火的科学原理

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什么是火?
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。
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。
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- 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。
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。
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- 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。
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。 |
火中的变数
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。
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