火是一种怎样的存在,有什么科学原理?

种花家的小啊莹


火焰既不是固态、液态也不是气态,它是一种等离子态,是物质的第四态。

火焰有焰心、内焰和外焰,外焰温度高,可以看成是一种等离子态,但内焰温度低,可以看做是一种激发态的气体分子。当气体分子温度逐渐升高时,电子从原子中跑了出来,这样就形成了带正电的离子与带负电的电子的集合体,虽然所带的电荷相反,但电荷数相等,所以称它为等离子态。

日常生活中看到的霓虹灯、闪电、利用等离子弧进行切割焊接、极光都是等离子态。

我们的太阳就可以看成是一种巨大的处在宇宙中的等离子球,不过那是高温等离子态。而产生等离子态并不都需要高温。

等离子态既像气体那样,可以没有固定的形状,又由于从原子、分子中跑出来的电子相互之间不会发生接触,也表现出流动性,所以,等离子态直接区别于液态与气态,称它为第4种态,等离子态。


一枚游戏科幻迷


这是一个有趣的问题,也是一个常被我们忽视的问题,是啊!我们常见的物质基本都是气态液态和固态的,那么火显然和这三种物质态都不太一样,那它到底属于什么态呢?



其实宇宙间的物质的状态有很多种,并非只有气态、液态、固态三种,我觉得我们中小学的时候学习这个基础知识必须得改一改了,因为它给我们造成了很大的误解,让我们以为世界上的物质只有这三种,然而物质其实可以分成几十种,比如单个的粒子、单个的原子、和单个的分子,我们就无法定义它为气态液态固态,因为它们本就不属于那种“态”,还有恒星的物质,白矮星的物质,中子星的物质,以及黑洞的物质,也是都属于不同的“态”,恒星一般属于等离子态,白矮星物质电子简并态,中子星物质属于中子简并态,黑洞里面的物质未知。另外还有很多种物质形态,这里就不多说了。



单说火这种事物,它是属于什么物质态呢?看了很多人的回答都说是等离子态,这样说是不对的,或者说只说对了一半,因为火这种东西并不是都一样的,通常认为只有比较少见的部分高温火焰才是真正的等离子态,而我们日常生活中见到的大部分火焰,实际上都是处于化学激发态的气体分子。


火焰的本质是能量与电子跃迁的表现方式,通常是易燃品进行剧烈氧化反应才会生成,表现为激发态气体状态或高能离子状态,我们常见的燃烧需要两个要素——燃料分子和氧气,它们由于剧烈的化学反应而变得活跃并相互碰撞,在生成新的物质的过程中释放出能量,通常只体现为物质分子间的变化,所以一般都是激发态的气体分子,不过温度特别高的火能以等离子体的形式出现。

现在我们都对等离子这个词不陌生,那么什么是等离子态呢?其定义是物质原子内的电子在脱离原子核的吸引而形成带负电的自由电子和带正电的离子共存的状态,这个时候物质的电子和离子带的电荷相反,但数量相等,这种状态称作等离子态。

比如工业上用于切割和焊接金属的等离子弧,我们常看到的闪电,霓虹灯里面的发光体等等都属于等离子体,不过等离子体也并不是只有这高温状态下才会存在,通过电子激发它也能生成。


虽然我们对于物质分为气态,液态,固态的观念根深蒂固,然而这只是在地球这样的岩质星球上才会有这样的现象,其实宇宙中绝大部分物质都是等离子态,它们占到了宇宙可见物质的,99%,因为恒星乃至很多星际物质,以及很多行星的内核物质都是等离子态的。


科普大世界


1779年,一位名叫让·保罗·马拉的科学爱好者进行了166个实验,最终证实“火是一种流体”,并兴奋地将自己的研究成果《火焰论》一书递交到法国科学院。他不知道的是,早在两年前,拉瓦锡就通过金属煅烧实验证明了物质燃烧需要氧气,还将详细内容写入报告《燃烧概论》中交给了科学院,甚至由此开创了化学这门新兴学科。

