在人类历史上,恐怕没有哪种东西比火更重要了。从远古人类垒起的火堆,到运载火箭发射时喷出的烈焰,火焰一直伴随着文明的进程,我们平时吃饭、取暖也离不开火的力量。或许熟读物理、化学的你认为对火很了解,不过若是有人问你“什么是火”,你是否能说出个道道来呢?
自史前时代以来,人们就一直利用火照明、取暖。火是物质氧化时发光发热的现象,但人眼能够看到的“焰”,其实只是“火”的一部分。
无论是古代中国的“金木水火土”,还是古代印度、中东、欧洲的“水气火土(地火水风)”,火总被古人看作组成世界的基本元素之一。今天我们当然知道,火并不是一种“元素”,甚至也不是一类物质——化学成分不同的多种物质都能着火,而烧完后“火”就无影无踪了,这不符合“物质不灭”的基本原理。
火焰熊熊燃烧,和金属锈迹的悄悄出现一样,都属于同一种化学过程——氧化。更准确地说,“火”和“焰”也不完全是一码事。火是物质快速氧化(燃烧)时,发光发热的现象。这个现象里,有些部分是人的肉眼看不到的。而焰是火的可见部分。所以,我们平时说的“火”,其实大都是指看得见的“焰”,你也可以叫它“火焰”。
那么,火焰又是什么?它主要是一团发光发热的气体,混杂了一些燃烧物的固体颗粒。而火焰的上半部温度最高,这部分可能会变成“等离子体”。如果温度足够高,整团火焰全是等离子体也有可能。
等离子体,就是在气体在至少几千摄氏度的高温,或者低压、通电等条件下,原本绕着“大哥”(原子)周围转动的“小弟”(电子)会离开大哥,自己漫无目的地闲逛。这种现象叫做气体的电离化,电离化之后,气体就变成了“等离子体”。等离子体包括自由电子、失去电子的带电离子,两者所带的正负电荷恰好抵消。因此火焰本身并不带电,却有极强的导电性。
在我们身边,大多数物质最常表现为固体、液体、气体三种状态,而等离子体是物质的第四种状态。一般来说,固体加热后变成液体,液体加热后变成气体,气体加热到一定程度,就变成等离子体。
可能你会觉得“平时生活中很少看见等离子体啊!”其实在宇宙里,99%的物质都是等离子体!比如太阳,就是个巨大的等离子体。地球上的闪电、极光,也是等离子体。而我们平时最容易观察的等离子体,或许就是“辉光球”了。这种玩具是在玻璃球中充入稀薄气体,中间的球状电极通电后,气体被电离成等离子体,产生美丽的辉光。
点燃一个火苗仔细看,会发现它可以分为明暗不同的三个部分:最外层的外焰、中层的内焰和最内部的焰心。它们三个就像俄罗斯套娃一样,一个套着一个。
外焰完全暴露在空气中,沐浴着最充足的氧气,所以燃烧最充分,放热最多,温度自然就是在三个“套娃”中最高的。而中层的内焰由于被外焰隔着,得不到充足的氧气,温度就低一些。而焰心更得不到什么氧气,所以温度最低。所以要想快速用火加热东西,就得使用温度最高的外焰。
我们熟悉的火焰呈水滴形,大头朝下,尖端朝上一蹿一蹿的。这是因为空气被火焰加热之后,密度就会变小,往上“浮”了起来。而周围密度较大的冷空气,则会不断从火焰下端挤进来,填补空缺。这种空气流动,就把火焰“挤”成了尖头朝上的水滴状。
我们常常把燃烧和火焰划上等号,认为只要燃烧就必然产生火焰,其实并非如此。固体、液体、气体都能燃烧,但只有气体燃烧才会有火焰。如果固体或液体燃烧,只会有发红、火花、强光等现象,不会有火焰。
或许你会说:“不对啊,蜡烛、木头、酒精点着了都有火焰,但它们是固体和液体啊!”实际上,它们是在高温下先汽化变成气体,才冒出火焰的。
以木头为例,木头能着火,是因为高温使木头发生化学变化,分解出了一氧化碳、甲烷、氢气等可燃气体,这些气体燃烧产生了火焰。如果把木材“干馏”,除掉这些气体,这样木头就变成了木炭,燃烧时就只会发红不会有火焰了。蜡烛、酒精也是在高温或自然挥发下先变成蜡蒸气、酒精蒸气,才能产生火焰。