失重火焰-蜡烛在太空中能否燃烧-失重燃烧_魏锐

另外，在正常重力下，对流时补充进来的冷空 气冷却了烛身顶部的外围，形成杯子的形状，蜡油 储存在 “烛杯” 里，不轻易流下来。而在微重力条 件下，烛身顶部成突起状，熔化的烛油由于表面张 力包裹在突起的固态蜡的外围 （图３［１２］中用白线勾 画 的 部 分 ）。
图３ 蜡烛失重燃烧不形成 “烛杯”
３．２ 火 焰 颜 色 蜡烛失重燃烧时火焰的主体为淡蓝色，主要来
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自 ＣＨ· 和 Ｃ２ · 的 分 子 光 谱 。 ［１３］ 烛 芯 的 上 部 区 域 有黄色亮核，这一区域温度最高。从黄色亮核区域 向下，由于火焰要发挥向蜡烛供热的作用使火焰温 度下降，因此 火 焰 并 非 完 全 的 球 形 对 称。８～１０ｓ 后，黄色 消 失， 火 焰 变 为 蓝 色 半 球 形， 半 径 约 为 １．５ｃｍ。然后 继 续 重 复 出 现 黄 色 和 黄 色 消 失 的 过 程，直到蜡烛熄灭 。 ［５］ 黄色亮核的产生与蜡油的 聚 集及坍塌有关，如图４所示 。 ［６］ 可能的原因为蜡 油 坍塌前燃料供应更加充足，此时有碳颗粒生成。 ３．３ 火 焰 的 大 小 ［６］
魏锐 （１９８１－ ），男， 汉 族， 河 南 濮 阳 人。１９９９ 年 进 入 北 京 师 范 大 化 学 学 院学习，分别于２００３ 年、２００５ 年、２００８ 年 获 得 理 学 学 士、 教 育 学 硕 士、 教 育 学博士学位。现任北京师范大化学学院讲师，研究方向为化学教育和科学教育。
整合以上３个角度的分析，对蜡烛失重燃烧的 预测有２种可能：一是可以通过扩散燃烧形成球形 火焰，但迅速熄灭；二是可以通过扩散燃烧形成持 续的火焰，但不如在正常重力条件下剧烈。
２ 微 重 力 状 态 下 蜡 烛 燃 烧 的 相 关 实 验 研 究
２．１ 来自美国航空航天局 （ＮＡＳＡ） 的研究 １９９２年，哥伦比亚 号 航 天 飞 机 在 执 行 ＳＴＳ－５０
统，该实验系统可以提供 ０．６ｓ的 微 重 力 时 间。 借 助视频采集系统，能够实现视频的同步传输与视频 信息的采集，从而可以对所采集的信息进行观察与 分析。实验中能够比较明显地观察到点燃的蜡烛火 焰形状发生的变化以及蜡烛火焰颜色变蓝等现象。
３ 微重力 状 态 下 蜡 烛 燃 烧 的 现 象 及 火 焰 的 特点
任务 中， 进 行 了 微 重 力 实 验 （Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｍｉ－ ｃｒｏｇｒａｖｉｔｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ－Ｉ，ＵＳＭＬ－１）， 此 次 微 重 力 实验中包含 蜡 烛 微 重 力 燃 烧 实 验 （Ｃａｎｄｌｅ Ｆｌａｍｅｓ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｇｒａｖｉｔｙ，ＣＦＭ－１）［５］。 该 实 验 的 目 的 是 为 了检验带芯火焰 （蜡烛） 是否可以在纯扩散或极其
图１ ＣＦＭ ＭＩＲ 实验设备
２．２ 来 自 中 国 科 学 院 的 研 究 杜文峰等在２２ ｍ 的 落 塔 中， 通 过 自 由 落 体 获