但由于马拉是位名医,评审委员们碍于情面不好说他的实验结论错误,便对他说:“实验设计得很巧妙,实验过程也严格精确……”不过,大家默契地对实验结果只字未提,可马拉不这么认为,他立即发表了自己的书籍,同时对外宣称:法国科学院也很认可我的论文。

拉瓦锡坐不住了,你小子是在质疑我的研究吗?他对马拉的书进行了严厉的抨击,认为该书并无科学价值;同时强烈要求法国科学院作出声明,澄清这篇论文与科学院无关。毕竟25岁就成了法国科学院院士,拉瓦锡的话分量还是挺重的,但这就让马拉很没面子了。于是,想要以此书获得科学家荣誉的马拉还和拉瓦锡吵了一架,剧情并没有反转成不打不相识的惺惺相惜,他们成为了死对头。

风水轮流转,12年后的马拉摇身一变,成为了法国大革命中雅各宾党的领导人。他公开宣布拉瓦锡在任职税务官期间剥削民众,加上法国科学院院士佛克罗伊的阴险手段,将拉瓦锡送上了断头台,而包税组织余下的27名成员也无一幸免。据说,拉瓦锡在临死前曾与助手协商进行最后一项实验:当他感觉到刀片接触脖子时就开始拼命眨眼,看意识能维持多久。但遗憾的是,两名助手都把拉瓦锡眨眼的次数数错了,毕竟看着自己的导师被砍头还能心平气和地继续数数,真不是谁都能做得到的吧?

这位被后世尊称为"近代化学之父"的伟大科学家就这样走了,正如法国著名数学家拉格朗日所说,“他们可以一眨眼就把他的头砍下来,但他那样的头脑一百年也再长不出一个来了。”不仅如此,在大革命期间受到过拉瓦锡保护的佛克罗伊还借助国会的暴力解散了法国科学院,这个培养出笛卡儿、帕斯卡和海因斯等著名科学家的摇篮,这座见证过百余年光荣历史的科学院直到1816年才得以重建。

拉瓦锡夫人的绘画老师雅克·路易·大卫所画的《拉瓦锡夫妇》

不过,马拉并未亲眼看着拉瓦锡死在断头台上。早在拉瓦锡被处决的一年前,马拉便被吉伦特派政党的美女间谍夏绿蒂·科黛刺杀,死在了洒满药水的浴缸中。为了免受其他政党的迫害,马拉不得不长期躲藏在地窖里而不慎感染了湿疹,为此他每天不得不在浴缸中药浴几个小时,一并处理公务,科黛正是假借申请困难救济的名义将马拉杀死。死后的马拉手中仍紧紧地握着一张纸条:“请把这5法郎的纸币交给一个5个孩子的母亲,她的丈夫为祖国献出了生命。”

19世纪法国画家雅克·路易·大卫所画的《马拉之死》,没错,上面那幅画也是他画的

法国画家保罗·博德利所画的夏绿蒂·科黛

就这样,这个因“火”而起的故事终于划下了休止符。直到1879年,人们才终于知道:火不属于液体、固体和气体中的任何一种,它是自身温度高到能使气体离子化所形成的等离子体。


幸运的小兔子


这个问题问的很好。受到古代朴素唯物主义“金木水火土”的影响,大部分人大概觉得“火”是与“水”相对应的元素,是一种物质。那么水有固液气三态,火焰到底是什么状态呢?


