节日消防：哪支蜡烛先熄灭？

2008年，广州市荔湾区西关培正小学的一群小学生，在老师的带领下，认真地完成了一系列有系统的蜡烛实验，实验可奖，结果可观，精神可嘉，理论微瑕。现用前面的灭火理论分析一下，可见理论之魅力。

前面单支蜡烛的灭火实验，其实验结果很难量化，但是很容易预估定性和定量的结果。把单蜡烛实验推广到多蜡烛，来判断高矮蜡烛谁先熄灭的问题，则需要相当的火灾动力学理论作基础，其结果不是那么显而易见的。

广州市荔湾区西关培正小学的五位小学生在老师的指导下，在玻璃罩内进行了四组有趣的实验，

（1） 18.5厘米与4厘米蜡烛一起燃烧；

（2）12厘米与4厘米蜡烛一起燃烧；

（3）8厘米与4厘米蜡烛一起燃烧；

（4）10.3厘米和4厘米单独燃烧。

结果发现第一第二组都是高蜡烛先熄灭，第三第四组却是矮蜡烛先熄灭。该实验最大的缺陷是没有记录玻璃罩的体积参数（只要倒入水，量一下水的体积即可，非常容易），因此很难重复。不过，根据消防理论中的室内火灾动力学原理，是可以解释上述结果的。

我们知道，在重力场中，烟气受热膨胀，密度降低，会受到周围其他的挤压而上升。这种烟气受热上升形成的流动，通常称为羽流。羽流到达天花板，转为天顶射流（Ceiling Jet），这是空间较大时的情况。在空间较小时，烟气仍然会受热上升，虽然不会有明显的天顶射流，但仍然会造成空间的气流分层现象，上层温度高，密度低，主要是燃烧产物，下层温度低，密度大，主要是新鲜空气（新鲜度不断下降）。

根据室内火灾的烟气分层现象，可以用来解释上述的实验结果。第一第二组实验的高蜡烛火头沉浸在燃烧产物中，因供氧不足而熄灭。第三第四组实验的两种蜡烛都不受上层燃烧产物的影响，在氧气浓度差不多的情况下，两种蜡烛比周围的空气温度，周围的空气温度越低，维持燃烧进行的氧气临界浓度越高。这里显然矮蜡烛周围的气体温度低，在氧气浓度都在降低的情况下，较早达到临界浓度，因此较早熄灭。原文指导老师的解释是二氧化碳下沉说，但作为燃烧产物的二氧化碳是热的，不会在短时间内单独下沉，所以此说不确。

解释蜡烛灭火实验的关键在于认识氧量释热原理。虽然我们周围的燃料种类有很多，但都需要通过氧化反应来放热燃烧。美国标准研究所（NBS，现在称为国家科学技术研究所，NIST）的研究员Huggett在1981年发现，所有普通燃料（非自身含有氧化剂的燃料）放出的热量与消耗的氧量之比值是固定的（13.1KJ/g），从此各种基于测氧原理的量热器纷纷登场，开创了火灾强度测量的新局面。

对于火灾的进行来说，燃料通常是无限的，空气的供应也几乎无限的。通常我们不能移走燃料（移走燃料是最直接的灭火方式，也是很容易被忽视的一种灭火方式。古代缺乏灭火手段时，最有效的灭火工具是耙子，分割燃料，避免烧光。），只好通过调节空气组成的办法来达到灭火的目的，通常称为气体灭火技术。通常气体灭火技术适用于火灾的早期阶段，在短时间内打破燃烧反应维持所需要的能量平衡，产生不利燃烧的气体氛围。由于气体灭火技术没有残留物，不需要后处理，因此被称为是清洁的灭火技术，用于保障高价值的设备安全运行。常见的灭火剂是氮气，二氧化碳，哈龙气体等。燃烧产物中主要是二氧化碳和氮气在起调节空气组成，达到不可燃的目的。灭火效果如何？可以用惰性气体浓度，或者氧气的浓度来衡量。对于不同的惰性气体，临界氧气浓度是不同的。　

在蜡烛燃烧的实验中，容器内的氧气远远没有耗尽（至少还有30～50%），那么耗氧是不是灭火的原因呢？部分原因。虽然空气中的氧气仍然有50%或更多，但这些氧气在反应中释放的热量不足以维持燃烧的正常进行，所以耗氧有贡献。另一方面，燃烧产生了二氧化碳等不可燃气体，以及空气中的氮气，是吸收燃烧放热而不生成热量的惰性材料，它们的存在导致有限的氧气释放的热量不足以维持其他气体的消耗。吸收大于放热，燃烧就无法进行下去了。小小蜡烛一实验，完全体现了气体灭火技术的基本原理。

有道是，蜡烛虽小反应杂；现象简单本质深。认真实验多假设，防火灭火赖理论。

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。