燃烧

过年回老家休息几天。荒芜的院子里到处都是树叶树枝。花了半天打扫了一下。然后点了一把火把这些东西都烧掉。

真是好久没有点过火了,望着熊熊火苗,我开始陷入了沉思。

有很多过于熟悉的东西,我们往往忽略了它的存在,不去问为什么。燃烧的火焰就是其中一个。

火为什么会燃烧会发光发热呢?显然它是一种化学反应,这是我们在课本上学到的。

干枯的树叶和树枝,大部分都是由植物纤维构成。这些纤维是什么呢?是单糖形成的长链。本质上是碳氧氢这些元素组成的巨大的有机化合物。当燃烧发生时它们和空气中的氧气,生成二氧化碳和水。这是燃烧这个过程背后发生的基础的化学反应。

然而我们现在把这些基本的反应放在一边,而把目光仅仅聚焦于燃烧这个过程本身。

基于持续的观察,现在有几个有趣的事实,可以深入研究一下。

首先,烟是往上冒的。你可能会说这是废话,我们当然都知道烟是往上冒的了。然而你还记得刚开始我们说的那句话吗?对于过于熟悉的东西,我们往往会忽略它的存在,而不去思考为什么。

烟的本质是什么?在植物纤维和氧气的剧烈反应当中,肯定会导致整个链条破碎,然后有一些短链或者分子团,会随着剧烈的反应提供的动能而被甩到空气中,这些短链的断开会导致整个物体的破碎,形成各种各样的小颗粒。如果这些小颗粒来不及与氧气彻底的反应,那么就会飘到空气中去。这些微小颗粒以及部分水分混合在一起就组成了烟雾。

如此看来,组成烟雾成分的分子量应该比空气的平均分子量要大得多。那为什么它会往上冒而不是往下沉呢?答案就是温度。

pv=nkt,压强体积不变的话,T升高就意味着n减小。更少的分子个数就意味着更低的密度。用我们的俗话说就是温度升高,气体膨胀,密度减小。

密度减小就很显然了,我们的大气,就像水一样是有浮力的,这些热空气就会往上飘,往上浮,所以说烟是往上冒的,热气球跟它的道理也是一样的。

水的浮力是什么呢?只不过是上下表面之间的水的压力差罢了,空气的浮力也是一样。造成这种现象的核心还是地球的重力,因为重力导致上下表面的压力差。

如果我们在太空无重力环境下点燃一支火柴或者一个蜡烛会是什么情况?应该不会产生像我们看到的那样尖尖的火焰,因为整个燃烧表面压力都是均匀的,产生的火焰应该是球状的。

怀着这样的想法搜索了一下,果然是如我所猜测的那样,甚至可以看到拍的图片。

烟是往上冒的这一点,我们在很多地方都可以利用,比如说烟囱。如果我们有一个很大的可乐罐,两端各开一个口,我们在后面开口用一个很长的导管把它导到一个很高处,然后在前面开口的地方在里边放一些木柴在里面点燃,这个时候,烟一定是顺着后面开口往上冒的,而我们塞木材那个小口,就会只是空气往里面进。这是因为,膨胀的空气会往上浮,而他就会顺着那个导管往上走,往上走产生的吸力会使得空气从我们塞木材那个口里面流入。

而我们广大拥有智慧的劳动人民,在历史的长河中,早就发现了这一点,每个民族造的房子里面都有高耸的烟囱,这样在厨房的屋子里面点火的时候,屋里是没有烟气的,只会顺着烟囱往外冒。

利用这一点,我们也可以构造一些很有趣的取暖装置,可惜在城市的房间里我们无法直接点燃火焰,即使你愿意点,也没有木材可以烧。

如果我们在野外点燃一个火堆会是什么样的情况?假如没有风的情况下,那么火也是往上冒的。周围的空气贴着地面,流向火焰的本身,这个流动的形状就像火字的下半部一样,所以点燃火堆的形状,就跟我们伟大的先人创造了火字一样。

第2个有趣的观察就是火焰是一个缓慢的化学反应过程,它与氧气的反应,有一个速度,缓慢的把这些热量释放出来,不是很快,但也不是很慢。恰巧是达到我们观察到火焰的那种程度。

这个恰到好处的反应速率,意味着我们可以用火焰来烹饪食物,利用火焰来锻造等等。所以我们不该忽略这个反应速率在我们人类文明的诞生和发展中起到的重要作用。

如果这个反应速率过快,能量在一瞬间就被释放出来,那就变成了我们熟悉的爆炸。实际上爆炸也是化学反应,甚至那些炸药的能量密度并不一定比得上其他物质,但是它的反应速率是足够的快,以至于很快很短的时间内就把所有的能量释放出来,这些能量瞬间形成了强大的冲击力。

如果反应速率过慢,我们就会感觉它像铁生锈或者说一些物体腐烂一样,并不会产生明显的火焰。正是能量的速度释放得恰到好处,足够产生光和热,才生出了火焰。一系列的有机碳分子和空气分子的混合物,在一个我们可以见到的火焰的区域内部,发生反应,放出热量,产生我们可以看到的光。

所以如果你仔细的思考这些背后发生的过程,当你看着火焰的时候,看着火苗不停的上穿下穿,意识到背后那些分子剧烈运动碰撞达到更低能量的结构并放出光和热形成的一个区域,就会觉得这是一个很有趣很有意思的一个过程。

第3个有趣的事情是大气中的氧气密度以及二氧化碳的密度,和植物以及燃烧之间的关系的平衡。

如果我们放任植物不停的进行光合作用,那么大气中的二氧化碳会逐渐的被他耗尽。然而我们现实世界中的二氧化碳却是维持在一个稳定的百分比上。

这个原因也可以归结于植物的叶绿素进行光合作用的效率,可能在很久以前大气中的二氧化碳密度很高,但是植物的叶绿素不停的合成,直到达到我们今天空气中二氧化碳的密度,基本上稳定下来。这个速度对植物来说很吃力,如果密度太低的话,植物就无法进行下一步的光合作用。

所以动物的消耗以及各种各样的燃烧,各种各样的产生二氧化碳的活动,也许对整个生物圈的存在运行是不可或缺的一环。这些不断生成二氧化碳的速率,和植物现在光合作用的速率逐渐达到了一个动态的平衡点,也就是我们目前大气中二氧化碳的密度。

我们可以从植物进化中看到一些端倪,我们现在有一些碳三植物和碳4植物。碳4植物的光合效率没有碳3植物高。碳4植物花费更大的能量精力,为的是可以在更低的二氧化碳密度下进行光合作用。之所以会进化出来碳4植物,可能就是因为二氧化碳密度越来越低,导致一些植物消亡,而一些新的植物进化产生吧。

然而人类不断的燃烧排放,产生的二氧化碳的速率已经超过了之前动物们的速率,但是想必植物也会加快它们的光合作用的速率,很多人觉得温室气体的排放是一个问题,其实我觉得未必,可能植物会不断的把这个问题解决掉。

最后这个二氧化碳和氧气浓度的问题,我已经思考了很久,改天有时间的话单独再写一篇吧,现在只是随便突然想起了。

这篇文章是在火边用手机和语音写下的,现在火差不多结束了,所以文章也应该差不多结束了。有句话一直想装逼引用下,今天总算逮到机会了:“火萎了,我也准备走了”。好吧,如果你读过这首诗的话,应该知道其实用在这里是很不吉利的,然而我实在忍不住放弃这么好的装逼机会。