蜡烛火焰的分层现象及其温度差异,是由燃烧过程中燃料(蜡蒸气)与氧气的混合程度、化学反应发生的阶段以及热量分布决定的。具体来说,火焰分为三层:
焰心(最内层,靠近烛芯):
- 状态: 主要由刚刚从液态蜡蒸发出来的蜡蒸气组成,尚未开始燃烧或刚开始接触少量氧气。
- 化学反应: 几乎没有燃烧反应发生。这里主要是燃料的预热和蒸发过程。
- 温度: 最低(大约 500-800°C 或更低)。因为没有剧烈的氧化反应释放大量热量。
- 颜色: 呈现暗淡的蓝色或接近透明。
内焰(中间层):
- 状态: 蜡蒸气开始与从火焰外层扩散进来的少量氧气接触。氧气供应相对不足。
- 化学反应: 发生不完全燃烧。蜡(主要是碳氢化合物)在缺氧条件下发生热解和部分氧化,产生大量游离的碳颗粒(碳黑)以及一些一氧化碳、醛类等中间产物。
- 温度: 中等(大约 800-1000°C)。部分氧化反应释放热量,但效率不高。
- 颜色: 最明亮的黄色或橙色。这是因为炽热的碳颗粒被加热到高温,发出明亮的黄光(类似白炽灯的原理)。
外焰(最外层):
- 状态: 蜡蒸气与从火焰周围空气中扩散进来的充足氧气充分接触。
- 化学反应: 发生完全燃烧。碳颗粒、一氧化碳、剩余的碳氢化合物等与氧气充分反应,生成二氧化碳和水蒸气。
- 温度: 最高(大约 1000-1400°C)。充分的氧化反应释放出最多的热量。
- 颜色: 呈现淡蓝色或接近透明。这是因为燃烧产物(CO₂, H₂O)在高温下也会发出蓝光,且没有大量炽热的碳颗粒存在(它们已被完全燃烧掉)。蓝光通常比黄光需要更高的温度。
总结关键原因:
氧气供应梯度: 氧气从火焰外围(空气中)向内部扩散。焰心氧气最少,外焰氧气最多。
燃烧阶段: 从内到外,经历了预热蒸发 -> 不完全燃烧 -> 完全燃烧的过程。
反应效率: 完全燃烧(外焰)比不完全燃烧(内焰)释放的能量更多、效率更高,因此温度更高。
发光物质: 内焰的高亮度主要来自炽热的碳颗粒,而外焰的高温但相对暗淡的光则来自高温气体分子的辐射。
因此,蜡烛火焰的分层和温度差异本质上是燃料与氧气混合程度不同,导致燃烧反应阶段不同、能量释放效率和发光物质不同的结果。