科普:为什么火焰是上升的,地球存在引力,火苗为什么不向下沉?

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火焰是人类文明致胜的法宝之一,世界上只有人类具备随心所欲应用火焰的能力。对于这样司空见惯的东西,有时候也不禁会让人们好奇,火焰到底是什么组成?为什么地球对大气都有束缚的能力,使地球大气绝大多数质量都集中在距地面10公里的范围内,而火苗却似乎能够克服重力,具有向上飘的能力?

为什么火焰是上升的,地球存在引力,火苗为什么不向下沉?

火焰的发生和组成

对于我们最熟知的火焰,大家可能都知道是可燃物和氧气迅速发生反应导致的快速发光发热的现象,伴随着气体、无机物灰烬的生成。问题是这个过程是怎么发生的,可燃物是直接和氧气反应还是另有玄机?

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如果仔细观察的话我们可以发现,火焰都不是产生于可燃物的内部,而总是附着在表层,内部的燃烧是氧气通过间隙进入后较为缓慢且不是很充分的燃烧,虽然也能发出光和热,但并无火焰,制木炭就是在氧气不是很充分的情况下燃烧,使得木材成为多孔隙的构造,这样的构造更便于氧气进入就更易燃烧;附着在表面的火焰由于燃烧介质的不同,具有不同形态,气体会飘散它们的火焰是飘忽不定的倒可以理解,固体的燃烧为什么也是这样呢?

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火焰发生有一个很重要的条件,那就是超越燃点的温度,在高温下物质的粒子活动更剧烈,一些可燃物粒子脱离固体表面进入空气中,在高温中和氧气的分子快速地化合,如果温度比较高,物质粒子还会被离子化,也就是成为等离子态的,使得固体可燃物的燃烧也有一个很明显的燃烧界面。也就是说火焰是发生于气态状态下的,固态可燃物的燃烧是先转化为稀薄的气体或者等离子态,然后才是和氧气的反应,当然其中也会有一些不能燃烧的无机物灰烬被卷起。

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所以,火焰的物质组成中有氧(氧自由基等形态)、可燃物粒子、等离子体、灰烬等;而火会发光是由于物质的原子在高温下原子态被激发,电子跃迁发出可见光光谱,由于不同元素原子跃迁能级不同,使得火焰的颜色也不尽相同。

不同环境中火焰的状态

在地球上,我们看到的火焰都是具有类似等形态,形成类似于水滴状的形状,尖尖的更黄更亮;不管是以氧气为氧化物的燃烧反应还是以氯气等为氧化物的反应,火焰都具有相似的形状。

为什么火焰是上升的,地球存在引力,火苗为什么不向下沉?

左:地球 右:太空

而在太空中火焰的形态却大不相同,会形成一个圆球形覆盖在燃烧界面上,不像地球上的火焰那样会飘忽不定,并且火焰的颜色会更蓝。

如果能够理解地球和太空微重力环境的区别,就能够理解为什么地球上的火焰总是向上飘。

火焰向上飘的原因

空间站是人类建设在太空中的实验平台,内部的气体环境虽然和地球大气稍有不同,但是气体中也包含燃烧反应的足量氧气,所以这里的不同不是造成太空和地球火焰形状不同的原因。由于随着空间站一同绕地球运动,地球对气体的引力也提供了其圆周运动的向心力,所以气体也是失重状态,不像地球大气大部分都集中在地表附近,太空中的气体单纯是靠自由的扩散运动维持着较为均衡的密度。

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而地球上由于重力的作用,绝大多数大气都被束缚在地表附近,而大气分子质量小,在热的催动下会发生较为剧烈的活动,也就是热胀冷缩现象比较显著,火焰的热使得上部的气体膨胀散失,火焰周围形成一个气体的低压区域,同时热空气的上升也托举着火焰,使火焰呈类似水滴的形状。而周围的气体因为受热少密度高气压就也比较高,在气压的推动下气体会向火焰形成的低压区域中压,这种现象称为对流。对流可以为火焰源源不断地补充氧气,以便持续支持燃烧。

为什么火焰是上升的,地球存在引力,火苗为什么不向下沉?

在太空中火焰的热虽然也会使燃烧界面附近的空气膨胀,但是周围受热较少的气体却不会沉降,不能形成地球上的对流效应,使得火焰成为圆球形;因为对流现象不显著,火焰燃烧的氧气补充也比较缓慢,更容易发生不完全的燃烧,产生一氧化碳,而一氧化碳也能继续燃烧,颜色却是蓝色。

综上,说了这么多,地球上的火焰能向上飘,莫不说正是地球引力的作用。火焰是发生在燃烧界面上的可燃物粒子和氧气的迅速反应,而引力和热胀冷缩现象使受热不均的气体形成了对流,对流中的气体运动更迅速,拖动燃烧界面,使燃烧中的物质粒子克服了引力的作用,因此火焰才向上飘。

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