焦物(几乎是纯碳)和灰烬(木材中所有不可燃烧的物质,如钙、钾等),这些烧焦物就如同您在市场上买到的木炭。木炭是经过加热除去了几乎所有可挥发气体而只留下碳的木材。这正是为什么木炭烧起来无烟的原因。
  • 火的科学原理
  • 木材的燃烧实际发生在两个不同的反应中:
    • 当挥发性气体变得足够热(对于木材大约为摄氏 260 度)时,化合物分子分解,原子重新与氧结合而形成水、二氧化碳和其他产物。这就是燃烧的过程。
    • 木炭中的碳也与氧结合,但这是一种比较缓慢的反应。这也是烧烤时木炭可以长时间发热的原因。

    这些化学反应的一个副作用是散发出大量的热。火中的化学反应产生大量的新热量,从而使得火势得以持续和蔓延开来。许多燃料都是一下子就烧光了,汽油就是一个很好的例子。热量使汽油汽化,而变成挥发气体的汽油将完全燃烧掉,燃烧后不会留下任何炭。

    此外,人类还学会了如何以回油节流的方式调节燃料和控制火,蜡烛是一种缓慢汽化并燃烧蜡的工具。

  • 火的科学原理
  • 当它们变热时,升起的碳原子(以及其他材料的原子)就会发出光来。这种“热产生光”的效应称为白炽,与灯泡的发光原理相同。正是这种效应产生了可见火焰。火焰颜色随燃烧物及其热度的不同而有所不同。火焰内的颜色差异是因为温度不均匀而造成的。一般来说,火焰最热的部分(底部)为蓝色,顶部温度较低的部分为橙色或黄色。
  • 除了发光外,升起的碳粒子还可能在周围表面上聚集而形成烟灰
    火的科学原理
    美国国家航空航天局供图
    火在微重力情况下形成一个球形。

    火中发生化学反应的危险之处在于,它们能够自我持续。火焰自身的热量使燃料一直处于燃烧温度,因此只要周围存在燃料和氧气,火就会继续燃烧。火焰加热周围的燃料,使其也释放出气体。当火焰引燃这些气体时,火势就会蔓延开来。在地球上,重力决定着火焰的燃烧方式。火焰中的所有热气体都比周围空气热很多(而且密度更小),所以它们会向上朝低压方向移动。这就是为什么火通常往上蔓延且火焰始终“指向”顶部的原因。如果您在微重力环境下(如在航天飞机中)点起一团火,它将会是一个球形!


    在上一部分中,我们看到了火是两种气体(通常是氧气和燃料气体)之间发生化学反应的结果,燃料气体是受热后产生的。换言之,当热量提供了必需的能量后,气体化合物中的原子将彼此断开连结,与可利用的氧原子重新结合而形成新的化合物,并释放出大量的热。

    然而,只有一些化合物容易以这种方式分解并与氧原子重新结合——不同的原子必须以适当的方式互相结合在一起。例如,当您烧水时,水会变成蒸汽这样的气态形式,但该气体不会与空气中的氧起反应。水分子中的两个氢原子和一个氧原子与氧分子中的两个氧原子之间没有足够强的吸引力,所以水化合物不会分解并与其他原子重新结合。
    最易燃烧的化合物包含碳和氢,它们可以相对轻松地与氧结合而形成二氧化碳、水和其他气体。

    随着易燃燃料的不同,它们的燃烧温度也不尽相同。一定量的热能将某种物质变为气体,更多的热则可以引发其与氧反应,所需的热量级别取决于组成燃料的分子的性质。引燃温度是指燃料形成气体并在接触火星时燃烧所需的能量级别,在更高的非引燃燃烧温度,燃料不需要火花引燃即可开始燃烧。

    燃料的大小也会影响它着火的难易程度。相比较而言,较大的燃料(如一棵较粗的树)可吸收大量热量,而且它的任何部分升到燃烧温度都需要更多能量。因此牙签由于可快速变热而更容易燃烧。

    燃料的放热取决于在燃烧反应中气体释放的能量以及燃料燃烧的速度,这两种因素在很大程度上都取决于燃料的构成。有些化合物与氧气反应后会留下许多“额外热能”,有些燃料释放的能量则较少。同样地,燃料与氧的反应可能较快地发生,也可能较慢地发生。
    燃料的形状也会影响燃烧速度。与较厚的燃料相比,较薄的燃料由于有更大比例的面积接触氧气,所以会更快地燃烧。例如,您可以很快地点燃一堆木片或纸,但点燃一块具有同样质量的木头却慢得多,其原因在于木片和纸具有更大的表面积。

    由此可见,不同燃料发出的火就像不同物种的动物——它们的行为都稍有不同。专家经常可以通过观察火如何影响周围区域来了解它是如何燃起的。快速燃烧且放热较多的火比缓慢燃烧且放热较少的火所导致的破坏是不同的。


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