03.03 火是一種怎樣的存在,有什麼科學原理?

嘿你的胖次掉了


這個問題非常好,我甚至覺得在一定程度上,社區是靠這樣的好問題來推動的。

小學自然課上,老師告訴我們,物質有三種基本的形態:氣體、固體和液體。這三種形態的物質可以在一定的條件下相互轉化,涉及到不少物理過程,如蒸發、沸騰、凝結、昇華等等。實際上,這三種基本形態並不足以概括世界上所有的物質,因此科學家提出了物質的第四種形態:等離子態。

等離子態是指物質中原子核外圍的電子脫離了原子核的束縛,成為了自由電子,但與原子核共存的狀態。由於帶正電的原子核和帶負電的電子電荷相反但數量相等,這使得等離子體宏觀上不帶電。生活中看到的霓虹燈、閃電等很多都是等離子體。

火焰是一種非常複雜的物質,首先其內部有大量的可燃和助燃氣體,才能夠發生燃燒的過程。燃燒時發生了劇烈的化學反應,物質產生了變化,原本的可燃物和助燃物產生了燃燒後的化學物質,通常是氣體。不充分燃燒時,甚至會產生大量的碳的固體小顆粒。同時燃燒的過程使得氣體物質電離,成為等離子體物質,同時發射出光子。這個複雜的過程產生了通常意義上所說的“火焰”。所以火焰中的成分其實非常複雜,既有氣體、又有固態小顆粒、又有等離子體。當然了,這個過程是針對日常燒煤燒柴點蠟燭等過程說的,類似實驗室的液氫液氧的燃燒自然不會產生碳顆粒了……


看風景的蝸牛君


首先值得肯定一下,能想到這個問題,是個愛思考的人。

十幾年前我也有這個疑問,我當時還是個小孩子,家生在農村,所以特別喜歡放野火玩,冬天更是經常幾個小夥伴們聚在一起烤火。

我當時就是靈機一動,凡事物都有三態,那火屬於什麼態呢?我記得特別清楚的一件事是我還用打火機的電子伸到火裡去打,手在火的另一邊,試試是否導電。結果就是導電。火是木頭燒出來的,木頭是不導電的,但是火卻導電。

我當時還思考的問題是:火是由什麼組成的?

我當時並不知道,物質還有等離子態這種特殊的形態,或者是不懂什麼叫等離子態吧。

現在都清楚了,火是屬於等離子態,火是物質,也是一種狀態。可燃物遇到空氣中的氧氣,燃燒而發光發熱的現象。


GRIDMAN


這個問題問的很好。受到古代樸素唯物主義“金木水火土”的影響,大部分人大概覺得“火”是與“水”相對應的元素,是一種物質。那麼水有固液氣三態,火焰到底是什麼狀態呢?


先糾正一個概念,火焰不是物質,是現象,一種發光放熱的現象。所以,本身不存在固液氣的狀態。學過初中化學的應該還記得,燃燒是一種劇烈的氧化還原反應。比如你生活中,點燃燃氣灶,實質是氣體正在劇烈反應,反應會發光放熱,放出的光就是你看到的火焰。火焰的形狀取決於燃氣灶噴出氣體的速度,顏色取決於燃燒的物質。同樣是初中化學知識點,焰色反應。純淨的氫氣火焰是淡藍色,如果混入鈉離子,火焰就呈現黃色,混入鉀離子則呈現淺紫色,等。

如果你還記得一些高中知識,那麼咱們可以解釋的更詳細一下。燃燒是劇烈的氧化還原反應,所以有價態的變化。價態的變化的實質是原子的電子發生躍遷。人教版高中物理選修3-5簡單介紹了玻爾的原子模型,當電子躍遷的時候,會吸收或釋放出光子,不同能量的光子頻率不同,顏色就不同。劇烈的氧化反應放出大量光子,其中的可見光部分就是我們看到的火焰。

由於反應中的氣體,分子鍵已經打開,電離出離子。正、負離子相互作用,形成等離子體。等離子體有類似氣體的性質,所以火焰形狀變化,在風中搖曳。不過並不是所有的燃燒都會產生“等離子體”。

