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从钻木取火谈燃烧:阴燃与明火
发布时间:2020-10-09     作者:   来源:学习中科院学习平台   分享到:

钻木取火:古老而智慧的燃烧技术

火给人类带来温暖和光明,让人类告别茹毛饮血时代,走向文明。火的本质是燃烧。说起燃烧,就不得不提起人类最古老的燃烧技术——“钻木取火”。

钻木取火看似简单,但事实上设计精妙,传承着人类的经验和智慧。钻木取火使用的工具包括钻火棒和钻火板。钻火板上开有凹槽(流灰槽),与钻火棒契合。钻木时,钻火棒在凹槽中来回旋转,通过摩擦生成热和细碎的木屑,木屑吸收了热量而温度升高。

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氧气进入多孔的木屑,发生氧化反应,持续放热,最终导致阴燃的发生。阴燃是一种相对温和、进展缓慢的燃烧形式,虽然有烟,却不见火焰。

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怎样才能将燃烧放大,并得到火焰?聪明的祖先用阴燃的木屑引燃了蓬松而干燥的枯草堆,持续吹风就可以得到明火了。

阴燃:无焰的燃烧

钻木取火的过程有两种不同的燃烧形式:木屑的阴燃和枯草的明火。阴燃是发生在固体(如木屑)表面的氧化反应,而明火则是可燃气体(如枯草的热解气)和氧气之间的气体氧化反应。

除了木屑,线香的燃烧是生活中常见的阴燃。阴燃过程是没有火焰的,温度一般在300到600摄氏度之间。在这样的温度条件下线香会先发生炭化生成黑炭,因此阴燃的锋面呈现炭黑色,然后高温的黑炭被氧分子撞击而氧化放热,形成了稳定的阴燃。

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可见,产生黑炭和黑炭表面的氧化反应是维持阴燃的关键。因此,阴燃常见于会发生炭化的固体,如香烟、纸、塑料泡沫、煤、棉花、木头等生物质;而石蜡、塑料这类固体,加热不会生成炭,也就很难发生阴燃。

由于氧气助燃,越是蓬松多孔的燃料,空气越容易流入,越容易发生阴燃。同样,风也可以让阴燃烧得更快更强,这点相信吸烟者多有体会;而强风也可以使阴燃突变成更强的明火,这也是钻木取火的最后一步。

什么是明火?

明火是可燃气体快速的气相氧化反应。蜡烛火焰是典型的明火,这里的可燃气体是石蜡的蒸气,蜡烛火焰根部的淡蓝色就是石蜡蒸气中的碳氢化合物燃烧发出的蓝色荧光。而蜡烛火焰的上部是橙黄色,这是火焰中碳烟颗粒高温时发出的炽光。

明亮的火焰温度至少在1000摄氏度以上。天然气、氢气等气体燃料的燃烧温度可以到达2000摄氏度以上。由于明火的反应比较充分,其产物以二氧化碳和水为主。

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阴燃和明火的差异在森林火灾中体现的尤为明显。森林火灾初期以明火的蔓延为主,在风的作用下明火的行进速度可达每秒几十米。而明火来得快,去的也快,熄灭后会转化为阴燃,树枝、落叶、泥炭的阴燃可以持续数天甚至数月。阴燃作为一种不完全的燃烧形式,会放出致命的一氧化碳等有毒气体。实际中,大部分火灾的伤亡都是有毒烟气造成的,而排放的碳烟颗粒物也会造成严重的雾霾。可见,火灾中明火的危害在于其快速的破坏力,而阴燃的危害在于其隐蔽性,二者都给森林火、煤田火和建筑火灾的消防和救援带来极大困难。

结语:

总结一下,阴燃的特点是无焰、温度较低、缓慢持久而燃烧不完全,而明火的特点是有火焰、高温、燃烧剧烈而充分。阴燃和明火的差异明显,但相互之间可以转化,也有可能共存。今天,世界各国的学者正在持续开展燃烧和火灾科学的基础研究,试图从化学反应动力学、物质和能量的传递等方面解释这些差异。近年来,随着物理、化学以及材料科学等基础学科的发展,以及各类测量技术和计算机模拟技术的更新换代,燃烧研究的蓬勃发展正加深人类对于阴燃、明火等燃烧现象的认识,对于能源的高效清洁利用和火灾安全防护有重要的实际意义。

火在人类社会发展历程中扮演着重要的角色,火是温暖的也是无情的,唯有不断加深对于火的认识,才能更好的制御火,让火服务于人类,让人类免于火的侵害。

参考文献:

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(中国科学院青岛生物能源与过程研究所)

黄鑫炎(香港理工大学消防工程研究中心)

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