对蜡烛失重燃烧的探究

北京师范大学(100875) 魏锐

云南昆明市第一中学(650031) 黄婷

北京101中学(100091) 杨晶晶

在蜡烛燃烧的探究活动中,许多教师会留给学生一个有趣的问题:“蜡烛在太空中能否燃烧?如果能,会如何燃烧?”这一问题存在很多争论,已有多篇文章探讨蜡烛在微重力条件下能或不能燃烧的原因。本文则通过分析已有文章及一些教师所提出的预测蜡烛能否燃烧的思路,并引用相关的实验证据,澄清这一有趣的问题。

1如何做出猜想与假设

“微重力状态下蜡烛能否燃烧、如何燃烧”这个问题,能够很好地激发学生的探究热情。那么,对于这个问题该如何进行分析和预测呢?分析的思路和切入点如下。

1.1从对流的角度进行分析

蜡烛在地球上燃烧时,由于气体的对流作用,氧气能够很好地与反应物混合,因此蜡烛可以稳定燃烧,并形成拉长的火焰。在失重条件下,空气不再受到重力。蜡烛燃烧时,热空气不能上升,冷空气也无法下降,蜡烛周围被燃烧产生的热气体包围,因而反应物不能得到氧气的补充,很快会熄灭。

1.2从扩散的角度进行分析

地球上,有对流存在,可加速蜡烛的燃烧。在失重状态下,尽管没有对流,但气体由高浓度向低浓度的扩散应该依然存在。燃烧产物CO2等向环境中扩散,环境中的O2向反应物中扩散。依靠扩散机制,蜡烛也有可能燃烧。如果蜡烛在微重力状态下仅靠扩散可以持续燃烧,则火焰应该是球形的。也有观点认为,单独的扩散运动是低效的,不足以维持蜡烛的燃烧。

1.3从反应引发的角度进行分析

反应的发生都需要跨过一定的能垒(活化能),这就是为什么蜡烛放置在空气中不会自动燃烧的原因。只有用火柴点燃,才能引发发应的发生。那么,为什么蜡烛只需要点燃一次,就能够持续燃烧下去呢?是因为该反应放出的热量可以继续引发后续的反应不断进行。如果在失重条件下,蜡烛被点燃,仅通过扩散燃烧的效率,必然没有地球上借助对流燃烧的效率高。所以蜡烛有可能持续地缓慢燃烧,也有可能由于扩散燃烧产生的热不足以引发后续反应的发生而无法持续燃烧。

整合以上三个角度的讨论,对于蜡烛失重燃烧的预测可以出现两种可能:一是可以通过扩散燃烧形成球形火焰,但迅速熄灭;二是可以通过扩散燃烧形成持续的火焰,但不如在正常重力条件下燃烧的剧烈。

2如何开展实验研究

2.1来自美国航空航天局(NASA)的研究

1992年,哥伦比亚号航天飞机在执行STS-50任务中,进行了微重力实验(United States Microgravity Laboratory-I,USML-1),此次微重力实验中包含蜡烛微重力燃烧实验(Candle Flames in Microgravity,CFM-1),如图1所示。

该实验的目的是为了检验带芯火焰(蜡烛)是否可以在纯扩散或极其微弱的对流环境中燃烧,研究在这一条件下燃烧速率、火焰形状、颜色,以及研究两个靠得很近的扩散火焰之间的相互影响等。航天员点燃了10根单蜡烛,实验中蜡烛已经表现出在微重力状态下燃烧的基本特征(此前,在NASA的Glenn Research Center的落体时间为5.2 s的落塔,及日本的JAMIC的10 s落塔中均进行过微重力燃烧实验)。除了一根蜡烛燃烧了105 s熄灭外,其余的蜡烛在40~60 s会熄灭。在本次实验中,蜡烛并没有燃烧完全,科学家推测是由于盒子中的氧气被消耗而熄灭。如果空间足够大,氧气充足,可以使蜡烛燃烧完全。

