火是一种矛盾的存在。它不可触摸,却又切实存在;它给予光明,又带来毁灭;它象征着文明和希望,却又是城市的毁灭者。无怪乎古人赋予火焰种种神秘内涵。而自工业革命以来,火所发挥出来的力量,远远超出过去的想象。它们在机器中奔腾咆哮,如同神话中的巨人,驱动万吨马力,照亮长长黑夜,运送如海般货物,甚至把人类送上月球表面。想要理解现代社会所具有的力量,其基础叫做燃烧学。
火,在各种神话和幻想中,常常盗取自神灵的世界,是人类摆脱蒙昧的关键道具;在宗教和神秘仪式中,火又常被视作终极的净化,和通达神明的媒介,亦或是通向先祖世界的途径。
在更加现实的世界中,早在100万年前,火就开始被人类所掌握和使用,它不但帮助人类抵御寒冷和猛兽,还能加热食物使之更易于消化,在人科人属的演化过程中发挥着重要作用。
虽然火是如此的重要,但在大部分时间里,人类对其本质却所知甚少,仅从直觉上认为火是一种物质实体。从古典时代通行的四元素说,或是相近的五元素、四大、五行,到中世纪炼金术的三要素之一,再到18世纪被广泛接受的燃素说,这些观点要么太哲学,要么太玄学,都缺乏精确解释现实情况的能力。
直到1777年,安托万-洛朗·德·拉瓦锡向法兰西科学院提交了一篇重要的论文《燃烧概论》(Sur la combustion en général)。
通过对燃烧前后物质的定量分析,拉瓦锡否定了火元素或是燃素的存在,提出燃烧是燃料被空气中酸性元素氧化的过程(这种酸性元素后被命名为氧)。氧化理论完美地解释了金属燃烧后的灰烬质量反而会增加的现象。这也就是现在人们所熟知的燃烧三要素的雏形。
当然,氧化反应不一定必须有氧的参与。只要有比碳抢夺氧原子能力更强的物质(强还原性),就算是二氧化碳也可以做氧化剂(助燃剂),例如镁就可以在二氧化碳中燃烧。
回顾完这段历史,接下来是一些传火的基础技巧。技巧一:加热 ,万物皆可燃烧。
燃烧的本质是一种剧烈的氧化反应,只要温度达到物质的燃点,任何物质都可以参与燃烧,就算是燃烧的产物亦然。当反应释放出的热量传导到周围的环境,又可以使其他物质达到燃点发生燃烧。这就是燃烧链式反应。
以火柴为例,摩擦产生的温度尽管不能达到木材的燃点,却足以让燃点极低的硫和红磷燃烧;然后它们燃烧的温度超过木材燃点,最终点燃整根火柴。通过这种方法,理论上我们可以通过一系列中间物质的点燃,让任何难以燃烧的物质烧起来。该技巧还有一个进阶应用。在封闭的环境内借由初始的小范围燃烧,将环境温度加热到609℃,达到一氧化碳或者的燃点,此时大量的气体和粉尘混合物就会被迅速点燃,制造出所谓的轰燃效果Flashover。
技巧二:焰气,火焰传播的奥秘。
想要制造好看的火焰,首先要明白火焰与火并不完全是一回事,燃烧不一定有火焰,而是需要特定的条件。比如蜡烛的燃烧,烛芯处蜡受热蒸发升腾,但在燃料流内部因为缺乏氧气,可以完全燃烧的只有表面一层,被称为火焰面;氧气和燃料不断地在火焰面上混合、燃烧,维持着恰到好处的比例,也就是燃料的化学当量比。这就是所谓的扩散火焰。因而火焰产生的关键在于物质的燃烧温度是否高于其沸点。当然还有一种常见情况,比如木炭在空气中燃烧时,并没有达到碳的沸点,但由于氧气含量不足以让木炭充分燃烧,产生了可燃性气体一氧化碳并向周围扩散,于是就有了火焰。
所以更精确地讲,火焰产生的必要条件是链式反应自由基。也就是存在游离基作为中间体,传导链式反应。火焰炼成阵的最后一块拼图就此完整。
技巧三:回燃,燃烧极限的妙用。
还是以封闭系统内的燃烧为例。由于高温,使得更多的物质成为可燃物,这里对应的是超过燃烧下限LFL(Lower Flammable Limit)。在燃烧后期,虽然大量可燃物仍然保持着较高温度,但因为缺乏助燃剂而不能充分燃烧,达到了燃烧上限UFL(Upper Flammable Limit)。也就是燃料和助燃剂的比例,要处于两个界限之间时才能正常燃烧。
这就如同未灭的余烬,如果在此时注入助燃剂,就会将其推回到燃烧界限中间,重新燃烧起来。瞬间烧光的空气还可能形成倒吸,并让火焰顺着倒吸的轨迹一路追出,形成冲击波和火球。
这就是火场上最凶险的回燃现象Backdraft。总之,燃烧学是一门非常复杂而又精确的科学。它贯穿于人们生活中的方方面面,从烧水做饭到四冲程发动机,从火塘取暖到燃气涡轮发电机组,从刀耕火种到液体火箭发动机。
虽然今日所学不过是基础中的基础,但只要每一个人都能为科学传火添柴加油,那么文明的火焰就永远不会熄灭。参考资料:
CFBT-instructor course for the Attack Cell Karel Lambert Versie 12/12/2016.
International fire behavior and suppression course, Lars Agerstrand, Zweden.
Caculation of Flammability and Lower Flammability Limits of Gas mixtures for Classification Purposes, Volkmar Schroeder.
Turns, Stephen (2011). An Introduction to Combustion: Concepts and Applications.
Ragland, Kenneth W; Bryden, Kenneth M. (2011). Combustion Engineering.
Fernández-Jalvo, Y., Tormo, L., Andrews, P., & Marin-Monfort, M. D. (2018). Taphonomy of burnt bones from Wonderwerk Cave (South Africa). Quaternary international, 495, 19-29
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