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          從鉆木取火談燃燒:陰燃與明火
          發布時間:2020-10-09     作者:   來源:學習中科院學習平臺   分享到:

          鉆木取火:古老而智慧的燃燒技術

          火給人類帶來溫暖和光明,讓人類告別茹毛飲血時代,走向文明。火的本質是燃燒。說起燃燒,就不得不提起人類最古老的燃燒技術——“鉆木取火”。

          鉆木取火看似簡單,但事實上設計精妙,傳承著人類的經驗和智慧。鉆木取火使用的工具包括鉆火棒和鉆火板。鉆火板上開有凹槽(流灰槽),與鉆火棒契合。鉆木時,鉆火棒在凹槽中來回旋轉,通過摩擦生成熱和細碎的木屑,木屑吸收了熱量而溫度升高。

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          氧氣進入多孔的木屑,發生氧化反應,持續放熱,最終導致陰燃的發生。陰燃是一種相對溫和、進展緩慢的燃燒形式,雖然有煙,卻不見火焰。

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          怎樣才能將燃燒放大,并得到火焰?聰明的祖先用陰燃的木屑引燃了蓬松而干燥的枯草堆,持續吹風就可以得到明火了。

          陰燃:無焰的燃燒

          鉆木取火的過程有兩種不同的燃燒形式:木屑的陰燃和枯草的明火。陰燃是發生在固體(如木屑)表面的氧化反應,而明火則是可燃氣體(如枯草的熱解氣)和氧氣之間的氣體氧化反應。

          除了木屑,線香的燃燒是生活中常見的陰燃。陰燃過程是沒有火焰的,溫度一般在300到600攝氏度之間。在這樣的溫度條件下線香會先發生炭化生成黑炭,因此陰燃的鋒面呈現炭黑色,然后高溫的黑炭被氧分子撞擊而氧化放熱,形成了穩定的陰燃。

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          可見,產生黑炭和黑炭表面的氧化反應是維持陰燃的關鍵。因此,陰燃常見于會發生炭化的固體,如香煙、紙、塑料泡沫、煤、棉花、木頭等生物質;而石蠟、塑料這類固體,加熱不會生成炭,也就很難發生陰燃。

          由于氧氣助燃,越是蓬松多孔的燃料,空氣越容易流入,越容易發生陰燃。同樣,風也可以讓陰燃燒得更快更強,這點相信吸煙者多有體會;而強風也可以使陰燃突變成更強的明火,這也是鉆木取火的最后一步。

          什么是明火?

          明火是可燃氣體快速的氣相氧化反應。蠟燭火焰是典型的明火,這里的可燃氣體是石蠟的蒸氣,蠟燭火焰根部的淡藍色就是石蠟蒸氣中的碳氫化合物燃燒發出的藍色熒光。而蠟燭火焰的上部是橙黃色,這是火焰中碳煙顆粒高溫時發出的熾光。

          明亮的火焰溫度至少在1000攝氏度以上。天然氣、氫氣等氣體燃料的燃燒溫度可以到達2000攝氏度以上。由于明火的反應比較充分,其產物以二氧化碳和水為主。

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          陰燃和明火的差異在森林火災中體現的尤為明顯。森林火災初期以明火的蔓延為主,在風的作用下明火的行進速度可達每秒幾十米。而明火來得快,去的也快,熄滅后會轉化為陰燃,樹枝、落葉、泥炭的陰燃可以持續數天甚至數月。陰燃作為一種不完全的燃燒形式,會放出致命的一氧化碳等有毒氣體。實際中,大部分火災的傷亡都是有毒煙氣造成的,而排放的碳煙顆粒物也會造成嚴重的霧霾。可見,火災中明火的危害在于其快速的破壞力,而陰燃的危害在于其隱蔽性,二者都給森林火、煤田火和建筑火災的消防和救援帶來極大困難。

          結語:

          總結一下,陰燃的特點是無焰、溫度較低、緩慢持久而燃燒不完全,而明火的特點是有火焰、高溫、燃燒劇烈而充分。陰燃和明火的差異明顯,但相互之間可以轉化,也有可能共存。今天,世界各國的學者正在持續開展燃燒和火災科學的基礎研究,試圖從化學反應動力學、物質和能量的傳遞等方面解釋這些差異。近年來,隨著物理、化學以及材料科學等基礎學科的發展,以及各類測量技術和計算機模擬技術的更新換代,燃燒研究的蓬勃發展正加深人類對于陰燃、明火等燃燒現象的認識,對于能源的高效清潔利用和火災安全防護有重要的實際意義。

          火在人類社會發展歷程中扮演著重要的角色,火是溫暖的也是無情的,唯有不斷加深對于火的認識,才能更好的制御火,讓火服務于人類,讓人類免于火的侵害。

          參考文獻:

          1. https://www.youtube.com/watch?v=1NynNqhepCM

          2. D. Drysdale, An Introduction to Fire Dynamics. 3rd ed. Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd; 2011.

          3. J. Walker, The physics and chemistry underlying the infinite charm of a candle flame. Scientific American, 1978.

          作者:

          高健(中國科學院青島生物能源與過程研究所)

          黃鑫炎(香港理工大學消防工程研究中心)

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