火如何工作

经过:汤姆·哈里斯

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火是人类历史上最重要的力量之一。
Jeremy Hoare/Life File/盖蒂图像

大火会在不到一个小时的时间内摧毁您的房屋和所有物品,它可以将整个森林减少到一堆灰烬和烧焦的木头上。这也是一种可怕的武器,具有几乎无限的破坏力。火灾每年杀死的人数比任何其他自然力量都多。

但与此同时,大火非常有帮助。它给人类是一种便携式形式和热。它还使我们能够烹饪食物,伪造金属工具,形成陶器,硬砖和驱动发电厂。很少有事情能像火一样对人类造成的伤害,而且几乎没有做得很好的事情。它无疑是人类历史上最重要的力量之一。但是,到底是什么?

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古希腊人认为火是宇宙中的主要元素之一,以及水,地球和空气。这种分组具有直观的意义:您可以感觉到火,就像感觉到地球,水和空气一样。您还可以看到它并闻到它,并且可以将其从一个地方移动。

但是火确实是完全不同的。地球,水和空气都是物质的形式 - 它们由数百万美元组成原子聚集在一起。大火根本不重要。这是物质的明显,有形的副作用更改形式- 这是一个化学反应

我们将研究该反应如何产生热量和光线。

什么是火?

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那些橙色的火焰到底是什么?
Rolfo Rolf Brenner/Getty Images

通常,火来自在大气和某种燃料(木头或汽油, 例如)。当然,木材和汽油不会仅仅因为它们被氧气包围而自发着火。为了发生燃烧反应,您必须将燃料加热到其点火温度

这是典型的木火中的一系列事件:

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东西将木材加热到非常高的温度。热量可能来自许多不同的事物 - 一场比赛,聚焦的光线,摩擦,闪电,其他已经在燃烧的东西...

当木材达到约300华氏度(150摄氏度)时,热量分解了构成木材的一些纤维素材料。

一些分解的材料变得挥发着,并以气体释放。我们知道这些气体是抽烟。烟雾是氢,碳和氧的化合物。其余的材料形式char,几乎是纯碳,,这是木材中的所有无燃矿物(钙,钾等)。购买木炭时,炭是您购买的。木炭是木材,已被加热以去除几乎所有挥发性气体并留下碳。这就是为什么木炭火无烟燃烧的原因。

然后,木材的实际燃烧发生在两个单独的反应中:

  • 当挥发性气体足够热时(木材约500度F(260摄氏度)),化合物分子破裂,原子与氧气重组以形成水,二氧化碳和其他产品。换句话说,他们烧伤
  • 炭中的碳也与氧气结合在一起,这是一个较慢的反应。这就是为什么烧烤木炭可以长时间保持热的原因。

这些化学反应的副作用是很多热量。火灾中的化学反应引起了许多新的热量,这是维持火灾的原因。许多燃料一步燃烧。汽油就是一个很好的例子。热量使汽油蒸发,所有这些都像挥发性气体一样燃烧。没有字符。人类还学会了如何删除燃料并控制火。A蜡烛是缓慢蒸发和燃烧蜡的工具。

当它们加热时,碳原子的上升(以及其他材料的原子)发出光。这种“热产生光”效果称为白炽灯,与在灯泡。这就是导致可见的火焰。火焰颜色取决于您的燃烧以及它的热度。火焰中的颜色变化是由温度不均引起的。通常,火焰中最热的部分 - 底座 - 发光蓝色,顶部发光橙色或黄色的凉爽零件。

除了发出光之外,上升的碳颗粒可能会在周围的表面收集煤烟

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火在微重力中形成一个球体。
照片礼貌NASA

关于火中化学反应的危险是事实是自我延续。火焰的热量本身使燃料处于点火温度,因此只要周围有燃料和氧气,它就会继续燃烧。火焰加热任何周围的燃料,因此也会释放出气体。当火焰点燃气体时,大火蔓延。

在地球上,重力确定火焰如何燃烧。火焰中的所有热气体都比周围的空气热得多(且密度少得多),因此它们向上移动到较低的压力。这就是为什么大火通常向上蔓延的原因,这也是为什么火焰始终“指向”顶部的原因。如果您要在一个火上点火微重力环境,在船上说航天飞机,它将形成一个领域!

火变量

在最后一部分中,我们看到火是两种气体(通常是氧气和燃气气体)之间化学反应的结果。燃气是由热量产生的。换句话说,随着热量提供必要的能量,一种气态化合物中的原子彼此之间打破了键,并与空气中的可用氧原子重新结合,形成新化合物,并增加更多的热量。

只有一些化合物才能以这种方式破裂并重新组合 - 各种原子必须以正确的方式相互吸引。例如,当您开水时,它采取了气态的形式蒸汽,但是这种气体不会与空气中的氧气反应。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的吸引力,因此水化合物不会破裂并重新结合。

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最易燃化合物包含,与氧气相对较容易组合,形成二氧化碳,水和其他气体。

不同的易燃燃料在不同的温度下着火。将任何特定材料变成气体,甚至更大的热能才能触发氧气反应。必要的热量水平取决于构成燃料的分子的性质。燃料试点点火温度是形成气体所需的热量水平,该气体会在暴露于火花时点燃。在未插入点火温度,这要高得多,燃料会在没有火花的情况下点燃。

燃料是尺寸还会影响它会引起火的容易性。较大的燃料(例如厚树)可以吸收大量的热量,因此将任何特定材料提高到点火温度需要更多的能量。牙签更容易捕获火,因为它会很快加热。

燃料热量产生取决于气体在燃烧反应中释放多少能量以及燃料燃烧的速度。这两个因素在很大程度上都取决于燃料的成分。一些化合物与氧气反应,使得剩下很多“额外的热能”。其他人则发出少量的能量。同样,燃料与氧气的反应可能很快发生,或者可能更慢。

燃料是形状也影响燃烧速度。薄燃料比大块更快地燃烧,因为它们的质量中的一小部分在任何时候都暴露于氧气中。例如,您可以比用相同质量的一块木头燃烧一堆木质碎片或纸,因为碎片和纸的表面积要大得多。

这样,来自不同燃料的大火就像动物的不同种类一样 - 它们的行为方式有所不同。专家通常可以通过观察其如何影响周围地区来弄清楚大火是如何开始的。与缓慢燃烧的低热量火灾相比,产生大量热量的快速燃料的火灾将造成不同的伤害。

有关火科学的更多信息,请查看随后的链接。

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