轻烟飘处藏玉颜  -- 说说失火过程的传热原理

 

和李商隐的名句“蓝田日暖玉生烟”相对的，是我国古代的传说（也可以说是找矿常识）“轻烟飘处藏玉颜”，两者的共同特征是玉可以生烟，前者需要“蓝田日暖”，后者需要“晴天日出”，都强调了能量的来源是太阳，也就是，太阳的辐射造成了这种烟气流动现象，之所以是“轻”，那是因为浮力差，给人的感觉是轻柔的。有很多人感到不解，为什么玉石会生烟呢？这需要一点消防理论来解释，包括点火的传热过程，羽流的失稳过程和火检的光学检测。只有这三种火灾动力学理论合并起来，才可以解释“日暖生烟”的过程，这里分析一下第一过程，可以更好地认识点火理论。

火灾动力学理论中，有一个热薄型材料和热厚型材料的观念。纸张和衣物是热薄型的，所以升温快，点火迅速。厚木材和大部分固体燃料是热厚型的，需要预热，传热过程相当缓慢，所以是热厚型的。那么，我们如何来判断热厚型和热薄型燃料的区别呢？通常有一个无量纲数比奥数来表达。毕奥数的定义是，外部传热系数乘以厚度，除以内部导热系数，即毕奥数。对于玉石和土壤，两者的外部传热系数是差不多的，假设厚度也差不多，那么导热系数决定了该材料是靠近热厚型呢还是热薄型。通常水（代表土壤，含水砂石的导热系数要靠近石英，但不到石英的数量）的导热系数是0.68 kW/mK，而距离玉石较近的石英的导热系数是3 kW/mK，所以玉石的毕奥数比土壤的毕奥数小，所以玉石比土壤更像热薄型材料，受热升温更快，这是传热学常识。那么，为什么摸上去玉石更凉爽呢？那是瞬态传热问题，导热系数大的材料散热快。可是一旦温度升上去了，其内部传热效率高，所以升温也快，这是通俗的说法。上述说法出自2004年出版的《Handbook of Building Materials for Fire Protection》（第1.29页），网上可以找到原文，作者是教我火灾模型课的教授。

那么，如果不计内部导热性，我们如何来判断玉石和土壤的温度差异呢？可以用控制体积分的办法。假如有两块无限大，厚度为L的材料（玉石和土壤），一面有一定的辐射强度，另一面绝热，我们看它们到达一定温差的时间是多少。

 

上述分析，是基于表面换热强度相似情况下的解，真实的土壤含有水分，由于土壤的毛细作用，其水分供给几乎是源源不绝的。所以，真实的土壤表面的传质损失比较大，而玉石表面没有这种传质现象，所以对于玉石来说，其有效利用太阳能的能力 ，要大于土壤，虽然土壤的黑度大一点，吸收的太阳能可能更多一点，可是多吸收的，也多散发了，其整体的升温速度，不如玉石。

所以，在晴天日照顺利的情况下，玉石表面的升温速度更快一点，温度更高一点，发生相当的羽流是有可能的。如果您生活在铁路附近，有过夏日走铁轨的经验，其中的羽流现象，观察极为明显。某些绿化不好的公路，缺乏树木的保护，也会发生过热现象，产生一定的温致羽流（还有一种浓度差产生的羽流，这里不计）是可能的。那么，如果没有温差，会不会产生羽流呢？某些沙漠地带，土壤与道路的温度差不多，都缺乏水分的冷却，会产生更大规模的羽流，只不过这种微量温差造成的羽流需要在远处观察，近处看不到，这就是另外的话题，羽流的失稳和羽流的火检了。

上述分析，如果扩大规模，就是城市的温室/热岛效应。由于城市地表的散热效果差，所以升温快。虽然阳光是相同的，但郊外为什么没有城市升温那么快呢？难道都是尾气造成的么？也有地表覆盖物导热能力和蓄热能力的贡献，以及水分散热的贡献。

 

上述的理论应用在着火理论上，就是“风干物燥，小心火烛”的理论依据了。通常调节木材蓄热能力（密度和比热）的主要成分是水（即湿度），如果风干物燥，那么蓄热能力降低，导致表面升温加速，达到点火温度的时间缩短，就需要防止“火烛”的危险了。正常情况下，可以从容扑灭的火灾，在风干物燥的情况下，往往容易失控。容易麻痹的，是人的意识，不会撒谎的，是着火理论中的传热过程。面对气候变化造成的“风干物燥”，我们怎能不当心呢？

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