人类认识物质燃烧的现象,可以追溯到人类的祖先-上千万年前的腊玛古猿,那个时候腊玛古猿逐渐学会了直立行走,而且活动的区域已经从丛林之上转移到了地面之上,活动区域也从森林逐渐向与草原的交界地带过渡。在腊玛古猿所栖息和活动的区域,经常会发生一些由于闪电或者自然积温而形成的森林起火现象,在腊玛古猿相较于其它陆生哺乳动物脑容量大大提升的背景之下,或许那时候人类的祖先在惊吓之余,会不由自主地对“火”这个现象进行深入思考,因此为后来人类学会利用火和保存火种奠定了坚实的基础。
燃烧所必须具备的条件
在我们可见的物质燃烧过程,都必须遵循着三个最基本的条件,即可燃物本身、助燃剂、达到燃点,这三个条件对于燃烧来说缺一不可。
可燃物:我们通常说的可燃物,是指在地球上能够与氧化或者其它氧化剂发生燃烧反应的物质,固、液、气相都有相对应的许多可燃性物质,这些物质是发生燃烧的基础。助燃剂:对于燃烧过程来说,助燃剂是可以与可燃物结合推动燃烧现象发生的物质,这些物质都具有很强的氧化性。我们日常生产生活应用最多的助燃剂就是氧气,另外工业用的还包括硝酸钾、氯酸钾、臭氧、氯气、二氧化氮等等。达到燃点:可燃物在助燃剂的作用下,要达到燃烧必须要突破一个最低温度,这个最低温度就是物质燃烧的燃点。不同的物质,其燃点一般都会有一定的差别,比如一氧化碳气体的燃点摄氏度、木材摄氏度、无烟煤摄氏度、白磷40摄氏度、汽油摄氏度、酒精摄氏度等等。物质守恒
在一个密闭的孤立系统内,无论是发生物理变化、还是发生化学变化,其变化前后组成物质的总质量保持不变,这就是著名的物质守恒定律。该定律能够推动了人类从更加微观的角度去认识事物变化的过程,印证了任何事物和物质,既不会平白无故地产生,也不会无缘无故地消失,只能从一种状态转化为另外一种状态,或者从一种物质转化为另外一种物质。
从一种状态转化为另外一种状态:这是一种物理变化,比如一种物质在固、液、气三相中相互转变,如果在纯粹的密闭空间里进行测量的话,其总质量在变化前后是一样的。而物质在同相的状态下,如果因密度变化或者受力变化发生形变,当然其总质量也是不会发生变化的。从一种物质转化为另外一种物质:这是一种化学变化,物质与物质之间通过一定的条件,使得组成结构中的原子或者电子发生变换或者转移,从而生成新的物质分子的变化过程。在化学变化过程中,通常会伴随着发生物理变化,而且会释放或者吸收相应的能量过程。而从这种变化的本质来看,生成新的物质,意味着老化学键的断裂以及新化学键的形成。从物质守恒看木材燃烧
木材燃烧的过程是一种典型的化学变化,在进行化学反应的分析时,我们一般都会通过列出化学反应式的方式,来判断旧物质的消耗以及新物质生成之间的对应关系,因此必须要找到参与化学反应的各种物质,然后通过对参与物质化学性质的分析,一般就会比较容易地判断新生成的物质。
从木材的组成来看,其主要由碳、氢、氧、氮四种元素组成,占据了木材总质量的99.5%以上,另外还含有微量的矿物质元素,比如钙、钠、硅、镁、钾等。而碳、氢、氧、氮四种基本元素所形成木材组分,除了水分以外,其余的基本都是各种有机物质,比如纤维素、半纤维素、木质素,这三种有机物是木材的主要有机成分,其余的还包括树脂、生物碱、果胶、蛋白质、淀粉、精油等等,无机盐只占据了很少的部分。
当木材在燃烧时,以碳、氢、氧、氮四种基本元素构成的有机物质,其燃烧产物主要是二氧化碳、一氧化碳、水、二氧化氮等气体物质,之所以木材在燃烧之后,我们看到的只剩下一点灰烬,质量比原来要轻很多,原因就在于生成的这些物质都以气态的方式飘散到了空气中,而留下的灰烬,则是那些不能燃烧的碳酸盐、钾盐、钠盐、硅酸盐等微量的无机盐类。
如果在一个绝对封闭的空间里做一个非常精密的实验,在木材燃烧的前后,分别测量出反应前的木材、氧气的总质量,以及反应后的各种气体、水、灰烬的总质量,就会发现二者基本相等。
能量守恒与质能守恒
能量守恒定律是从物质本身所具有的各种机械能、热能、生物质能等所有形式能量的总和角度出发,在物质本身形态发生改变,或者变为另外一种物质之后,其总能量不发生改变。如果有外界能量输入,那么变化后的总能量等于变化前的总能量与输入能量之和;如果在一个绝对封闭的系统内,没有任何外界能量输入,那么总能量将不会发生任何变化,只是从一种形式转化为另外一种形式,或者从一个物体转移到另外一个物体。
从一种形式转化为另外一种形式:即我们常见的能量转换,光能变为热能、热能变为电能、电能变为机械能、生物质能变为热能等等,都可以在日常生活中找到多种事例。这种变化需要通过做功来实现。从一个物体转移到另外一个物体:即我们常见的能量转移,比如热量从温度高的物体传递到温度较低的物体等,这种方式除了做功以外,还需要通过热传递。质能守恒是建立在物质守恒和能量守恒基础之上的,是将二者通过质能关系方程统一在一起的一种表达质量和能量之间关系的定律。这个质能关系的方程表达式即:E=mc^2,对于一个物体而言,其总质量和总能量遵循着质能方程的关系,相应的质量对应着相应的能量,质量的变化将会引起总能量的变化。
从质能守恒看木材燃烧
刚才我提到了,按照物质守恒定律,木材燃烧前后,生成的产物与原有参与反应的物质总质量基本一致,之所以用了“基本”二字,是因为从精密的科学角度来看,还是有一定的差异的。这个质量的差异,主要体现在反应剩余物的总质量,要比反应前的所有参与物的总质量要少那么一点点。
即使质量的亏损值几乎可以忽略不计,那么按照质能方程,乘以光速值的平方以后,那么带来的能量值就比较可观了,这也是为什么我们可以看到燃烧非常剧烈的原因。
总结一下
1斤木头燃烧后只剩下不到1两的灰,我们之所以能够有这么的错觉,是因为眼睛欺骗了我们,我们只能看到固态的灰烬,却看不到散发出的空气,这些看不见的生成物也都是具有质量的。如果我们在一个绝对封闭的空间里做这个实验,就会发现反应前后的总质量几乎没有变化,而亏损的那么一点点连仪器都测不出来的质量,决定着燃烧所释放出来的总能量,这个作用过程的机理就是统一了质量守恒和能量守恒的质能守恒定律。