先纠正一个概念,火焰不是物质,是现象,一种发光放热的现象。所以,本身不存在固液气的状态。学过初中化学的应该还记得,燃烧是一种剧烈的氧化还原反应。比如你生活中,点燃燃气灶,实质是气体正在剧烈反应,反应会发光放热,放出的光就是你看到的火焰。火焰的形状取决于燃气灶喷出气体的速度,颜色取决于燃烧的物质。同样是初中化学知识点,焰色反应。纯净的氢气火焰是淡蓝色,如果混入钠离子,火焰就呈现黄色,混入钾离子则呈现浅紫色,等。

如果你还记得一些高中知识,那么咱们可以解释的更详细一下。燃烧是剧烈的氧化还原反应,所以有价态的变化。价态的变化的实质是原子的电子发生跃迁。人教版高中物理选修3-5简单介绍了玻尔的原子模型,当电子跃迁的时候,会吸收或释放出光子,不同能量的光子频率不同,颜色就不同。剧烈的氧化反应放出大量光子,其中的可见光部分就是我们看到的火焰。

由于反应中的气体,分子键已经打开,电离出离子。正、负离子相互作用,形成等离子体。等离子体有类似气体的性质,所以火焰形状变化,在风中摇曳。不过并不是所有的燃烧都会产生“等离子体”。

通俗地总结,火焰是现象,不是液体、固体和气体。我们一般看到的火焰是一团正在剧烈反应的“气团”放出的可见光,感受到的热量是反应放出的能量。


王企鹅



火,是一种现象,是物质燃烧过程中所进行的强烈氧化反应,并释放光和热。物质燃烧必须有可燃物、高温和氧化剂三项并存才能生火,缺一不可。根据质量守恒定律,火不会使被燃烧物的原子消失,只是通过化学反应转变了被燃烧物的分子型态。

物质燃烧的时候出现火,火的可见部分称作火焰,它随着粒子的振动而有不同的形状,火焰可以理解成混合了气体的固体小颗粒,因为是混合体,单纯的说成固体或者气体都不合理的,但在温度足够高时会以等离子的形式出现,火焰是燃烧后的气体及固体的混合物,会释放可见光、红外线甚至紫外线,其发射光谱依燃烧物质的化学成分及中间产物而定,大部分火焰的光谱为连续光谱。根据燃烧的物质不同,火焰的颜色和温度也会不同。

火焰是能量的梯度场。伴随燃烧的过程,其残留物可以反射可见光,火焰的发光相当复杂。可以确定的是,火焰是一种状态或现象,是可燃物与助燃物发生氧化反应时释放光和热量的现象。

火是影响全球生态系统的最重要因素之一,人类用火来烹调、生热、产生讯号、照明等。用火不当,也会造成灾难,如水体污染、土壤流失、空气污染及对生命财产的危害,而且也会使全球温度升高,产生温室效应。

最后需要说的是,人类发明火是利用自然来改善生产和生活的第一次重大实践,火的应用在人类文明发展史上有极其重要的意义。最初,人类使用的是自然火,当人工取火发明以后,原始人就开始掌握了一种强大的自然力,促进了社会的发展,而最终把人与动物分开,这是人类社会发生历史上的第一次巨大飞跃。


震长


在这个星球上存在的每一个物体都可以分为三种基本的物质状态:固体、液体或气体。但是,火呢?想象一下,像砖头一样把火拿在手里,或把它装在某种容器中,或把它充入气球……似乎不可能吧?事实上,火并不属于上述的三种物质状态。与火最接近的物质状态是等离子体。

火如何像气体?

在跳到有趣的部分之前,我们先来排除火是气体或固体的可能性(当然它不会是液体,对吗?)那么,为什么火不会是气体呢?在其本质中,火确实与气体有着一些共同特性。就像气体一样,火不具有确定的形状或体积,除非它被限制在适当的容器中。可见的火就是气体仍在化学反应并发出光。然而,如果在一个密闭容器内,火不会像气体一样均匀膨胀。

此外,在磁场的影响下,火焰不能形成诸如细丝、束状和双层的结构。因此,当火处于磁场之中时,它无法作为电磁体,这与固体、液体或气体的情况不符。

并且,物理定律规定,在没有投入更多能量的前提下,不能从给定的物质中提取更多的能量。这个事实消除了火作为固体、液体或气体的最微乎其微的可能性。与物质的三大状态不同,所有类型的火会逐渐消失,永远不能继续存在于其自然状态。例如,如果没有持续提供氧气和易燃材料,壁炉中的火最终将会消失。

等离子体?等离子体!

