节日消防：蜡烛实验说灭火

我国 小学《自然》《科学》及教师教学用书《空气的成份》一课课本中，为了证明空气中有氧气，有一个蜡烛燃烧后吸水上升的实验。这个实验的操作是：在底层有水的盆中竖一只点燃的蜡烛，用一只玻璃杯扣住蜡烛，置盆底水中，与周围空气隔绝。杯内空气成分被燃烧过程改变而导致蜡烛熄灭，这时盆中的水会有进入杯中，发生水面上升的现象。其实验原理据说是为了验证氧气的存在（或氧气在空气中的成分）；其实验目标是为了培养学生的观察能力、实验能力；培养学生记录实验过程、实验现象、实验结果的能力；培养学生具有实事求是、严谨踏实、与人合作、乐于探索的科学态度。虽然实验设备简单，实验操作容易，实验效果显著，但由于该实验所依据的理论不充分，对学生的认识有一定的误导作用，笔者用灭火常识来分析一下。

我们知道，空气中含有大约21%的氧气，而该实验可以导致水面上升到占总体积20% 的地方，所以自然而然地与氧气的消耗联系在一起。但是，火灾动力学理论中有一个关于空气中的氧气浓度低于13%（有个范围， 在11%～16%之间，原因见后）以下的空气不支持燃烧进行的经验性常识，明显和这一说法相矛盾。事实上，有人测量了该实验蜡烛熄灭后的空气成分，氧气含量在11~16%之间，所以蜡烛耗氧导致火焰熄灭的说法是不正确的，但是该现象还是可以用灭火理论加以解释的。

为什么空气中的氧气浓度低于13%就不支持燃烧，而炉膛中的燃烧可以把氧气浓度降到0%呢？关键在于环境温度。在普通空气中进行的燃烧，释放的能量要把燃料（燃烧时表现为气态），氧气和不燃气体（如空气中的氮气和氩气）加热到火焰温度（通常是1300摄氏度左右），才可以维持气相燃烧的正常进行。由于燃料种类繁多，不易控制，所以消防领域通常使用氧气的浓度来估算释热量，即基于氧量的释热量。当周围的温度是环境温度，氧气的浓度至少应保持13%，方足以克服上述三类气体（燃料，氧气和氮气）（到达燃烧温度的）温度差，维持燃烧的正常进行。也就是说，这13%的氧气是用来提供预热燃料、氧气和不燃气体到达火焰温度的能量需求，是维持燃烧在空气中正常进行的必要条件。

我国教科书中的解释是蜡烛消耗了空气中的氧气，导致杯中空气压力不足，而水面上升，这是完全不科学的。因为氧气虽然被消耗了， 但燃烧产物是二氧化碳，后者微溶于水。如果二氧化碳也大量溶于水的话，全世界的鱼类都会因为缺氧而窒息死光了。所以蜡烛燃烧前后的气体总量是变化不大的，那么为什么水平面会上升呢？如果观察者确实是细心和仔细的话，他会注意到杯中的水面不是随着燃烧的进行而逐步上升的，而是待燃烧强度减弱才开始上升。这是因为，有释热就有散热，两者维持平衡，则水面保持不变。一旦释热不足以维持散热，杯中气体的温度下降，所以气体因冷却而压力降低（波义耳定律？），其降低的气压可以通过周围环境的气压推动水面来补偿（或平衡），因此产生水面上升的现象（物理学中的压力传递原理，维持内外压力平衡）。如果实验用杯足够大，蜡烛释放的热量加热气体温度不够（因为同时的散热量也大），水平面上升的程度会很低。所以实验用杯越小，空气热胀冷缩的效果越明显，但和与空气的氧气浓度关系不大。由于导致蜡烛熄灭的氧量浓度与环境温度相关，所以当小杯中的温度高时，氧气浓度可以降低到11%，而大杯中的氧气浓度低于16%就不足以维持燃烧的进行，这是符合消防灭火原理的，关键在于环境温度的差别。在炉膛中，空气一直维持在火焰温度，相当于不需要预热能量，所以燃烧过程可以把氧气消耗到0%而不受影响。

蜡烛灭火实验是非常简单实用的课堂实验之一，但由于指导理论不正确。几十年来，我国教科书都是用此来培养学生的观察能力，其效果是非常可疑的。科普，科普，没有质疑，没有好奇，哪能科普？

伟大的实验化学家法拉第，生前除了在电磁实验和化学实验方面作出的成果以外，还有一系列关于蜡烛的化学实验并演讲，深入浅出地介绍了当时的学术研究成果，成为科普教育的伟大先行者。除了在化学教育领域的应用，蜡烛还可以作为消防安全的简易工具，介绍燃烧原理和安全常识。笔者这里分析一个常见的蜡烛实验中的灭火原理，并指出流行认识中的错误。你有常识，我有理论；你有理论，我有实验。实验是检验真理的唯一标准。

有道是，蜡烛实验很简单，操作过程很真实，现象结果很明确，理论指导很重要。

注：本文得到麻庭光博士授权并允许转载。

麻庭光博士为美国俄克拉何马州立大学消防与安全技术系助理教授。

目前在上海应用技术大学从事教学工作。