书城童书青少年应该知道的火
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第10章 火界探秘——火焰的本质

火,与我们的生活密切相关。在日常生活中,我们常常会看到各种各样的火焰。例如蜡火、炉火、烟火等。那么,火焰到底是什么呢?

准确地说,火焰应该是一种状态或现象,是可燃物与助燃物发生氧化反应时释放光和热量的现象。通常情况下,火焰分为三部分,焰心、中焰和外焰。火焰温度是由内向外依次不断增高的。

火焰中心,也称起始平面,它到火焰的外焰边界的范围内是气态可燃物或着是气化了的可燃物,它们正在和助燃物发生剧烈或比较剧烈的氧化反应。

在气态分子结合这一过程中,能够释放出频率不同的能量波,因此会在介质中发出颜色各不相同的光。

有人常常会这样认为,只有在高温条件下,才能产生火焰。事实上,这一说法并不正确。因为火焰并非都是高温等粒子态,在低温下仍然可以产生火焰。

例如,在空气中刚刚点燃的火柴,其火焰内部就是火柴头上的氯酸钾分解放出的硫,在高温下离解成为气态硫分子,与空气中的氧气分子剧烈反应而放出光。外焰反应剧烈,故温度高。

从其本质上来说,火焰是能量的梯度场。伴随燃烧的过程中,其残留物可以反射可见光,与能量密度并没有关系。

从科学的角度来说,我们也可以将火焰认为是一种混合气体的固体小颗粒。由于它是一种混合体,如果将它说成固体或气体都不合理。固体小颗粒与空气中的氧气发生反应,由于受到高温或者其它因素的影响,能够以光的方式将能量释放出来。当物质变为气态后,若继续从外界获取能量,当达到一定程度时,它的粒子又可以再次分裂为带负电的电子和带正电的离子,也就是原子或分子发生了电离现象。

电离后,带电粒子的浓度一般都超过一定数量(大约需千分之一以上)。在这种情况下,虽然气体仍然接近于平常的流体,但中性粒子的作用不再是首要的,而带电粒子的作用则成为最重要的,整个物质的性质也更新了。这样部分或整体电离的气体,自由电子和正离子所带的正、负电荷量是相等的。由于整体呈现出电中性,电磁场便会对其行为产生影响,通常被称为“等离子体”。此外,由于物质的固、液、气三态同属“聚集态”,若从聚集态的顺序来看,通常会把“等离子态”称物质的第四态。

日常生活中,我们接触到的等离子体现象其实很多。例如光彩夺目的霓虹灯,电焊产生的火花,常见的闪电、火焰等,这些都是等离子体发光的表现。此外,地球大气上层的电离层同样也是由等离子体形成的。与人类息息相关的太阳,同样也是一个大型的等离子体球。

地球上物质的等离子态,说起来也是特殊的。然而,如果按质量来估算整个宇宙中的物质,其中有90%以上的物质是等离子态的。

事实上,等离子体服从气体遵循的规律。不过,若与常态气体比起来的话,还有很多独特的性质:粒子在无规则的热运动之外,能够产生某些类型的“集体”运动,而且是电和热的良导体。另外,等离子体中带电粒子的电磁作用,在一些特定的情况下,也能使等离子体本身像液体一样,在强磁场的作用下,凝集成各种形状,它的边界清晰可见。正因为此,在研究等离子体的相关问题时,通常会把它当作一种能传导电流、可以流动的连续介质,即导电流体。该导电流体的运动和行为,利用磁场对其进行控制,将这一现象称之为“磁流体”。

我们平时看到的蜡烛火焰,大多数是泪状的,其实是由热量引起的空气流上升所致。蜡烛火焰周围存在着平稳流动的空气流,而且将它聚拢成一点。在这里,我们就必须提到本生灯,也就是实验室常用的一种高温加热工具。其火焰形状是由空气流和燃气流二者共同控制的。本生灯未点燃时,如果燃气未与空气混合在一起,灯的火焰就是不规则的,如同一条在微风中舞动的黄带子。若空气先与燃气混合起来的话,火焰的温度就相对要高,而且其形状也较规则,看上去是带点蓝色的圆锥形火焰。这一事实,能够证明火焰的形状与重力有关系。

综上所述,火焰内部是由气态分子组成的,它们不停地被激发,不停地游动,寻找进行反应的“伙伴”。在这一过程中,释放光和能量,我们也就看到了火焰。