火有質量嗎？

01-07

還是說它只是一種現象？如果有該如何計算？構成火的成分又是什麼？
相關問題:火是什麼物質組成的？

8月14日更新：

本來不打算再更這個答案了，但是評論區還是有很多人把這個問題跟質能方程、光子的動靜質量聯繫在一塊說事。雖然我的直覺告訴我這種說法是不對的，但是我沒有這方面的知識去證偽這種說法，還請懂行的知友賜教。

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看了一些評論，選了一些我覺得有代表性的，放在這裡統一回應一下：

1. 火焰和等離子體的關係

@盧荻跟我在評論區有一番探討，我的意見是，低溫的火焰（1000-2000K）不屬於等離子體的範疇，高溫火焰，比如火箭的尾焰，有可能是等離子體。在沒有外加電場的情況下，核心的問題還是在於火焰的溫度有多高，電離程度有多大。

補充一個wiki上對於火焰是否是等離子體的討論，我覺得說得挺明白了：

http://www.plasmacoalition.org/plasma_writeups/flame.pdf

2. 火焰是否是物質

火焰沒有什麼公認的嚴謹的科學定義，有的人可能認為火焰等於燃燒發出的光，有的人可能認為火焰是燃燒發光的光源。如果按照我的理解，火焰是物質，多數情況下火焰是一團發光發熱的氣體。我覺得燃燒的過程搞明白就可以，沒有必要糾結於火焰的定義。

3. 測量光子質量的問題

跟上面一條類似，我的理解，要測火焰的質量，應該測發光物質的質量，而不是光子。就像你要稱體重，不會選擇稱你反射出來的光子一樣，不然大家就都是瘦子了，哈哈哈。

原答案分割線

PhD在讀，目前在做燃燒相關的研究，把我了解的相關知識和題主分享一下。

1. 火焰是否有質量？

回答這個問題，首先要回答什麼是燃燒？什麼是火焰？

燃燒是一種化學反應，狹義地來說，就是燃料和氧化劑發生反應，生產燃燒產物的過程，火焰則是燃燒這一過程中，觀察到的反應物或者生成物發光發熱的現象。中學階段的有機化學已經給出了很多常見可燃物燃燒的化學方程式，比如：

CO+O2→CO2 （一氧化碳的燃燒）

H2+O2→H2O （氫氣的燃燒）

CH4+O2→CO2+H2O （甲烷的燃燒）

下面是答主試驗中的一些火焰的照片

背壓1bar的甲烷擴散燃燒火焰：

背壓3bar的甲烷擴散燃燒火焰：

從這個角度來說，如果題主指的火焰，是說發光發熱的反應物，或者生成物，那麼火焰確實是有質量的。

2. 火焰的質量應如何計算？

上文中我們已經明確了火焰就是正在發光發熱的反應物或者生成物，那麼測量火焰的質量，實際上就是要測量對應的反應物或者生成物的質量，這類研究其實也是目前燃燒研究的一個重要的方向。

但是由於燃燒的化學反應極其複雜，燃燒中間產物的種類十分龐大，燃燒的化學反應機理仍不明確，我們無法確定火焰中所有發光發熱的物質種類，因此目前我們通常僅對火焰中某一種特定組分進行測量。

這時可能有人會問，燃燒不就是幾種反應物和幾種生成物嗎？為什麼還會搞不清火焰裡面到底有什麼物質呢？這是因為我們平時接觸到的科普性的化學知識，大大簡化了一個化學反應的表達，以氫氣的燃燒這一反應為例，一個較簡單的詳細反應機理包含如下29個反應：

H2+O2→H2O 這一反應式，僅僅是上述反應最終簡化的結果，氫分子和氧分子其實經歷了相當多的變化（形成各種各樣的自由基和中間產物），才最終變成水分子，氫氣火焰發出的光和熱，就來自於這些中間產物的自發光和反應熱。

在這些中間產物中，OH（一種自由基，大量參與物質的氧化）、CO（一氧化碳，碳氫類燃料燃燒的重要中間產物，最主要的放熱來源）、CH2O（甲醛，碳氫類燃料起燃的一種重要中間產物）、NOx/PAH/Soot（燃燒中主要的一些污染物來源）都是學術界關心的問題，通常進行測量的指標為某種物質的質量分數（%）或者空間濃度（ppm）。

這些物質質量的確定包括採樣、激光測量等多種測試手段，我會在下文中結合火焰的成分和結構進行具體介紹。

3. 火焰的組分及對應的測試手段

首先介紹採樣這類測試手段，顧名思義，採樣就是通過探針或類似的結構，從火焰中取出一部分物質，然後通過質譜/色譜等方法分析物質的組分。這種方法通常用於定量測量火焰不同區域的物質組成。下圖是一個火焰採樣裝置的系統圖 [1]。

