熄滅的是燭火 引燃的是智慧

朱建華

摘要：從理論和實踐的角度深入分析了蠟燭由高處向低處依次熄滅的原因。實驗和分析表明若用燒杯倒扣在高低兩支點燃的蠟燭上，導致高的一支蠟燭先熄滅的原因主要是N2，并非蠟燭燃燒產生的CO2氣體。隨著蠟燭的燃燒，越來越多的N2和CO2氣體充滿整個燒杯，是蠟燭由高處向低處逐漸熄滅的原因。

關鍵詞：理論分析;實證探索;蠟燭熄滅

文章編號：1008-0546（2020）11-0094-02 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.024

筆者曾在觀摩同行的展示課時，看到有位老師講授“二氧化碳性質”，演示了如圖1所示實驗，實驗現象是：低處蠟燭先熄滅，高處蠟燭后熄滅。于是得出如下結論：①二氧化碳不燃燒、也不支持燃燒;②密度比空氣大。然后，該教師又重新設計了一個將燒杯倒扣在燃燒蠟燭上的實驗，發現高處蠟燭先熄滅，低處蠟燭后熄滅。并得出結論：在倒扣的燒杯中，由于蠟燭燃燒會產生大量的熱，所以生成的CO2氣體是熱的，密度較小，因此，CO2氣流會上升，且從上向下慢慢充滿整只燒杯，所以會出現蠟燭由高到低依次熄滅的現象。

筆者無法否認該實驗現象的真實性。然而，對于實驗的結論，筆者認為是有待商榷的。為此，筆者做了如下理性思考及實證探索：

一、理論分析證明CO2氣體不能獨自占據上部空間

若CO2氣體能獨自占據上部空間，則CO2氣體的密度要比空氣的密度小：1.977x10^-3kg/xL<1.293x10^-3kg/L（x表示氣體的膨脹系數），求得x>1.53，由此可知，只有二氧化碳氣體的體積擴大1.53倍時，其密度才會小于空氣密度，cO：氣體才會漂浮在上部空間，再由氣體等壓定律：V/T2=1.53V/T1，v表示二氧化碳氣體原來的體積，T2表示二氧化碳氣體原來的溫度，1.53V表示表示二氧化碳氣體膨脹后的體積，T1表示二氧化碳氣體膨脹后的絕對溫度，若點燃蠟燭前燒杯內為25℃，即T2為298K，求得T1為456K，也就是膨脹后二氧化碳氣體溫度為183°C。分析可知，若下層為25°C時，上層只有高于183℃時（上、下溫度差為158℃），cO2氣體才會漂浮在上部空間。事實上，這么大的溫差不會存在，當高處蠟燭熄滅，低處蠟燭沒有熄滅時，筆者測得上下溫差僅為35℃左右（上層為60℃左右，下層為25℃左右），所以，CO2氣體不能獨自占據上部空間。

二、兩個實驗中蠟燭熄滅的原因在于氣體的組成不同

圖1中的蠟燭由低到高依次熄滅，筆者注意到，這兩支蠟燭都是瞬間熄滅的，顯然，這是由于突然缺氧導致的，也就是說是由二氧化碳氣體單獨引起的，而新設計的實驗中，高處蠟燭先熄滅、低處蠟燭后熄滅，仔細觀察發現，火焰都是由大到小，緩緩熄滅的，說明該過程是一個慢慢缺氧的過程。由此可知，這兩個實驗中導致火焰熄滅的氣體的組成并不相同，也就是說，新設計的實驗，火焰熄滅并非只由二氧化碳引起的。

三、在倒扣的燒杯中二氧化碳分布均勻，不存在

二氧化碳氣體緩緩下移的現象

若二氧化碳氣體能獨自占據上部空間，且慢慢充滿倒扣的燒杯，那么就會存在一個空氣與二氧化碳氣體交界面，這個交界面會緩緩下移（或者有一個濃度梯度下移），那么，這樣的濃度梯度或交界面存在嗎？

筆者選用大號礦泉水瓶演示了該實驗（如圖2所示），待高處蠟燭熄滅后，立刻用注射器從礦泉水瓶上、下兩層分別抽取10mL氣體，再分別注入5mL澄清石灰水中，發現石灰水都變渾濁，且渾濁程度幾乎相同。由此不難推出：在倒扣的燒杯中，CO2氣體是均勻分布的，不存在上層為二氧化碳氣體，下層為空氣的現象，更不會存在二氧化碳氣體與空氣有交界面下移的現象。筆者還用注射器從上、下兩層各抽取10mL氣體，并用等體積、等濃度的燒堿溶液吸收，發現均減少了3mL，即減少了3mL二氧化碳氣體，由此證明在該實驗中，CO2氣體對蠟燭熄滅起的作用是次要的。所以，有同行認為在新設計的實驗中，二氧化碳從高向低慢慢充滿整個燒杯，從而導致蠟燭由高往低依次熄滅是缺乏科學依據的。

四、結論

通過上述理論分析與實證探索，筆者認為CO2氣體并非是使蠟燭由高到低依次熄滅的主要原因。那么，究竟是什么原因使得蠟燭由高到低依次熄滅呢？筆者認為主要是N2，在引燃蠟燭前，倒扣燒杯內的氣體中，O2約占20%，N：約占80%，引燃蠟燭后，向上運動的是高溫下的N2和生成的二氧化碳，N2的密度本來就比空氣密度略小，受熱后，密度更小，所以它可以占據上部空間，而受熱后的二氧化碳氣體雖然在短時間內也很容易占據上部空間，但由于其密度比空氣大很多，和周圍空氣交換熱量并降溫后，極易向周圍擴散，所以會均勻分布在燒杯內。

由此可知，占據上部空間的主要為N2，并非蠟燭燃燒產生的二氧化碳氣體，在蠟燭燃燒時，會有越來越多的氮氣和CO2氣體充滿整個燒杯，這才是蠟燭由高處向低處逐漸熄滅的原因。

綜上所述，新設計的實驗方案最主要的錯誤在于只關注二氧化碳，而忽視了空氣中的主要成分：N2。