通俗地總結,火焰是現象,不是液體、固體和氣體。我們一般看到的火焰是一團正在劇烈反應的“氣團”放出的可見光,感受到的熱量是反應放出的能量。


王企鵝


火是一種現象,並非什麼固態、液態、氣態或者等離子態。就像風一樣,我們無法把它像物質一樣看待。



我們之所以看到火,就是因為物質進行物理化學反應產生的光熱導致的而已。火一般都是黃紅色,比如柴火:木柴中的木質素和空氣中的氧氣劇烈燃燒(發生氧化反應,本質是化學反應),釋放出來熱量加熱燃燒的反應物和生產的反應物(主要是二氧化碳),最終這些熱量以光熱的形式擴散出去,形成了火。而柴火的顏色之所以是黃紅色,則是因為此化學反應發出的光的波長多數都在550納米以上。



當然,除了這種黃紅色的火,還有其它顏色的火,比如藍色。氫氣和氧氣燃燒時就呈現藍色火焰,類似地,這種藍色火焰就是因為氫氧發生化學反應,釋放熱量加熱了氫氣、氧氣以及生成的水分子,使它們把熱量以光的形式釋放出去。不過,這時候釋放是波長較短的光,一般在380nm-480nm之間,呈現藍色。



其實,說到這裡,大家應該明白火的產生過程了吧:首先,物理化學反應產生了熱量,這些熱量立馬加熱了反應物和產物,使它們從基態變為激發態,然後返回基態時發出光,從而形成火。而且根據被加熱的物質不同,發出的光譜也不一樣,火的顏色也不一樣。通過這種原理,人們甚至可以很簡單地鑑別物質。高中時學過的焰色反應就是此原理,用於分析化學的ICP發射光譜儀也是基於類似的原理。



另外,我們還知道,光的波長越短,能量越大。所以藍色光的顏色比黃紅光的能量大,故而如果火焰的顏色是藍色,那就說明溫度極高。當然如果是紫色了,那就更高了。總體來說,火顏色溫度高低判斷標準如下:

紫色>藍色>綠色>白色>黃色>橘黃色>紅色(從高溫到低溫)。




科學探秘頻道


看到大部分答案都提到等離子體這個概念。火,更準確的說是在火焰中,只有比較少一部分以等離子體形式存在。而且等離子體形態的存在,需要有很高的溫度才能保持。火焰的主要組成部分,還是氣體。

嚴格意義上來說,火,是物質在燃燒過程中發生的強烈氧化反應。在反應進行的過程中,能量以光和熱的形式放出。與此同時,還有其他的物質生成,比如二氧化碳和水蒸氣。通過這兩種生成物進行初步推斷,火焰應該說至少大部分是由氣體組成。


然而現實的情況並不是這麼簡單,根據所用來進行燃燒的材料材質不同,即使都是形式存在著,火焰的不同部位其成分也並不相同。在接近火焰底部的位置存在的,是氧氣和尚未進行反應的可燃氣體。在這一區域存在的物質,他的組成很大程度上由進行燃料的種類決定。


可燃氣體和氧氣結合,在上升的過程中發生了燃燒反應,通過破壞氧氣分子中較弱的雙鍵生成二氧化碳和水蒸氣。同時也會有一些因為不完全燃燒而產生的產物,可能是固體,比如灰燼。也有可能是氣體,例如一氧化碳。一些燃燒材料中如果含有其他元素,也會有其他氣體釋放出來,比如二氧化硫。


火焰的顏色不僅代表了其燃燒的溫度,也能夠給出關於火焰組成的信息。一些特殊元素的存在會使火焰出現不同的顏色,比如鈣對應磚紅色,鈉對應金黃色,鉀對應淺紫色。這在化學中稱為焰色反應。我國南北朝時期陶弘景在其著作《本草經集註》中已有記載“以火燒之,紫青煙起,雲是真硝石(硝酸鉀)也”。


Trex


導語

火,準確的來說應該叫火焰,幾乎是我們每個人從小看到大的。

從鍋爐灶到煤氣爐,從火柴到蠟燭等等,它都以一種司空見慣的存在遊蕩在我們的視野之下。

它能看見,卻摸不著,它能感觸,卻沒辦法握住。

看慣了之後,我們有很多人可能在有意識沒意識地思考過這東西究為何物?


火是什麼?