這種測試手段可以做到很精確地測量某種物質的質量分數，但是由於採樣物質離開火焰和進入分析儀器之間存在時間差，因此無法保證採樣物質在這段時間內不發生任何的反應，因此採樣得到的結果和火焰中實際的結果是有差異的，同時能夠識別的物質種類也有限。

以碳氫類燃料的火焰為例，通過採樣能夠分析的物質主要包括CO、C1-Cn的部分自由基、飽和及不飽和烴類，芳香烴類、碳煙等。

接下來再說說激光測量，激光測量的種類很多，其共同的特點就是利用物質受激光照射後產生的輻射信號來對物質進行測量。這裡簡單介紹熒光、熾光和散射光三種。

大家都知道，物質的電子是有能級一說的，低能態的電子吸收了特定能量的光子，會躍遷到高能態；高能態的電子躍遷返回低能態時，則會發射出特定波長的光子，這種效應稱為物質的熒光效應。通過特定波長的激光，可以激發火焰中不同的物質發出不同的熒光，根據熒光信號的強度可以推算出物質的濃度。

熾光主要用於碳煙的測量，用激光將碳煙加熱至很高的溫度，碳煙釋放出的黑體輻射就是熾光信號，熾光信號強度跟碳煙的體積分數有關。

散射光主要指物質被激光照射後產生的瑞利散射、米散射和拉曼散射，這幾種散射的光譜結構有區別，跟物質的濃度也有不一樣的對應關係，比較複雜就不展開了。

高壓甲烷火焰下的碳煙熾光信號 [2]：

除了用激光對火焰進行激發外，火焰本身的自發光也可以成為推斷火焰中物質組分的依據，由於燃燒中劇烈的化學反應，很多中間產物本身就處於高能態，會發射特定波長的光，通過光譜分析也可以得到火焰中物質組分的信息。

最後隨便扯一下火焰的結構吧，火焰的結構很複雜，現在也沒有搞得特別明白，對於甲烷擴散燃燒的火焰，我可以給一個比較大概的結構，如下圖所示：

而對於預混火焰，視預混程度的不同，火焰的結構變化很大，就不展開說了，有興趣可以私信探討。

我已經盡量用科普的方式來寫這篇答案了，但是不可避免地還是會運用到很多術語，不明白的知友也可以在評論區提問。

以下是參考文獻：

[1] Senkan S, Castaldi M. Formation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in methane combustion: comparative new results from premixed flames[J]. Combustion and flame, 1996, 107(1-2): 141-150.

[2] Joo P H, Gao J, Li Z, et al. Experimental apparatus with full optical access for combustion experiments with laminar flames from a single circular nozzle at elevated pressures[J]. Review of Scientific Instruments, 2015, 86(3): 035115.

有質量。火是等離子體（除固液氣之外的「第四態」）熾熱的炭黑等物質的混合物，也是宏觀物質的一種

一般情況下，前三態的物質都是由原子構成的，即每個分子原子周圍都有屬於自己的電子。有些固體和液體是由離子構成，比如鹽類晶體和溶液，但是同樣，每個離子周圍的電子都是固定屬於離子本身的

等離子體不同，它的電子由於高溫被激發，脫離了原來原子分子離子的束縛成為一團「自由」的電子（電子帶負電，提供電子的其他粒子帶正電，所以火本身對外仍然不顯電性）

基於黑體輻射，只要不是絕對零度的物體都會對外發射不同頻率的光線（電磁波），越高溫度的物體發射光線的最大頻率越高，人體溫度在37度，所以最大只能發射遠紅外，當溫度升高，發射頻率越來越高，到800度左右開始進入可見光波段，也就是說任何達到800度左右的物體，無論是固液氣還是等離子體都會發出紅光

純黑色物體的溫度和發出的光線顏色是有對應的，叫做「色溫」，用絕對溫標開爾文（K）表示，

如白熾燈的燈絲溫度為2700K，約2400℃，這就是燈絲此時的溫度

自然光正白大約是5400K，比太陽表面溫度5700K要稍低一些，因為大氣層折射掉了一部分藍光導致我們看到的陽光顏色偏紅

熒光燈是偏藍的白6300K（但並不代表熒光燈的溫度有約6000℃因為它不是熾熱發光）

閃電通常為帶有藍紫色的白，因為閃電的溫度超過萬度（20000K-30000K）

天文學上經常會使用這種方法來測量恆星表面溫度

黑體輻射只是發光的一部分，前面提到高溫激發電子，電子受激後進入高能態，在回落到基態的過程中會根據激發的能級不同發出特定頻率的光線，所以煙花可以有各種顏色 -- 焰色反應

