2019圣誕節(jié)近在咫尺,圣誕節(jié)點(diǎn)蠟燭以祈求好運(yùn)和上帝的祝福,同時也是對圣嬰的迎接,從物理學(xué)的角度來看,為什么燃燒的蠟燭,它的火苗是朝上的?物理知識大普及,小編一一為大家解答:
一、為什么燃燒的蠟燭,它的火苗是朝上的?
火在燃燒的時候,發(fā)出很多熱量。這種熱量把周圍的空氣加熱,于是,受熱后的空氣產(chǎn)生熱膨脹,變得很輕,開始上升。在水中,輕的物體總是漂浮在水面上。在空氣中也是這樣的。也就是說,由于空氣受熱變成上升氣流,才使得火焰的方向朝上。
你也可以這樣來理解:火向上燃燒,是因?yàn)樯仙目諝饣蛉紵臒釟怏w把火焰拉上去了。
因此,在火焰的上端呈現(xiàn)出一種像蠟燭的火苗或火柴的火苗那樣的尖形。這種形狀接近于三角形,尤其是頂端和三角形一樣。
由于物體在燃燒的過程中,這種作用不斷地產(chǎn)生,所以,火總是向上燃燒的。
人們認(rèn)為,失火現(xiàn)場出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng),煙囪能夠助燃,其原因都是由于這種強(qiáng)烈的、急劇上升的氣流造成的。你也可以認(rèn)為火苗是隨著上升的氣流而向上燃燒的。
二、燃燒的蠟燭為什么不論橫著還是豎著,火苗都朝上?
1. 蠟燭燃燒的實(shí)質(zhì)是蠟質(zhì)受熱氣化,與空氣混合,實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散燃燒;
2. 氣態(tài)物質(zhì)燃燒時,由于氣體受熱膨脹,引起火焰處氣體密度比大空間氣體密度低;
3. 在重力場的作用下,密度小的流體受重力反方向的浮力而向上運(yùn)動,即對流運(yùn)動。
綜上所述,蠟燭火苗的朝向僅與其所受的力場方向相反。因此,太空中無力場作用時,蠟燭無法對流,則無法燃燒。
三、失重條件下的蠟燭能燃燒嗎? ?
作為舉世聞名的德裔美國科學(xué)家,阿爾伯特?愛因斯坦是現(xiàn)代物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人,贏得世人無盡的贊譽(yù)。在人類進(jìn)行航天飛行之前很久,他就提出了一個問題:“在失重的條件下(如宇宙飛船中)能點(diǎn)燃蠟燭嗎?”他的回答是否定的,理由是,處于失重狀態(tài)下的空氣不再受到重力,蠟燭燃燒時,熱空氣不再上升,冷空氣也不再下降,蠟燭周圍被燃燒過的熱空氣包圍,而蠟燭芯不能得到氧氣的補(bǔ)充,因而很快會熄滅。
這種解釋完全合乎邏輯,可能正是這種邏輯妨礙人們在實(shí)踐中去驗(yàn)證。乘坐宇宙飛船遨游太空的人,誰也不會想到去擦火柴或點(diǎn)蠟燭。
1987年2月,這種情況終于碰到了!昂推教枴庇钪婵臻g站發(fā)生了故障──氧氣發(fā)生器起火了。與理論上的看法相反,燃燒的火焰并沒有自動熄滅,宇航員只好動手將火撲滅。
這起事故觸發(fā)了俄羅斯和美國宇航員在失重條件下進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)的想法。于是他們點(diǎn)燃了蠟燭,結(jié)果蠟燭持續(xù)燃燒起來,不過燃燒速度比在地面緩慢得多,尤其不同的是火焰的外形不是象一般那樣向上伸展,而是一個很標(biāo)準(zhǔn)的圓球,火球外圍呈淡藍(lán)色。
這是什么原因呢?
原來愛因斯坦忽略了空氣熱運(yùn)動的存在,即使沒有對流,含有氧的新鮮的空氣還是可以通過擴(kuò)散到達(dá)燭芯,維持蠟燭的燃燒,但燭焰因?yàn)闆]有冷、熱空氣的對流運(yùn)動而暗一些。同時,由于失重,空間的各個方向是各向同性的,因而燭焰是球型的。宇宙飛船上天以后,前蘇聯(lián)的科學(xué)家在“聯(lián)盟8號”上順利進(jìn)行了焊接工作,證明了在失重條件下,的確能夠維持燃燒。愛因斯坦這樣的大物理學(xué)家也會作出錯誤的推測,可見物理問題是復(fù)雜的多變的,作為學(xué)生就更不應(yīng)該害怕犯錯,而應(yīng)該積極地思考,積極地推測。
既然在失重狀態(tài)下依然能夠燃燒,科學(xué)家在設(shè)計(jì)國際宇航空間站時,就必須預(yù)先考慮到可靠的防火措施。
失重能夠產(chǎn)生更圓的溫度更低的火焰。在上面兩張對照圖中,正常重力條件下產(chǎn)生的火焰和失重環(huán)境下的火焰之間的區(qū)別可謂一目了然。之所以存在這種區(qū)別,物理學(xué)的解釋是:在地球上,由于受到重力的影響,燃燒后會使旁邊空氣形成上下對流,于是我們看到的火焰向上。在太空失重的情況下,這種上下對流消失,點(diǎn)燃后的蠟燭沒有所謂的向上或向左等等的方向,其火焰就會向四周伸展,形成球形火焰。
在燃燒的同時,雖然消耗了氧氣,重要是氧氣分子是做無規(guī)則的運(yùn)動的,周圍的氧氣分子會填補(bǔ)原來的氧氣的空間,蠟燭便得以繼續(xù)燃燒,但由于受到廢氣的阻礙,燃燒時獲得的氧氣量會比在地球上相對減小,燃燒不夠充分,燃燒會比在地球上更緩慢。
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