燃燒時候產生的火焰是什麼東西?比如紙張燃燒是黃色的火焰,該火焰是由什麼物質組成的?
火焰是物質被劇烈氧化時發光的現象,也就是說火焰就是可燃物。紙張被燃燒時,大量的熱空氣將可燃微粒向上推送,在紙張上方劇烈氧化,從而發光產生可見的火焰。火焰是一種自發光現象,與我們平常看到的,反射光線的物質是不同的。由於氧化是化學反應,物質在反應後就成為了新的化學物質,一般不可燃燒,所以火焰不可持續,不可保存。物質燒掉一點,就發一點光,不能把發光的火焰保存下來,一直發光。
沒有詳細查證,火焰以劇烈發光發熱為直觀現象,這些應該是發生化學變化(所謂就化學鍵斷裂和新化學鍵生成)時釋放的能量形式,反應物和生成物本身可見度很低。
等離子體大部分情況下都是這樣的.
火焰不是什麼物質組成的。你看到的是物質燃燒發出的光。
火焰所在的那個空間範圍就是燃燒(這一化學反應)發生的位置。通常火焰都是從燃燒點向上方擴展的,是因為一方面參與燃燒過程的空氣被加熱後密度變小所以「浮起來」了,另一方面燃燒產生的廢氣(如二氧化碳)由於比空氣重會「沉下去」。如果燃燒發生在一個無重力的環境,火焰的形狀應該是球形的。
你還提到不同物質燃燒發出的光顏色不同。這是不同化學元素所具有的特性。所以當你燃燒一件物品時,如果用三稜鏡把發出的光分離開,通過得到的光譜可以判斷出物品的成分。比如如果光譜中含有黃色的光,說明燃燒的物品中含有鈉元素;如果含有藍色的光,說明(我沒記錯的話)含有氫元素。這也是人們最初用於確定太陽中所含有的元素的方法。火焰是可燃物質劇烈氧化時產生的發光發熱的氣態與等離子態混合體。
火焰發出的光是原子的外層電子躍遷產生的——這是量子理論範疇了,火焰之所以能被看到,就是因為這種「主動發光」機制,每種元素都對應一種光譜,所以可以用光譜儀來觀察光譜,進而確定燃燒物質是何種元素。聽說,太陽上的元素也是這樣被確定的。
在大氣中普通的火焰是劇烈氧化作用, 氧化作用釋放出的能量引起燃燒物質中的原子的電子產生躍遷,躍遷中釋放的能量,以光子形式傳播擴散。 一般大氣中的燃燒的都大比重包含碳元素和氧氣反應,這個過程中往往產生一氧化碳並發生二次燃燒,從而形成飄忽的火焰。溫度的不同、原子本身的不同,所帶來的躍遷方式也不一樣,因此產生的光子波長各有不同,從而形成我們看到的火焰。
簡單一句話,火焰不是物質,而是物質與能量相互作用產生的現象。先回答紙燃燒為什麼發出黃色的光。紙的燃燒是典型的擴散火焰,不完全燃燒,產生大量的碳煙,碳煙在高溫下溫度升高,你看到的黃光就是碳煙在高溫下產生的黑體輻射(這是寬頻連續譜,峰值剛好在可見光波段的黃色區域),跟金屬元素焰色反應沒有半毛錢關係。再舉一個例子,家裡的煤氣,產生的是藍色的火焰,這個屬於預混燃燒,燃料燃燒的比較充分,幾乎不產生碳煙,這個藍色主要來自於火焰反應層中的CH和C2(C2佔主要)的化學發光(CH在431nm附近有一個譜帶,C2在436、473、516nm處有非常強的三個譜帶,這個波段剛好是可見光的藍色區域)。
1、對於光的認識
輻射是物體的固有屬性。當物體受熱時,其分子內原子的相對振動、分子的轉動、晶體中原子的振動均隨溫度升高而加劇。按照物理學概念,熱就是這些運動的表現。受熱使物體內的原子或分子獲得能量,從低能態躍遷到高能態,再回到低能態的過程中發射出多種頻率的輻射能,這類輻射稱為熱輻射。
熱輻射所發射的電磁波稱為熱射線。熱射線的波譜包括0.1一1000微米的電磁波。熱射線產生的機制主要是氣體能級的轉化、液體及固體的分子振動以及固體晶格的振動等,這些都和物體的熱運動有關。在熱射線中,波長小於380納米的屬於紫外線,波長在380一780納米之間的屬於可見光,波長在0.78一1000微米之間的稱為紅外線。電磁光譜示意圖如下:
2、關於可見光與溫度的關係
維恩位移定律(Wien"s
displacement law)是物理學上描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長與自身溫度之間反比關係的定律。
韋恩位移定律公式如下:
維恩位移定律說明了一個物體越熱,其輻射譜的波長越短。
譬如在宇宙中,不同恆星隨表面溫度的不同會顯示出不同的顏色,溫度較高的顯藍色,次之顯白色,瀕臨燃盡而膨脹的紅巨星表面溫度只有2000-3000K,對應峰值波長為965nm至1448nm,因而顯紅色。
而通電的白熾燈的溫度也基本分布在2000至3000K,所以白熾燈的輻射光譜偏橙。至於處於「紅熱」狀態的電爐絲等物體,溫度要更低,所以更加顯紅色。溫度再下降,輻射波長便超出了可見光範圍,進入紅外區。
這樣,物體受熱時顏色的改變就可以用光譜輻射曲線峰值波長的移動進行解釋。低溫時,輻射能量小,其主要的發射波長在紅外線區域,隨溫度升高,輻射能量增加,輻射光譜逐漸向可見光、紫外線等短波方向移動。在可見光範圍內,隨溫度升高,物體的顏色從紅色、亮黃色到白色,看起來越來越亮,這就是我們看到的光。
例如電廠鍋爐中的火焰溫度約為1600-1700攝氏度,近似為2000K,對應峰值波長1448m,觀察到的顏色為橙紅色。如下:
假設溫度繼續提升,波長峰值會由1448繼續下降,更加靠近可見光波長範圍,可以想見顏色會向黃色等短波長光靠攏。
第2部分的分析中,韋恩定律是基於黑體的。自然界的物質不是黑體。因此,第2部分的數據僅供參考,相對大小是有意義的,但絕對值沒有太大意義。
參考自:
[1]李志宏. 可視化火焰測量系統的開發及應用[D].中國科學院研究生院(工程熱物理研究所),2006.
[2]維恩位移定律 來自維基百科。
[3]第3幅圖來自電力魔方網站
火焰是一種能量釋放的現象,這種現象之所以可以看見,是因為能量釋放的急劇,也與所處環境有關
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