失重情況下的火焰形狀

生活科學趣談

自由落體可以短暫的模擬太空站中 失重 的狀態,為了探索蠟燭火焰在失重狀態下的形狀變化,Physics Girl 設計了一個精采的實驗

燃燒須具備三種要素並存才能發生,分別是可燃物、助燃物、溫度要達到燃點。燭火的形狀和對流有關,在一般重力下,上升的熱氣流會帶動燭火周遭的冷空氣過來補充,於是助燃物可源源不絕的獲得供應,讓燃燒得以持續下去。至於火焰的顏色,由於未完全燃燒的的炭黑會漂到火焰上層,於是因灼熱而發出橘黃色的光芒;火焰底部周圍則因氧氣供應充足,燃燒較完全而呈現藍光。

接著來分析火焰外形的變化機制:在一般重力下,燃燒後的熱氣因體積膨脹而密度變小,因此所受浮力大於其本身重力,因而受到淨力向上而上浮。由於重力是,方向為重力加速度g的方向;浮力,方向為重力加速度g的反向,因此二者均與g有關。當物體以加速度做運動時,公式中的這個g值就必須以等效重力場來代替(可參考→加速坐標系中的等效重力場)。所以在完全失重的狀態下,等效重力場,因此浮力就不存在了 ,這意味著「熱空氣不再上升,只能蓄積在燈蕊附近」。但是氣體受熱而膨脹的機制仍然存在,不過卻沒有方向性(各向同性),所以火焰就變成圓球形。此時外圈因與空氣接觸而助燃物濃度較高,因此形成燃燒較完全的藍色火焰。

嚴格說來,Physics Girl 這個精采的實驗是微重力環境而非完全失重,因為盒子在下墜過程中仍受有不可忽視的空氣阻力,所以等效重力場不為零,這也是火焰在下墜期間不會熄滅的原因。畢竟在太空站裡面這種完全失重的狀態下,由於氧氣缺乏對流的機制進來補充,如果燃燒後的產物又無法快速釋放出去(ex.搖晃燭火、燃料以噴射方式射出…),蠟燭的火焰最終仍會熄滅。