木棍的火由上面兩種因素共同作用，亮色部分是因為內部大量的高溫固態炭黑引起的黑體輻射，而外部仔細看會有一層很薄的淡藍色，這是一氧化碳燃燒時，激發態電子的發射光譜

說句題外話，木頭的燃燒其實是木頭碳化，高溫碳與氧氣產生一氧化碳，最終一氧化碳燃燒的結果，亮色的炭黑實際是因為中心缺氧，一氧化碳和炭黑互相轉化的結果，實際燃燒的部分只有最外面一層

至於火焰為什麼永遠向上。。。因為熱氣比冷氣輕自然會向上飄啊，所以失重下的火焰是均勻的球體，同時因為沒有空氣對流，失重下的火焰無法持續燃燒。

什麼？你說太陽燒了多少億年了？人家可是核反應，根本不是在燒劈柴好么？

根據質能方程 E=mc2，即物質的質量與能量成正比。既然火焰有能量，則它也有質量。

想了很久還是來說明一下

當初回答這個問題自己沒想那麼多

但也不是某人說瞎幾把亂扯

我都是去圖書館找資料，結合了自己所有知道的內容我很認真的回答，評論也一個個看的

關於「靈魂」問題，我很抱歉，但後來我有解釋和表達歉意，希望不要有人再抓著這點不放

是我只是個高中生很多東西並不了解

你可以指出我的錯誤，但請有證據的指出

我也很感謝那些贊同我回答的人謝謝

以下原文：

謝邀

火應該是有質量的

質量的定義：質量是物體所具有的一種物理屬性

火的本質是能量與電子躍遷的表現方式

火是除固液氣以外的物質第四態等離子態

也就是說火是物質的特殊形態

你想電子都有一定質量更何況火呢

火還是實體的

在古代樸素元素論中

五行（金木水火土）是最原始的元素學說

只是後來被唯心主義弄得比較神秘

所以我覺得火應該是有質量滴

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哎我一個只懂皮毛的理科生來回答這個，我真的是搜颳了所有知識呢

我補充了一丟丟，因為我並不是專業的，所以如果有什麼問題，歡迎指出

謝謝

千說萬說，你家的鍋底沒鍋灰嗎？

講個普通的：氧氣參與氧化反應生成二氧化碳，氧氣的質量不可能憑空消失，二氧化碳又無中生有嘛~

謝邀

火是物質燃燒產生的光和熱，是能量的一種。必須有可燃物、燃點、氧化劑並存才能生火。三者缺任何一者就不能生火。火就是介於氣態、固態、液態以外的等離子態。火是由等離子體狀態的物質組成的。

火受重力影響。從物理學角度看，火是等離子體狀態的物質。

當然有，質能方程表明有能量的物質都有質量。

火就是光，光都有質量~他們說太陽越來越輕就是光跑了。

火的本質是一團能夠輻射出光和熱的等離子體(正負離子分離存在但整體上顯電中性)。
如氫氣在氧氣中燃燒時其淡藍色的火焰就是一團含有氫正離子和氧負離子並且它們劇烈地碰撞化合最終發光發熱並生成水的等離子體，其本質還是物質，故其有質量。

非乾貨：

各位的答案都很專業詳實嚴謹，很多都是科研工作者，對我來講說得很明白。不過我認為對於大部分知乎ER來說最想看到可能不是這種過於專業的回答，因為大部分的朋友不會明白等離子體、黑體輻射、電子躍遷是什麼東西，也沒有心情去探究到底是什麼東西。

我試著把這個事情簡單化。

嫌煩的從下往上看。

乾貨：

火是什麼物質組成的？在這個問題里劉輿帥師兄作為一個專業人士給出了很權威的答案，但是坦白講我第一次看了一遍還是一頭霧水的，所以我在答案下又討教了一番：

Q：抱歉我並沒有看懂，我關注的核心是火焰到底是不是電磁波？以及火焰為什麼會有形狀？你說等離子體只是表面的話那內部是什麼？望指教，謝謝！

A：火焰：化學反應區，燃料分子，氧化劑分子，氧化產物，還原產物，以及大量中間產物

人看到的火焰：火焰中幾種特殊激發態分子發的光

等離子體區域：有那幾種激發態分子的區域，大概也就幾十微米厚度

其他區域：燃料分子，氧化劑分子，氧化產物，還原產物，以及大量非激發態的中間產物

火焰面內部：燃料分子，氧化劑分子以及大量非激發態的中間產物

火焰面外部：未反應完的燃料分子，氧化劑分子，氧化產物，還原產物，靠近火焰面區域還會有大量中間產物

Q：這我就明白了，多謝。多問兩句，火焰的跳動是離子的跳動嗎？是什麼力讓火焰跳動但不耗散？因為我的實驗中需要用到穩定的氫氧焰，所以我也很想知道如何去保持極細的火焰的穩定。

