古诗深含亲与爱
君问归期未有期,
巴山夜雨涨秋池。
何当共剪西窗烛,
却话巴山夜雨时。
这是李商隐脍炙人口的抒情短章,是诗人写给远在北方的妻子的。当时诗人被秋雨阻隔,滞留荆巴一带,妻子从家中寄来书信,询问归期。但秋雨连绵,交通中断,无法确定,所以回答说:君问归期未有期。这一句有问有答,跌宕有致,流露出诗人留滞异乡、归期未卜的羁旅之愁。诗人与夫人王氏伉俪情深,时刻盼望能速归故里,与妻子共坐西窗之下,剪去烛花,深夜畅谈。而此时,只能苦苦思念。诗只有四句,却情景交融,虚实相生,既包含空间的往复对照,又体现时间的回环跳跃。“何当”为设想之词,设想由实景而生,所以第二句中的巴山夜雨成为设想中回忆的话题,令“却话巴山夜雨时”成为巧妙的抒情诗句。
李商隐一生并不得意,夹杂在晚唐的党争漩涡之中,屡屡遭贬,时运不济。但是,他观察事物有独特的视角,剪烛这样的一件小事,让他描写得非常贴近生活和饱含深意,成为千古绝唱。不过,蜡烛是典型的燃烧过程,可以用来解释很多燃烧现象。英国的伟大的实验化学家法拉第,在几十年的时间里,以蜡烛为主题和切入口,解释很多生活中的现象和自己的研究心得,为作科普宣传。短短一根蜡烛,确实包含了燃烧和安全方面的重要话题,这里简单分析一下烛芯的作用,深入探讨蜡烛可以表达的消防常识。
蜡烛燃烧靠过程
在蜡烛发明之前,古人或者令奴隶持火炬照明(如甲骨文中的光字就是典型的象形文字,单人持炬,发光照明),或者使用油灯(古灯字,从火从登,后者又从豆,大概是火苗像豆,早期的油灯也是称作豆的)。那么使用蜡烛和油灯在燃烧方面有什么不同之处呢?油灯是燃烧液体的灯油,而蜡烛则是燃烧固体的蜡。如果要当作照明的燃料使用,两种燃料的共同特征是不能像汽油那样,一点就着,如果是这样,燃烧就容易失控了。所有的民用燃料都需要燃点低于环境温度,否则就有自燃和爆炸的危险。美国人德莱克在宾州发现石油之后,首先想到的用途居然是当作药物使用(美国当时的社会也是江湖郎中和骗子横行的局面),其次就是当作照明用油。比起当时广泛使用的5美元一磅的鲸鱼油来说,石油中提取的照明用油只有8美分一磅,因此在照明领域得到广泛的应用。不过,当时提炼技术不过关,所以经常会发生照明用油混入了低燃点的挥发分(如汽油的成分),因此经常会发生油灯爆燃爆炸事故(对此欧亨利的小说中有很多描写,骗子卖沙子作灯油的防爆添加剂,效果几乎没有。)。
和油灯相比,蜡烛的发明是一件非常重大的事件。油灯需要准备储油容器,蜡烛是固体,因此不需要额外容器。容器的清洁工作相当麻烦,所以蜡烛的最大好处是干净清爽。其次,油灯打翻了,灯油到处蔓延,有火灾失控的危险,而蜡烛打翻了,却只有少量燃料泄漏,便于及时控制。所以蜡烛的其次便利是安全,失火的可能性大大减少。第三,油灯在灯芯周围有大量的未燃烧挥发分损失(因为灯芯向容器散热有损失),而蜡烛的传热没有容器的帮助,因此未燃烧损失的挥发分少,因此比较经济。古代为了克服油灯的散热问题,设计了所谓的省油灯,就是用中空的水冷夹层来冷却容器壁,减少挥发分损失,不过结构复杂,并没有得到广泛的应用。
为了安全需要采用高燃点的燃料(没有外来的能量,如炉膛中的辐射作用,就不能燃烧),因此蜡烛或油灯的燃烧都需要借助于烛芯来进行,火焰只在烛芯上烧着,烛芯以外的火焰都被燃料本身冷却熄灭了。在蜡烛或油灯的烧燃过程中,燃油都是借毛细作用,自油槽中沿烛芯向上送到火焰燃烧的部分,当燃油抵达上端时,就开始气化。毛细作用是由于液体分子之间有表面张力,在微小的空间里,液体表面的张力表现为毛细作用力,把燃料带到可燃烧之处,而且受热相变,维持燃烧的进行。将湿毛巾的一端浸入一盆水,另一端悬空,则盆水会源源不断地湿润空中的毛巾,直到一盆水用光为止。其中用来克服重力的令水分在毛巾中上升的力量,就是毛细作用力。
