互动科普

蜡烛通过固体→液体→气体的变化后产生火焰

电磁学的奠基人之一、英国物理学家迈克尔·法拉第（1791～1867）有一本名著《蜡烛的化学史》（The Chemical History of a Candle）。在此书中，法拉第认为作为科学的入门，蜡烛是绝好的题材，并做了以下说明：“无论从哪个角度看，蜡烛身上都满是引发人们兴趣的话题，它们与科学的各个领域相连接，其多样化令人叹为观止。”

现在的蜡烛，主要是由一种叫做“石蜡”的碳氢化合物构成。在圆柱形石蜡的中心，贯穿着一根棉线做成的芯。直接对蜡烛的“躯体”点火的话，很难点着，这是因为热量散发到周围，温度很难上升到点火所必须的温度，无法满足“燃烧的条件”。

要点着蜡烛的话，必须点着芯的前端。但即使点着了芯，也不代表只靠芯就能持续燃烧。首先，火的热量会在蜡烛的上端融化出一个碗状凹槽，液态的石蜡会存积在里面。由于“毛细现象”，它会顺着芯传向上方，再被火的热量加热成气体，然后在火焰中发生氧化反应。

也就是说，固态的石蜡变成了液态、气态，火焰才得以产生。伴随着这种状态变化的燃烧现象，其实是非常复杂难解的。因此，就算是很熟悉的烛火，我们也还有太多的东西并不了解。

顺带说一下，毛细现象是指液体顺着毛细管上升的现象。比如，将毛巾的一端放入盛了半盆水的洗脸盆中，另一端放在洗脸盆外的桌面上，过一段时间我们会发现桌面被弄湿了。这就是因为水顺着毛巾中的棉线之间的缝隙上升了。

燃气灶的火呈淡蓝色是因为事先混入了空气

厨房用的天然气灶，理科实验中用的煤气喷灯，都是事先将可燃性气体和氧气（空气）混合均匀然后再点燃的（预混合火焰）。在这种情况下，燃料燃烧完全、不易产生黑烟。另一方面，由于在火焰中不存在产生强光的、以碳元素为主要成分的微粒（冷却后变成黑烟），所以光会变弱，火焰呈淡蓝色（高温下天然气发出的光）。

然而，有时空气含量不足的话，火焰中微粒增加，就会产生亮黄的火焰。

蜡烛、木头以及纸燃烧时，它们所需的氧（空气）是由周围提供的（扩散火焰）。蜡烛燃烧时，在石蜡热分解产生的气体燃烧的区域内，氧气不足，所以火焰中以碳元素为主要成分的微粒增多，产生亮黄的火焰。

不过，在蜡烛黄色火焰的下部附近，也有一部分火焰是发浅蓝色光的。这是因为，这里的氧气供给充足，所以会呈现出与燃气灶火焰相同的颜色。

无重力时，火焰的形状会变成圆形

一说起火焰，大家的脑海里可能就会反映出向上延伸的形状。火焰之所以会呈现出这种形状是由于“空气对流”。气体被加热后会变轻，产生上升的气流，所以火焰就成了这种形状。

那么在国际空间站等无重力（微重力）环境下，火焰会呈现什么形状呢？在无重力环境下，温度高低所造成的气体重量的差异消失，所以也不会形成上升的气流，结果火焰就变成圆形的了。

在无重力环境下，由于没有空气对流，所以周围空气向火焰提供氧的速度也变缓。与地面上的火焰相比，此时火焰的温度变低，颜色也变成浅浅的暗蓝色，而火焰本身也很容易消失。

现在大家应该感受到了，平时随处可见的火，其中也包含着丰富的科学内涵。大家在做饭时，偶尔可以想象一下在火焰中活跃的分子。只是千万不要过于沉溺，以免发生烫伤或者火灾。

 重力状态（左）和无重力（微重力）状态（右）下的蜡烛的火焰。在无重力状态下，由于轻重的区别消失，所以不会产生空气对流，火焰也不会像在地面上那样向上延伸，而是会变成圆形。此外，由于对流所带来的氧气供给也没有了，所以火光会很黯淡。

（本文发表于《科学世界》2013年第6期）