得了２．８ｓ的微重力实验时间。实验 舱 装 载 激 光 差 分干涉 仪、 蜡 烛、 自 动 点 火 器、２ 台 摄 像 机 等 装 置。实验用蜡烛是市场购买的质量较好的产品。蜡 烛芯的直径约２ｍｍ，蜡烛直径约 １０ ｍｍ。 实验开 始时，首先在地面正常重力状态下利用自动点火器 点燃蜡烛，大 约 ３０ｓ后， 实 验 装 置 进 入 微 重 力 状 态，此时２台摄像机分别记录微重力状态下蜡烛火 焰的讯息，以及蜡烛火焰由正常重力状态过渡到微 重力状态的动态讯息。研究者观测了微重力状态下 蜡烛火焰的颜色、形状、温度等特征，以及氧气浓 度对蜡烛燃烧的影响，并建立了微重力蜡烛火焰的 数学模型，发表了一系列成果 。 ［８～１０］ ２．３ 来 自 哈 尔 滨 工 程 大 学 的 研 究
＊ 通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｉｒｕｉ＠ｂｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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微弱的对流环境中燃烧，研究在这一条件下燃烧速 率、火焰形状、颜色，以及研究２个靠得很近的扩 散火焰之间的相 互 影 响 等。 航 天 员 点 燃 了 １０ 根 单 蜡烛，实验中蜡烛已经表现出在微重力状态下燃烧 的基本 特 征 （此 前， 在 ＮＡＳＡ 的 Ｇｌｅｎｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ的 落 体 时 间 为 ５．２ｓ 的 落 塔， 及 日 本 的 ＪＡＭＩＣ 的１０ｓ落塔中 均 进 行 过 微 重 力 燃 烧 实 验）。 除了１根蜡烛燃烧了１０５ｓ熄灭外， 其 余 的 蜡 烛 在 ４０～６０ｓ熄 灭 。 在 本 次 实 验 中 ， 蜡 烛 并 没 有 燃 烧 完 全，科学家 推 测 是 由 于 盒 子 中 的 氧 气 被 消 耗 而 熄 灭。如果空间足够大，氧气充足，可以使蜡烛燃烧 完全。
将火焰的直径 Ｄ、高 度 Ｈ 和 ２ 者 的 比 值 Ｈ／Ｄ 对时间作图 （图５左），Ｈ 与 Ｄ 的变化规律在不同 蜡烛的燃烧中表现出 很 好 的 复 现 性。 在 ＣＦＭ ＭＩＲ 实验中，火焰在前 ７５ｓ内 大 小 （Ｄ 与 Ｈ） 一 直 在 增加。７５ｓ时由于蜡油坍塌，Ｄ 与 Ｈ 都出现波动。 之后 Ｈ 与 Ｄ几乎是稳定的，直到蜡烛熄灭。
３．４ 火 焰 的 温 度 杜文峰等绘制了微重力环境中蜡烛火焰不同部
异。在 Ｏ２ 浓度为２１％的环境气体 中， 蜡 烛 火 焰 温 度 分 布 如 图 ７［１０］所 示 ， 最 高 温 度 为 １２４２ Ｋ。
位的温度曲线 （图６）［９］。 在 静 止 的 微 重 力 环 境 中，
温度的径向分布图仍然为双峰形状，但火焰的温度
地球上，有对流存在，可加速蜡烛的燃烧。在 失重状态下，尽管没有对流，但气体由高浓度向低 浓度的扩 散 应 该 依 然 存 在。 燃 烧 产 物 ＣＯ２ 等 向 环 境中扩散，环境中 的 Ｏ２ 向 反 应 物 中 扩 散。 依 靠 扩 散机制，蜡烛也有可能燃烧。如果蜡烛在微重力状 态下仅靠 扩 散 可 以 持 续 燃 烧， 则 火 焰 应 该 是 球 形
１ 对 微 重 力 状 态 下 蜡 烛 能 否 燃 烧 的 预 测 思路
１．１ 从 对 流 的 角 度 进 行 分 析 蜡烛在 地 球 上 燃 烧 时， 由来自于 气 体 的 对 流 作 用，
氧气能够很好地与反应物混合，因此蜡烛可以稳定 燃烧，并形成拉长的火焰。在失重条件下，空气不 再受到重力。蜡烛燃烧时，热空气不能上升，冷空 气也无法下降，蜡烛周围被燃烧产生的热气体包围， 因而反应物不能得到氧气的补充，很快会熄灭［２］。 １．２ 从 扩 散 的 角 度 进 行 分 析