一般蜡烛在燃烧时,在顶端会形成一个浅槽,槽内装满了熔化的蜡油,其作用相当于油槽。蜡烛燃烧时产生的热气将空气向上推,在烛顶附近靠边缘的蜡,由于接触较冷的空气,使熔化的蜡油冷却下来,因而在烛顶形成杯槽,如果烛芯位置不正,没有位于中央,或者蜡烛没有竖直站立,在重力的作用下,蜡油向外向下流失,就会形成“蜡烛有心多流泪”的局面。所以杯槽是因持续上升的热气流作用而形成的,这种作用造成空气对流,结果是热空气沿烛顶上升,冷空气自周围进来,这种稳定的局面需要蜡烛的位置正确才能够加以维持。
时时剪烛维稳定
安全燃烧的过程,需要有烛芯来帮助进行可控制的燃烧。这里就产生一个深刻的话题,为何总要剪烛芯?为何现代的蜡烛不需要剪烛。一般的解释是:蜡烛燃烧时间过长会引起烛花现象,也就是火苗会跳动,必须剪短烛心才能保持烛火苗不动。这是不完全的解释。火焰过大,还会造成混合不完全,局部温度不足以维持燃烧的完全进行,因此有大量的烟黑产生。因此,剪烛还有减少烟黑生成,防止污染墙壁的功能,以及防止火焰过大而导致传热过量,破坏了油槽的传热平衡,造成蜡烛多流泪,燃烧时间短,因而不经济。
为何火焰会跳动?这是所谓的流动失稳的问题。当提供燃料的烛芯过长时,提供的燃料多,放热量大,因而产生的羽流量大,卷吸的气流量大,羽流产生的涡流频率如果与燃烧系统的固有频率发生共振,就会产生火焰上下跳动的现象,照明的效果非常不好。所以韩愈40岁视力就不行了(“吾年未四十,而视茫茫,而发苍苍,而齿牙动摇。”《祭十二郎文》),劣质蜡烛的祸害很大。
那么,现代的蜡烛是如何解决这一问题的呢?1820年,法国人强巴歇列发明了三根棉线编成的烛心,使烛心燃烧时自然松开,末端正好翘到火焰外侧,因而可以完全燃烧。现代蜡烛通常在烛芯中加入一根细微的金属线或混入金属粉,点燃以后的烛芯,在自重的压力下弯曲,顶部直接暴露在蜡烛火焰的外焰高温部分(外焰温度高于内焰温度,这是初三化学的入门常识,对于扩散火焰来说,外焰是反应区,内焰是混合区或准备区。),自动被高温火焰切除多余的部分。这样我们现代人就不必再需要时时剪烛来维持蜡烛的稳定燃烧了。
烛芯虽小作用大
很多冲向火场的消防队员注意到,浇在地毯上的油类比浇在水泥地面的油类燃烧更猛烈,火焰高度更高(即燃烧放热量大)。一般的解释是,由于有毛细作用,地毯上的油类更容易到达火焰燃烧。这种解释是非常不足的,毛细作用是一种典型的传质现象,毛细作用下的传质并不能超过无障碍传质的水平,只有在外部有流动的作用下,地毯的作用相当于肋片,才有增加传质作用的可能。对于燃烧来说,关键是能量的限制要满足。所谓的火场中的烛芯效应,是指由于多孔介质(烛芯)的存在,向底层的传热损失被禁止,所有的热量都保留在烛芯表面,所以有烛芯的燃烧相当于没有深层传热损失的稳定燃烧,所以要比正常有传热损失的火焰大一点,但不是没有限度的,关键是能量守恒。能量守恒是决定火焰大小的最关键因素,传质条件是次要的。
网上有不少人对英雄邱少云的事迹感到怀疑,为什么人体能够燃烧?为何火焰可以维持3个小时以上而不灭?答案是,燃料顺序进行的次序是汽油点火,其次是作伪装用的草类,第三是棉衣,最后是人体脂肪。人体脂肪不易燃烧,需要有烛芯材料助燃,而棉衣恰好是多孔介质,是作烛芯的好材料。这些烛芯抽取了人体脂肪,因此燃烧得以维持进行。所以火焰虽然不大,却燃烧不止,造成了英雄受难过程的不可逆转。小小烛芯,对于维持燃烧就是那么重要。
只有了解了燃料特征和燃烧的过程,才能够深入认识剪烛的必要性。有道是,固体燃料多安全,燃烧进行赖烛芯;时时剪烛维稳定,剪烛西窗话消防。