火在古代幾乎被世界各地方的文明看成一種組成世界的基本元素之一,比如中國的古代就把火和其他的四種物質(金,木,水,土)作為構成世界的基本元素。

現代意義上的火一般說成火焰,火焰作為一種狀態和現象,是可燃物和助燃物發生氧化反應,釋放光和熱的自然現象。

氧化反應,通常意義上是指物質和氧元素或者氧氣發生的化學反應,物質失去電子,氧得到電子的過程。

火焰大體上分為焰心,內焰和外焰,溫度從裡到外依次增高。


簡單來說,能呈現給你看到的火焰,是各種氣態分子結合的過程中釋放出不同頻率的能量波,在在介質中傳播而發出幾種不同顏色的光現象。

深層次的物理本質呢?

火焰的狀態,或者說物質態,是進一步“氣化”的“氣體”。

這樣的“氣化”我們稱為電離,這樣的“氣體”在物理學上,叫做等離子體。

等離子體的本質又是什麼?

我們把電離了的原子,也就是失去電子而顯正電的原子稱為(正)離子。

在這種被完全電離的氣體中,因為系統中帶負電的電子和帶正電的離子電荷量是相等的,所以我們把這種系統的離子又稱為等離子體。

等離子體整體由此顯中性,火焰也不至於你碰到它除了燙的感覺,還能感受被電的感覺。

這是一種區別與我們世界大多的物質三態(固態,液態,氣態)。

火焰和等離子態

火焰是等離子體,但等離子體不全是火焰。

火焰就是在燃燒氧化反應過程中,釋放光和熱能量的過程。

物質從固態到液態需要加熱吸收能量,從液態到氣態也需要加熱吸收能量,那麼繼續加熱吸收能量的氣態物質,就會因為電子吸收了更多的能量,變得更加不安分,和原子分離成為自由電子。


也就是說劇烈的氧化反應提供了讓電子擺脫原子束縛的能量,幾乎所有的電子都“跳槽”的系統,就是我們說的等離子體。

這,就是火。

巨大的太陽就是一個等離子球體,但這種等離子體的形成並非燃燒現象,而是來自更可怕的核聚變。


科學新視野


說到火到底屬於什麼樣的形態,這就要說到“等離子態”,火不屬於液態、氣態、固態,而是由等離子態物質組成,而等離子態是在1879年被發現並確定的第四種物質狀態,

那麼你又問了,等離子又是什麼東西?下面咱們來解答一下。

火焰可以理解成混合了氣體的固體小顆粒,在物質變為氣態以後,如果從外界繼續得到能量,到一定程度後,它的粒子又可以進一步分裂為帶負電的電子和帶正電的離子,即原子或分子發生了電離。電離使帶電粒子濃度超過一定數量(通常大約需千分之一以上)後,氣體的行為雖然仍與平常的流體相似,但中性粒子的作用開始退居到次要地位,帶電粒子的作用成為主導的,整個物質表現出一系列新的性質。像這樣部分或完全電離的氣體,其中自由電子和正離子所帶的負、正電荷量相等,因此呈電中性,再受電磁場影響,由此稱為“等離子體”。

那麼通常我們看到的火會有顏色,那又是怎麼一回事呢?這就要說到“光子”,肉眼看到的火其實是電離的電子由激發態回到基態時放出的光子,而不同能量的光子則帶有不同的顏色。

還有一個問題,火這種物質受不受重力影響,答案是肯定的。

但是如果從化學角度分析,火是燃燒產生的現象,從哲學角度分析,火就是物質。

因此,火到底是什麼東西,還得基於不同的提問條件!


莊小哥



火,是一種現象,是物質燃燒過程中所進行的強烈氧化反應,並釋放光和熱。物質燃燒必須有可燃物、高溫和氧化劑三項並存才能生火,缺一不可。根據質量守恆定律,火不會使被燃燒物的原子消失,只是通過化學反應轉變了被燃燒物的分子型態。

物質燃燒的時候出現火,火的可見部分稱作火焰,它隨著粒子的振動而有不同的形狀,火焰可以理解成混合了氣體的固體小顆粒,因為是混合體,單純的說成固體或者氣體都不合理的,但在溫度足夠高時會以等離子的形式出現,火焰是燃燒後的氣體及固體的混合物,會釋放可見光、紅外線甚至紫外線,其發射光譜依燃燒物質的化學成分及中間產物而定,大部分火焰的光譜為連續光譜。根據燃燒的物質不同,火焰的顏色和溫度也會不同。