让我们回头看一下人类早期提出的一些理论——为他们的异常发现给出具体的意义。在著名物理学家和化学家威廉•克鲁克斯爵士于1879年确定了第四种物质状态(等离子体)之前,人们相信物质只有三种状态。在等离子体的概念出现之前,人们认为火实际上是一种独立的元素。

等离子体是质子、中子和电子组成的气体状物质,其中所有的电子已经从它们各自的分子和原子中分离出来,使得等离子体作为一个整体而不是一堆单个原子。除了理论中的暗物质之外,等离子体遍布整个宇宙,是最为丰富的物质——例如,像太阳这样的恒星本质就是一个巨型的等离子体球。

相较于另外两种物质状态,等离子体更类似于气体,但与气体的行为截然不同。这是因为由于自由电子之间缺乏亲和力,彼此不会发生持续的物理接触,这意味着等离子体可以像液体一样流动。因此,等离子体的这种性质使其与气体区分开来。

换言之,火的确切定义仍然是一个谜。科学还不能精确地描述火的本质,但科学家知道火与等离子体最为相似!


火星一号


刚开始看到这个问题觉得一脸懵逼,对哦,火到底是属于固液气哪种状态?如果说让中学阶段的同学来回答可能无从下手。

一开始我把他归类为液体,因为从自由度的观点来看,火比固态活跃,又没气态那么大的自由度,也就可以比喻既没有像上课的同学那么的有顺序有规律,也没有像放学后的孩子一样自由,所以简单粗暴的认为就是液态吧。

不过要真的据此以为火是液态的就大错特错了。

事实上,火并不属于这固液气的任何一种,它是由等离子体(plasma)状态的物质组成的,plasma是由英国物理学家Sir William Crookes在1879年确定的物质的第四种状态(其它三种是固态、液态、气态)。

以为物质只有三种状态的同学,傻眼了吧。

在中学阶段的意识认知里,人们见到的物质主要是固态、液态和气态三种,它们的形态特点以及相互转化的条件,早已为人们所熟知。但是,这三态的物质在整个宇宙中极少,绝大部分的物质是以其它形态存在的。

现代科学发现,自然界的物质除了固、液、气三态以及一系列的过渡态之外,还有第四态、第五态、第六态、第七态等。其中物质第四态——等离子态——1879年英国物理学家克鲁克斯在研究阴极射线时,发现了具有独特性质的等离子体,从而发现了物质的第四态等离子态。

所谓等离子态指的是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质,它是除去固、液、气外,物质存在的第四态。看似比较神秘,其实是宇宙中一种常见的物质,在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体,它占了整个宇宙的99%。现在人们已经掌握利用电场和磁场产生来控制等离子体。例如焊工们用高温等离子体焊接金属。等。


留白说


生活中,火对于人们来说是显而易见,我们并没有对这个常见的东西产生怀疑和思考,好像火从来都没那么重要过

但是我现在要是问你:“我们最常见的火究竟是什么物质?”。我想你会迷茫。对啊,火究竟是什么鬼?我想大部分会认为火是气体,但是它貌似又和气体不同。气体是发散的,可以到处飘逸,而火就只会围着一点无规则的变化着形状。