1996年,NASA重新设计并在俄罗斯和平号空间站(MIR)上实施了实验CFM MIR,宇航员点燃了近80根蜡烛,再次进行了蜡烛微重力燃烧实验。由于提供了充足的空气,本次实验所有蜡烛稳定燃烧的时间均长于CFM-1实验。CFM MIR实验中蜡烛燃烧的时间从100 s到45 m不等。烛芯越粗,燃烧时间越短,反之时间越长。CFM MIR实验的装置如图2所示,该实验过程的视频可在NASA网站上下载。

2.2来自中国科学院的研究

杜文峰等在22 m的落塔中,通过自由落体获得了2.8 s的微重力实验时间。实验舱装载激光差分干涉仪、蜡烛、自动点火器、两台摄像机等装置。实验用蜡烛是市场购买的质量较好的产品。蜡烛芯的直径约2 mm,蜡烛直径约10 mm。实验开始时,首先在地面正常重力状态下利用自动点火器点燃蜡烛,大约30 s后,实验装置进入微重力状态,此时两台摄像机分别记录微重力状态下蜡烛火焰的讯息,以及蜡烛火焰由正常重力状态过渡到微重力状态的动态讯息。并由此发表了一系列成果。

2.3来自哈尔滨工程大学的研究

毕思思等为了在大学物理教学中使学生能够深入研究并掌握微重力环境下的现象与规律,根据落塔实验原理,搭建了短时微重力实验系统,该实验系统可以提供0.6 s的微重力时间。借助视频采集系统,能够实现视频的同步传输与视频信息的采集,从而可以对所采集的信息进行观察与分析,如图3所示。实验中能够比较明显地观察到点燃的蜡烛火焰形状发生的变化以及蜡烛火焰颜色变蓝等现象。

3有哪些主要的实验结论

通过国内外的研究发现,在微重力环境中蜡烛是可以持续燃烧的。

3.1火焰的形状

在微重力状态下由于自然对流的消失,新鲜空气(氧气)的供应仅靠扩散机制,火焰为半球形,如图4(右)所示。

在失重情况下,火焰距离烛芯的距离更远(在地球上为1~2 mm),这意味着火焰向蜡烛反馈的热量更小,蜡烛熔化的速度更慢。火焰的直径和高度为时间的函数,直径和高度随时间而增大。点燃时烛芯和蜡烛的形状会对火焰的直径和高度产生影响。

若正常重力条件下蜡烛火焰可抽象为“热点”的话,该半球形火焰也应可以抽象为“热点”。这样,烛身靠近火焰的一端也应形成杯形。而实验结果并非如此,由图5可见,烛身上端成突起状,熔化的烛油由于表面张力包裹在突起的固态蜡的外围(图中用白线勾画的部分)。从而支持了正常重力条件下烛身上端形成杯形系对流降温冷却的解释。

3.2火焰颜色

点燃后,蜡烛火焰为蓝色半球形,中间烛芯的上部区域为黄色亮核,这一区域温度最高。从黄色亮核区域向下,由于火焰要发挥向蜡烛供热的作用使火焰温度下降,因此火焰并非完全的球形对称。8~10 s后,黄色消失,火焰变为蓝色半球形,半径约为1.5 cm。然后继续重复出现黄色和黄色消失的过程,直到蜡烛熄灭。黄色亮核的产生与蜡油的聚集及坍塌有关,如图6所示。

3.3火焰的大小

通过分析失重条件下蜡烛燃烧火焰的照片,将火焰的直径D、高度H和二者的比值H/D对时间作图,如图7(左)所示。H与D的变化规律在不同蜡烛的燃烧中表现出很好的复现性,这与USML-1的实验结论是一致的。在CFM MIR实验中,火焰在前75 s内大小(D与H)一直在增加,之后,火焰的大小保持相对稳定。75 s时由于蜡油坍塌,D与H都出现波动。之后H与D几乎是稳定的,直到蜡烛熄灭。H/D也是随时间变化的函数。

