法拉第告诉你,蜡烛是怎么燃烧的?

法拉第告诉你,蜡烛是怎么燃烧的?

国际新闻2020-07-21 13:57:28

像蜡烛为人照明那样,有一分热,发一分光,忠诚而踏实地为人类伟大事业贡献自己的力量。

——法拉第(Michael Faraday,1791-1867)

尽管法拉第在生前已经很有名气,但是他的声誉在死后才被认同。他的研究确实具有划时代的意义,而且毫无疑问,他是现代电子科学的奠基者。

法拉第非常擅长演讲。他在皇家学院每年为青少年听众举办的一系列圣诞科普讲座,《蜡烛的化学史》是最著名的一篇。这篇文章中有大量的实验和例证,它是由法拉第于1860年至1861年间的六次圣诞科学讲座的讲稿汇集而成。

统领宇宙任何一部分的规律,都可以在蜡烛的化学史现象中看到。如果想要研究自然哲学,那么从研究蜡烛的燃烧入门最好不过了。孩子们,我必须首先告诉你们蜡烛是由什么材料做成的。其中的一些材料是非常稀奇的东西。我现在手中有少量的木材,它们是非常易燃的树枝。现在你们看到的是来自爱尔兰一些沼泽地带的一种非常稀有的物质,它的名字叫“蜡烛木”——一种上好的优质木料,既坚硬又强韧,这种木材显然是一种非常好的抗力材料,而且它的可燃性非常好,在燃烧时,它们发出明亮的光芒,就像蜡烛一样。所以,只要人们找到这种木材就会把它们劈成小块做成火把。这种木材很好地说明了蜡烛具有的一般性质。燃料、使燃料能够在一定的场所发生化学反应的方法,以及向发生作用的场所有规律地、逐渐地提供空气,这是燃烧的三个必要条件。满足这些条件后,木材就会产生热和光,实际上,这根木柴就成了天然的蜡烛。

蜡烛木

但是我们必须谈谈市场上售卖的蜡烛。我这儿有一对被大家称为蘸蜡的蜡烛。蘸蜡的制作方法是这样的:先准备一块棉纱,把棉纱悬挂起来浸泡到熔化了的牛油里,然后把棉纱拿出来冷却片刻;再把棉纱浸泡到牛油里,就这样反复循环,直到棉纱的周围都裹上了牛油为止。但是,你们知道,蜡烛现在是干净的,并不像普通的牛油蜡烛那样油腻,即使你把烛泪用手刮掉并弄碎,也几乎不会把你的手弄脏。

现在我手里拿的蜡烛叫硬脂蜡烛,它是由牛油制成的硬脂做成的。我这里还有一支鲸油烛,是由抹香鲸的油提纯后做成的。黄蜜蜡和精制蜜蜡也可以用来制成蜡烛。这儿有一种稀奇石蜡,部分石蜡是用爱尔兰沼地里的石蜡做成的。我这儿还有一种朋友从日本带回的蜡烛,它是由一种新工艺制成的。

接着,我们讲讲蜡烛的光。我们来点上一两根蜡烛,让它们燃烧,履行它们应有的功能。你会发现蜡烛和油灯有很大的不同。油灯的工作原理是:先把油灌进盛油的器皿里,放上一根灯芯或者人工制成的棉纱,然后点燃灯芯的上部。当火焰沿着棉纱下降时,它会停住,但是它会继续在油面上的那一段棉纱上燃烧。你们肯定会问,油为什么不能自己燃烧而要跑到棉纱顶上才能燃烧?我们马上可以调查其中的原因,但是在蜡烛的燃烧中,有比这个更奇妙的现象。蜡烛由固体物质组成,不需要器皿来盛放它,那么,为什么这种固体物质可以提供火焰燃烧的条件?或者说,当它被熔成液态时,是怎么保持在一起的?这是关于蜡烛的一个很奇妙的现象。

在蜡烛燃烧的过程中,你首先可以看到的是一个美妙的杯状凹形。随着空气进入蜡烛,空气会被蜡烛产生的热流向上推,这样,蜡、油或其他燃料的各个侧面都在空气的包围中被冷却,边缘部分就会比中心部分更冷。在中心部分,随着火焰沿着烛芯向下蔓延直到它停住的地方,这样,离火焰较近的油就会熔化,而外面的部分不会熔化。如果我只让气流从一方通过,那么蜡烛形成的杯子就会倾向一方,而液态的油也会溢出来,这是因为地球引力把世界联系在一起,并让液体始终保持在水平位置。

所以,你们可以看到,杯状凹形是通过绝对匀称的上升气流在各个方向同时起作用而形成的,也是这种气流让蜡烛的边缘部分保持冷却的状态。如果蜡烛没有形成这种杯状凹形的属性的话,那么任何燃料都不能用来制作蜡烛,除了爱尔兰沼泽地的木料以外,因为那种木料本身像一团海绵,能很好地保持自己的燃料。

你们现在就能明白,为什么那些美丽的槽纹蜡烛在燃烧时并不好看,这种蜡烛在形状上是不规则、不连续的,所以它在燃烧时形成的杯状凹形就没有那种构造非常好的边沿,杯状凹形是蜡烛很好看的地方。我希望你们明白,任何东西只有它完美展现出来的过程(也就是它的功能)才是它最美妙的地方。对我们最有利的并不是最好看的东西,而是最能发挥作用的东西。这种好看的蜡烛并不适合用来燃烧,因为上升气流不均匀,它就会形成难看的杯状凹形 。

当滴滴烛泪从蜡烛的边缘流下时,就会使一些地方比其他地方更厚,这就是上升气流在发挥作用的一个很好的例子。随着蜡烛继续燃烧,烛泪会固定在某个位置上,形成一个小柱子粘在蜡烛的侧面。这是因为,当小柱子比其他的蜡或燃料升得更高时,它周围的空气就能更好地与其接触,它就会冷却得越快,就能更好地抵抗逼近的热力的作用。

正如许多其他的事物一样,蜡烛在燃烧过程中所发生的一切意外和差错给我们带来了一些启发,如果不发生这些意外的话,我们就学不到这些知识。你们一定要记住,不管什么时候遇到什么结果,尤其是当结果不同寻常时,你们应该问:“原因是什么?为什么会出现那样的结果?”总有一天,你们会找出原因。

在蜡烛燃烧的过程中,还有一点值得注意,即火焰是以什么方法从杯状凹形出来达到烛芯并上升到燃烧的地方去的。你们也知道,由蜜蜡、硬脂或鲸油制成的蜡烛在烛芯燃烧时,产生的火焰不会跑到蜡或其他材料上去并将其熔掉,而是保持在它自己的位置上。这是因为火焰被下面的熔液隔开了,它们无法侵犯杯状凹形的边缘。

蜡烛的各个部分自始至终都能互相协作,我想不出比这更美好的关于协调的例子了。那样的可燃物在燃烧过程中从来不受火焰的影响,那是非常美丽的景象。尤其是当你知道火焰的威力有多大,当火焰碰到蜡烛时,它可以把蜡烛毁灭成什么样子,甚至会把它熔化得面目全非,这时候你就会对静静燃烧的蜡烛心生敬畏了。

但是火焰是怎样得到燃料的呢?这一点也非常有意思。是一种毛细管的吸引作用把燃料输送到燃烧的地方,燃料并不是乱七八糟地积聚在那里,而是巧妙地积聚在燃烧的中心。

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