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蜡烛实验说灭火

已有 4119 次阅读 2010-6-10 03:46 |个人分类:特种消防|系统分类:科普集锦|关键词:蜡烛实验 灭火原理

蜡烛实验说灭火

 

我国 小学《自然》《科学》及教师教学用书《空气的成份》一课课本中,为了证明空气中有氧气,有一个蜡烛燃烧后吸水上升的实验。这个实验的操作是:在底层有水的盆中竖一只点燃的蜡烛,用一只玻璃杯扣住蜡烛,置盆底水中,与周围空气隔绝。杯内空气成分被燃烧过程改变而导致蜡烛熄灭,这时盆中的水会有进入杯中,发生水面上升的现象。其实验原理据说是为了验证氧气的存在(或氧气在空气中的成分);其实验目标是为了培养学生的观察能力、实验能力;培养学生记录实验过程、实验现象、实验结果的能力;培养学生具有实事求是、严谨踏实、与人合作、乐于探索的科学态度。虽然实验设备简单,实验操作容易,实验效果显著,但由于该实验所依据的理论不充分,对学生的认识有一定的误导作用,笔者用灭火常识来分析一下。

我们知道,空气中含有大约21%的氧气,而该实验可以导致水面上升到占总体积20% 的地方,所以自然而然地与氧气的消耗联系在一起。但是,火灾动力学理论中有一个关于空气中的氧气浓度低于13%(有个范围, 在11%16%之间,原因见后)以下的空气不支持燃烧进行的经验性常识,明显和这一说法相矛盾。事实上,有人测量了该实验蜡烛熄灭后的空气成分,氧气含量在11~16%之间,所以蜡烛耗氧导致火焰熄灭的说法是不正确的,但是该现象还是可以用灭火理论加以解释的。

为什么空气中的氧气浓度低于13%就不支持燃烧,而炉膛中的燃烧可以把氧气浓度降到0%呢?关键在于环境温度。在普通空气中进行的燃烧,释放的能量要把燃料(燃烧时表现为气态),氧气和不燃气体(如空气中的氮气和氩气)加热到火焰温度(通常是1300摄氏度左右),才可以维持气相燃烧的正常进行。由于燃料种类繁多,不易控制,所以消防领域通常使用氧气的浓度来估算释热量,即基于氧量的释热量。当周围的温度是环境温度,氧气的浓度至少应保持13%,方足以克服上述三类气体(燃料,氧气和氮气)(到达燃烧温度的)温度差,维持燃烧的正常进行。也就是说,这13%的氧气是用来提供预热燃料、氧气和不燃气体到达火焰温度的能量需求,是维持燃烧在空气中正常进行的必要条件。

我国教科书中的解释是蜡烛消耗了空气中的氧气,导致杯中空气压力不足,而水面上升,这是完全不科学的。因为氧气虽然被消耗了, 但燃烧产物是二氧化碳,后者微溶于水。如果二氧化碳也大量溶于水的话,全世界的鱼类都会因为缺氧而窒息死光了。所以蜡烛燃烧前后的气体总量是变化不大的,那么为什么水平面会上升呢?如果观察者确实是细心和仔细的话,他会注意到杯中的水面不是随着燃烧的进行而逐步上升的,而是待燃烧强度减弱才开始上升。这是因为,有释热就有散热,两者维持平衡,则水面保持不变。一旦释热不足以维持散热,杯中气体的温度下降,所以气体因冷却而压力降低(波义耳定律?),其降低的气压可以通过周围环境的气压推动水面来补偿(或平衡),因此产生水面上升的现象(物理学中的压力传递原理,维持内外压力平衡)。如果实验用杯足够大,蜡烛释放的热量加热气体温度不够(因为同时的散热量也大),水平面上升的程度会很低。所以实验用杯越小,空气热胀冷缩的效果越明显,但和与空气的氧气浓度关系不大。由于导致蜡烛熄灭的氧量浓度与环境温度相关,所以当小杯中的温度高时,氧气浓度可以降低到11%,而大杯中的氧气浓度低于16%就不足以维持燃烧的进行,这是符合消防灭火原理的,关键在于环境温度的差别。在炉膛中,空气一直维持在火焰温度,相当于不需要预热能量,所以燃烧过程可以把氧气消耗到0%而不受影响。

蜡烛灭火实验是非常简单实用的课堂实验之一,但由于指导理论不正确。几十年来,我国教科书都是用此来培养学生的观察能力,其效果是非常可疑的。科普,科普,没有质疑,没有好奇,哪能科普?

伟大的实验化学家法拉第,生前除了在电磁实验和化学实验方面作出的成果以外,还有一系列关于蜡烛的化学实验并演讲,深入浅出地介绍了当时的学术研究成果,成为科普教育的伟大先行者。除了在化学教育领域的应用,蜡烛还可以作为消防安全的简易工具,介绍燃烧原理和安全常识。笔者这里分析一个常见的蜡烛实验中的灭火原理,并指出流行认识中的错误。你有常识,我有理论;你有理论,我有实验。实验是检验真理的唯一标准。

 

有道是,蜡烛实验很简单,操作过程很真实,现象结果很明确,理论指导很重要。



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2 李世晋 吕喆

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