其实我们都知道,物质都是由原子构成的。我们虽然看不见原子,但是可以看见由无数原子累积起的宏观物体。

其实火的本质就是氢,碳,氧等三种原子共同作用的结果。一开始,物体内就包含着氢和碳,氢和碳就好比是一对恩爱有加的夫妻,它们在一起很快乐的生活着,很稳定。可温度的升高,让氢和碳都开始躁动起来了,双方都不安分了,温度越高,它们躁动的就越大。突然一下,躁动让它们最终分居。这一分居可不得了,它们之间感情出现了裂缝,这时候空气中的氧作为第三者就强插进来了,氧发誓要破坏这个家庭,导致彼此充满了仇恨。就这样它们互殴起来了,而且各自娘家的人也都陆续地参与进来了,于是越来越多的氧,氢,碳参与了大群殴。因为氧来自于空气,基本是无穷多的,直到打死所有氢和碳为止(燃烧完物体)!
其实氧参与进来的同时就发生了化学反应,三者彼此的作用会释放出光子,而这也是火可见的原因。火一般情况是是蓝色,这是因为三方势均力敌。 可如果氧不足呢? 氧不足的时候,氧就先对付氢。这时候大部分碳就被排出了战场而变成了吃瓜群众。而氢氧反应发光发热,作为吃瓜群众的碳也是倒霉了,围观也会被烤成油烟颗粒,而这些油烟颗粒掺杂在光里就让火焰变成了黄黄的感觉,所以也是我们平时最常看到的火的颜色!



火的飘忽不定,是由于空气中氧的飘忽不定。火焰内部的温度并不高,而外围的温度却很高,这是因为氧最先与外围物质发生化学反应,而火焰的内层往往比较缺氧!

其实火可以算是除了固、液、气态之外的第四种态,这种状态是类似于气体的等离子态。原子核外围的电子脱离了核的束缚之后,那么带正电的原子核(正离子)和带负电的电子(负离子)就分家了。但它们又厮混在一起,形成了正负离子状态,也叫等离子,因为正负离子浓度相等。

等离子具有流动性和扩散性,而这些性质也是火焰表现出来的特征!


科学认识论


这个问题非常好,我甚至觉得在一定程度上,社区是靠这样的好问题来推动的。

小学自然课上,老师告诉我们,物质有三种基本的形态:气体、固体和液体。这三种形态的物质可以在一定的条件下相互转化,涉及到不少物理过程,如蒸发、沸腾、凝结、升华等等。实际上,这三种基本形态并不足以概括世界上所有的物质,因此科学家提出了物质的第四种形态:等离子态。

等离子态是指物质中原子核外围的电子脱离了原子核的束缚,成为了自由电子,但与原子核共存的状态。由于带正电的原子核和带负电的电子电荷相反但数量相等,这使得等离子体宏观上不带电。生活中看到的霓虹灯、闪电等很多都是等离子体。

火焰是一种非常复杂的物质,首先其内部有大量的可燃和助燃气体,才能够发生燃烧的过程。燃烧时发生了剧烈的化学反应,物质产生了变化,原本的可燃物和助燃物产生了燃烧后的化学物质,通常是气体。不充分燃烧时,甚至会产生大量的碳的固体小颗粒。同时燃烧的过程使得气体物质电离,成为等离子体物质,同时发射出光子。这个复杂的过程产生了通常意义上所说的“火焰”。所以火焰中的成分其实非常复杂,既有气体、又有固态小颗粒、又有等离子体。当然了,这个过程是针对日常烧煤烧柴点蜡烛等过程说的,类似实验室的液氢液氧的燃烧自然不会产生碳颗粒了……


看风景的蜗牛君



火是处于等离子态的气体所产生出来的一种复杂现象,注意它本身是一种现象,并非特定的物质。历史上,科学对火的研究,促使科学家提出了物质的第四态,等离子态(台湾称为电浆)。并将其应用到了别的技术领域中,比如荧光灯以及等离子显示屏。从研究火到荧光灯以及等离子显示屏,这些粗看来并不相干的东西,却内在原理却有一致性,让我们感受到科学研究方法所产生出来的科学知识的奇妙。

图示感受等离子态。


等离子态是当原子失去电子形成自由电子和正离子,两者在特定条件下不能再次结合,同时因为两者电量相等因此就被称为等离子态。当物质处于等离子态时,它就能导电并且会受到磁场影响。


因此,当我们让火或者火焰处于特定电场和磁场下时,能产生各种绚丽的现象。只要家有磁铁,不妨自己一试。

格言警句:如果有什么事情是一个火球搞不定的,那就用两个。


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