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问题讨论与思考
一个有趣的驱动性问题
——— 蜡 烛 在 太 空 中 能 否 燃 烧
魏 锐１＊ 黄 婷２ 杨晶晶３
（１．北 京 师 范 大 学 化 学 学 院 １００８７５；２．云 南 昆 明 市 第 一 中 学 ６５００３１；３．北 京 １０１ 中 学 １０００９１）
毕思思等 为 ［１１］ 了 在 大 学 物 理 教 学 中 使 学 生 能 够深入研究并掌握微重力环境下的现象与规律，他 们根据落 塔 实 验 原 理， 搭 建 了 短 时 微 重 力 实 验 系
注：由于蜡烛失重燃烧时火焰亮度很弱， 右图照片为延长曝光时间拍摄
图２ 蜡烛在正常 （左） 及失重 （右） 条件下火焰的形状
摘要 对蜡烛在微重力条件下是否能够燃烧有不同的预测结果，从对流、 扩 散 和 反 应 引 发３ 个 角 度 讨 论 了 预 测 微 重 力 状 态 下 蜡 烛 能 否 燃 烧 的 思 路 。 引 用 美 国 航 空 航 天 局 、 中 国科学院和哈尔滨工程大学等的实验研究证据，说明在微重力环境中蜡烛可以持续燃烧，以及蜡 烛微重力燃烧时火焰的形状、颜色、大小和温度等特点。介绍使用摄像机实际拍摄蜡烛微重力燃 烧现象的方法。
通过国内外的研究发现，在微重力环境中蜡烛 是可以持续燃烧的。 ３．１ 火 焰 的 形 状
在微重力状态下由于自然对流的消失，新鲜空气 （氧气） 的供应仅 靠 扩 散 机 制， 火 焰 为 淡 蓝 色 的 半 球 形 （图２右）［５］。在 失 重 情 况 下，火 焰 直 径 更 大，火 焰距离烛芯的距离更远，这意味着火焰向蜡烛反馈的 热量更小，蜡烛熔化的速度更慢。火焰的直径和高度 为时间的函数，直径和高度随时间而增大。烛芯和蜡 烛的形状会对火焰的直径和高度产生影响。
图５ 火焰直径 Ｄ 与高度 Ｈ （左）、直径 Ｄ 与灯芯粗细 （右） 之间的关系
重力情况 下， 燃 烧 速 率 分 布 在 ０．２ ｍｇ／ｓ （最 细 的 在 一 个 切 面 内 蜡 烛 火 焰 的 温 度 分 布 图 （图 ７、
烛芯） 至０．６ｍｇ／ｓ （最粗的烛芯） 区间。
图８） 能够更直观地表示出火焰不同部 位 温 度 的 差
的。也有观点认为，单独的扩散运动是低效的，不 足以维持蜡烛的燃烧 。 ［３，４］ １．３ 从 反 应 引 发 的 角 度 进 行 分 析
反应的发生都需要跨过一定的能垒 （活化能）， 这就是为什么蜡烛放置在空气中不会自动燃烧的原 因。只有用火柴点燃，将反应引发，才能发生。那 么，为什么蜡烛只需要点燃一次，就能够持续燃烧 下去呢？是因为该反应放出的热量可以继续引发后 续反应不断 进 行。 如 果 在 失 重 条 件 下， 蜡 烛 被 点 燃，仅通过扩散燃烧的效率必然没有地球上借助对 流燃烧的 效 率 高。 所 以 蜡 烛 有 可 能 持 续 地 缓 慢 燃 烧；也有可能由于扩散燃烧产生的热不足以引发后 续反应的发生而无法持续燃烧。
关键词 蜡烛燃烧 微重力 火焰
蜡烛燃烧是初中化学课程中一个核心的探究活 动 ， ［１］ 在该活动中，许多老师会留给学生一个有 趣 的问题： “蜡 烛 在 太 空 中 能 否 燃 烧？ 如 果 能， 会 如 何燃烧？” 这个问题 能 够 很 好 地 激 发 学 生 的 好 奇 心 与兴趣，但是关于这一问题的答案却存在争议，已 有多篇文章讨论蜡烛在微重力条件下能或不能燃烧 的原因。本文通过分析已有文章及一些预测蜡烛能 否燃烧的思路，并引用相关的实验证据，澄清这一 有趣的问题，以供教学参考。