A：火焰的跳動是流場的跳動，如果想要穩定的火焰，就是要讓流場跳動小，我在文中的那個燃燒器是比較理想的，本生燈也可以。盡量讓流量小，燃燒器小，火焰先從富氧開始，逐漸增加燃料到化學當量比附近。對於本生燈來說，燃料和氧化劑要充分預混（有10倍於管徑的管長作為預混段），垂直於桌面的管子長一些，盡量讓裡面的流體全展，管子里可以增加鐵絲網，促進混合和整流。

火焰『耗散』是火焰熄滅的問題，說白了就是燃燒過程發出的熱量，在外界作用下（比如你吹了一口氣）被帶走了，剩下的熱量不足以繼續維持反應。

Q：火焰離子間的作用力是什麼？是什麼力讓火焰有形？

A：激發態離子的壽命極短，大概在100ns左右，激發態離子很稀薄，分子數只佔1/1E15，化學反應動力學力里，分子受什麼力？自由碰撞吧。

要把火焰當成reacting flow. 宏觀上的火焰形狀是由流場決定的，流體受什麼力？重力（體積力），粘性力，慣性力，壓力（NS方程governing）。

這個問答基本上可以回答現在的問題，我接著劃重點：

火焰的成分：火焰表面一層是等離子體；火焰內部和外部都是參與反應的分子以及由分子變成的反應中間產物。同時反應會激發電磁波（躍遷產生熱量以及電磁波（可見光和不可見光））。

以上就是我們看到的火焰的全部了。

等離子體：離子組成，離子有質量；

分子和中間產物：原子構成，原子有質量；

電磁波：光子構成，沒有質量。

綜上，火焰是有質量的，因為火焰本質上是是實體。

這就要說說火的微觀。

一些燃燒物質為什麼會產生火焰？火焰是什麼東西？

我們拿一塊煤球來說。煤球燃燒時，會產生一氧化碳，一氧化碳氣體溫度很高，密度較低，會上升，脫離煤球。在上升過程中繼續燃燒生成二氧化碳，發出光和熱，這就是火焰，是宏觀的火焰。

微觀上是什麼呢？微觀上，每個一氧化碳分子與氧氣分子化和時都會放出光和熱。眾多一氧化碳分子與氧氣化和同時放出光和熱，宏觀上看到的就是火焰。比方說，銀河就是眾多星星發光的宏觀表現。我們可以把火焰看成銀河，把一個一氧化碳分子看成一顆星。

由此我們可以歸納出一個普遍理論：火焰是眾多發熱發光的微觀粒子的集合體。所以火焰有質量。

有些物體在燃燒時不產生可繼續燃燒的氣體，所以不產生火焰。例如鐵在氧氣里燃燒、電爐絲的燃燒、木炭的燃燒。

因為繼續燃燒的氣體通常密度低，受空氣浮力的作用，所以這些氣體通常都要上升，所以火焰要向上燃燒。風一吹，火焰就要搖擺。

下面就要用學過的知識開腦洞了。

假設把一支氣焊槍伸到真空里燃燒，因為沒有浮力，所以火焰要向下燃燒，直到裡面充滿空氣。

在太空飛船里，因為沒有重力，所以也就沒有浮力，火焰應該向四周均勻擴散成為球形。但是這樣會隔阻氧氣，所以易熄滅，也可能會出現爆燃現象，一會燃燒一下子，過一會再燃燒一下子。

中超墊底大戰泰達打延邊，有質量嗎，肯定有，有火的質量大嗎，沒有。

好像在啥地方看到過質量的定義是物體被改變運動狀態的難易程度。所以火這個東西有點不好表述。但是愛老爺爺說什麼質量和能量本質上一樣。

物理就是這麼神奇

火的本質是電離氣體。

原子吸收能量會使電子躍遷到更高能級，也就是電離。電子回到低能級是會釋放光和熱量。

當這個電離過程發生在氣體中就是火焰。

所以火的本質就是氣體，氣體自然有質量，只不過很輕而已。

固體也會有這種現象，比如燃燒的煤炭，超大型巨人等。

太陽這麼大一個大火球，你們覺得它有質量嗎

知乎有一點好，就是不爆粗口，但這個問題下的回答，讓我感覺知乎平均智商還不如百度知道。

維基百科的這幅畫能解鎖這個問題

有質量，等離子態的物質

個人認為在咱們這個三維空間里，所有速度不等於光速的物質都有質量

肯定有啊，不說燃燒的灰燼了，肯定是有氣體，就肯定有點質量。。。。