火焰是能量的梯度場。伴隨燃燒的過程,其殘留物可以反射可見光,火焰的發光相當複雜。可以確定的是,火焰是一種狀態或現象,是可燃物與助燃物發生氧化反應時釋放光和熱量的現象。

火是影響全球生態系統的最重要因素之一,人類用火來烹調、生熱、產生訊號、照明等。用火不當,也會造成災難,如水體汙染、土壤流失、空氣汙染及對生命財產的危害,而且也會使全球溫度升高,產生溫室效應。

最後需要說的是,人類發明火是利用自然來改善生產和生活的第一次重大實踐,火的應用在人類文明發展史上有極其重要的意義。最初,人類使用的是自然火,當人工取火發明以後,原始人就開始掌握了一種強大的自然力,促進了社會的發展,而最終把人與動物分開,這是人類社會發生歷史上的第一次巨大飛躍。


震長


剛開始看到這個問題覺得一臉懵逼,對哦,火到底是屬於固液氣哪種狀態?如果說讓中學階段的同學來回答可能無從下手。

一開始我把他歸類為液體,因為從自由度的觀點來看,火比固態活躍,又沒氣態那麼大的自由度,也就可以比喻既沒有像上課的同學那麼的有順序有規律,也沒有像放學後的孩子一樣自由,所以簡單粗暴的認為就是液態吧。

不過要真的據此以為火是液態的就大錯特錯了。

事實上,火併不屬於這固液氣的任何一種,它是由等離子體(plasma)狀態的物質組成的,plasma是由英國物理學家Sir William Crookes在1879年確定的物質的第四種狀態(其它三種是固態、液態、氣態)。

以為物質只有三種狀態的同學,傻眼了吧。

在中學階段的意識認知裡,人們見到的物質主要是固態、液態和氣態三種,它們的形態特點以及相互轉化的條件,早已為人們所熟知。但是,這三態的物質在整個宇宙中極少,絕大部分的物質是以其它形態存在的。

現代科學發現,自然界的物質除了固、液、氣三態以及一系列的過渡態之外,還有第四態、第五態、第六態、第七態等。其中物質第四態——等離子態——1879年英國物理學家克魯克斯在研究陰極射線時,發現了具有獨特性質的等離子體,從而發現了物質的第四態等離子態。

所謂等離子態指的是由部分電子被剝奪後的原子及原子被電離後產生的正負電子組成的離子化氣體狀物質,它是除去固、液、氣外,物質存在的第四態。看似比較神秘,其實是宇宙中一種常見的物質,在太陽、恆星、閃電中都存在等離子體,它佔了整個宇宙的99%。現在人們已經掌握利用電場和磁場產生來控制等離子體。例如焊工們用高溫等離子體焊接金屬。等。


留白說


火是一種怎樣的存在,有什麼科學原理?

火焰確實是一種非常能迷惑人的存在,大家都知道物質的三態,固態、液態和氣態,但是火焰似乎是遊離於這三態之外的,有人認為這是低溫等離子體,但有一點是毫無疑問的,高溫或者及高溫的火焰應該是一種等離子體存在,比較爭議的是比較低溫的火焰!

當然在物質的形態認識過程中,三態已經是不夠用了,除了這三態以外還有等離子態、玻色—愛因斯坦凝聚態,費米子凝聚態,當然火焰用不到後面這兩種物質狀態解釋!我們先來看看等離子態是如何形成的。

其實一般形成等離子態的方式非常簡單,就是暴力方式的不斷加熱加熱加熱....就會出現等離子態,所以太陽上的物質都是以等離子態的方式存在的!而低溫等離子體則是儘管電子溫度非常高,但物種中的重粒子溫度還是比較低,物質表現是處在比較低溫的狀態,因此稱為低溫等離子體,或者稱:非平衡態等離子體。

那麼火焰到底是一種什麼樣的存在呢?由於火焰的高溫導致物質劇烈的分子運動,相互之間的碰撞會導致氣體分子電離,此時物質已經轉成自由運動以及相互作用的正離子與電子混合雲,而一般火焰的也大致處在這個範疇內!

但火焰的等離子體化是不完整的,更多的是化學反應後形成的高溫釋放過程,並不是所有的火焰或者火焰的全部都是等離子體,這樣的理解是不正確的!


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