CFM MIR实验还探讨了烛芯粗细与火焰大小的关系。正如预期的那样,烛芯越粗,火焰直径越大。3种不同粗细烛芯的蜡烛在微重力环境中,火焰的直径与时间的关系如图7(右)所示。通过对蜡烛的燃烧速率进行测定表明微重力情况下燃烧速率减慢:在正常重力情况下,3种不同粗细烛芯的蜡烛燃烧速率分布在0.9 mg/s至1.4 mg/s区间;在微重力情况下,燃烧速率分布在0.2 mg/s(最细的烛芯)至0.6 mg/s(最粗的烛芯)区间。

3.4火焰的温度

杜文峰等绘制了微重力环境中蜡烛火焰不同部位的温度曲线,如图8所示。在静止的微重力环境中,温度的径向分布图仍然为双峰形状,但火焰的温度要低于正常重力环境中的温度,火焰的半径则明显增大。这是由于在微重力环境中,自然对流消失,化学反应速度受到各种组分扩散速度的控制,从而导致蜡烛火焰温度降低。这也部分证实了微重力环境中蜡烛火焰发烟量低于烟黑生成温度的结论(通常认为超过1 300 K才有碳颗粒生成)。

1、2、3分别为距离蜡烛顶部0 cm、1 cm、2 cm的截面温度

在一个切面内蜡烛火焰的温度分布图,如图9、图10所示,能够更直观地表示出火焰不同部位温度的差异。在O2浓度为21%的环境气体中,蜡烛火焰温度分布如图9所示,最高温度为1242 K。在火焰与蜡烛交接处,蜡烛对火焰具有冷却效应,导致此处的化学反应速率和火焰温度较低。该实验结果也表明在静止的微重力环境中,扩散在燃料气体的输运过程中起重要作用。

来自美国航空航天学会(American Institute of Aeronautics and Astronautics)的研究者绘制了当O2浓度提高到23%时的蜡烛火焰温度分布图,如图10所示。与O2浓度为21%的实验结果相比,蜡烛火焰的温度明显提高,最高温度达到1600K,这时有碳颗粒生成,火焰中心会出现黄色。

(Paul Ferkul等,1999)

3.5燃烧现象与氧气浓度的关系

杜文峰等在氧气体积浓度为25%、21%和19% 3种情况下进行了实验,并得出以下结论:当氧气浓度为25%时,无论在正常重力状态,还是在微重力状态蜡烛火焰都是亮黄色;当氧气浓度为21%时,在微重力状态下蜡烛火焰起初是亮黄色,然后逐渐地变成暗蓝色;当氧气浓度为19%时,在微重力状态下蜡烛火焰的颜色很快变成暗蓝色。也就是在微重力状态下,氧气的浓度越稀,蜡烛火焰颜色就越迅速地变成暗蓝色。由此可知,在微重力状态下蜡烛火焰的颜色究竟是亮黄色还是暗蓝色与周围环境中氧气浓度密切相关。

蜡烛燃烧这样一个看似十分简单的问题,为什么有那么多科学家不遗余力、不惜花重金去进行研究?这样的研究有意义吗?我们想说的是这些都很有意义!首先,好奇心与兴趣是科学探索的驱动力,科学的本质即为探寻未知。科学探索来源于问题,只有对日常事物充满无限的好奇心和兴趣,不断地追问,才能够提出有探索价值的问题。其次,该研究成果也具有很多现实意义,微重力条件下的燃烧研究能够加深对地面燃烧过程的认识,增强对载人航天器火灾安全问题的理解,这两个方面一直是推动微重力燃烧研究的重要动力。总之,科学探究不能忽视生活中的任何“小问题”,问题恰恰来源于学生对身边现象细微之处的留心观察,好奇心与兴趣永远是科学探索的最好的引导员!

[本刊“培训课堂”栏目连载的关于蜡烛燃烧的文章摘编自:

《中小学理科实验探究》系列丛书之魏锐、熊辉主编的《初中实验探究》(长江出版传媒,湖北教育出版社,2012)。]

收稿日期:2015-04-12

浏览次数:  更新时间:2015-09-14 19:14:12
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