“水火交融”—神奇的水下点火技术

最近,当我重新观看《海绵宝宝》这部动画片的时候,发现一集中的木头被点燃了,我从来没有怀疑过这件事情,但可能今天的黄历说我得对这个小问题存疑了。

那火为什么能在海里燃烧呢?而且是水压足够大的海底燃烧?

这一切到底是怎么回事呢?

首先我想到了燃烧的基本概念和条件:

(1)燃烧是一种发光和放热的剧烈氧化化学反应;

(2)实现燃烧必须满足以下三个条件:①存在可燃物、②存在助燃剂、③可燃物达到燃点。

常理来说,只要这三个条件同时满足,燃烧就有可能发生。无论是在定义上还是在反应条件上,都没有提到海底木头就不能燃烧。因此,从这些条件来看,海水中木头的燃烧是完全可能的。

在现实中如何在不向液体中通入氧气等助燃剂的情况下能够实现可燃物的燃烧而周围液体无变化呢?根据个人之前的知识储备,推断了三种可实现上述情况的条件。

(1) 满足可燃物达到燃点,液体沸点高于可燃物燃点的条件。一般的物质燃点比较高,动画中的可燃物是木头,通常情况下,其燃点要在250℃-300℃。而纯水的沸点在标准大气压下是100℃,海水的沸点会因其中含有的盐分和矿物质而略有不同。一般来说,海水的沸点比纯水略高,这主要是因为海水中的盐分会增加其沸点。

具体来说,每增加10‰的盐度,海水的沸点大约会上升0.16℃。因此,如果假设海水的平均盐度约为35‰,那么与纯水相比,海水的沸点大约会高出 0.56℃ 。这意味着在标准大气压下,海水的沸点约为 100.56℃ ,但是动画中并未产生周围的液体蒸发现象。于是我猜测周围环境的液体有可能不是海水?或者在海绵宝宝的世界里海水是具有这种特性的液体?

(2) 可燃物在燃烧中散热少,温度始终不低于燃点。燃烧为何会持续下去?其主要原因在于燃烧本身是一种放热反应。这种反应释放的热量足以使可燃物和助燃剂的温度始终保持在燃点以上,从而使得燃烧过程得以持续。通常情况下,燃烧在气体中进行,气 体的吸热能力远不及液体,因此温度更容易维持在燃点以上,使得燃烧过程更为顺畅。

然而,水扑灭火焰主要是因为两点:水蒸气隔绝了空气中的氧气,切断了燃烧必需的氧气(助燃剂)供应;水的比热容比较高,吸热能力强,迅速将可燃物的温度降低到燃点之下。于是大胆推测周围液体比热容较低,从火中吸热较慢,能维持可燃物的温度在燃点之上。

(3) 周围液体具备助燃剂的特性,因此能够满足燃烧的需求。考虑到动画设定在深海,那里的氧气或二氧化碳可能非常稀少。因此,这种液体可能本身就具备助燃剂的功能,能够维持木头的燃烧。

此时,突然想起了冬奥会时,水下的火炬对接。它是世界上第一支可以在水下清洁燃烧的气态燃料火炬。虽然这不是木材的燃烧,但是水下真正的点火燃烧。国外的水下火炬采用固体燃料,燃烧中存在烟雾污染。而采用气态燃料,不仅消除固体燃料燃烧的烟雾污染,还可以让火焰有动态、飘逸的美感。

那他们具体是如何实现的水下气态燃料点火燃烧呢?

燃料和氧气预先在封闭的燃烧器内混合成均匀的混合气,并形成一定浓度的可燃物混合体,然后被火源点燃。助燃剂有了,剩下的就是要保证火焰温度维持在可燃物的燃点之上。为此研发团队给火焰加了“防水罩”,采用气动旋流火焰保护设计,保护火焰不受水冷却影响,克服绿色能源在水下燃烧困难的技术难题,让奥运圣火呈现水下燃烧胜景。

从《海绵宝宝》动画中深海木材的燃烧,到奥运火炬水下传递,神奇的水下点火技术让我们大开眼界。水下点火技术的未来发展必将受益于技术创新、和智能化趋势,在多领域必有广泛应用。（陈子崇）