基本的回答是:火焰不一定都需要氧氣。
確實有許多火焰是物質(zhì)與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的,例如人們平時用的煤氣、火柴、蠟燭、木柴、煤炭等等。所以滅火的一個方法,就是隔絕氧氣。
但是,也有許多不涉及氧氣的化學(xué)反應(yīng)會發(fā)出火焰。例如氫氣(H2)在氯氣(Cl2)中可以燃燒,生成氯化氫(HCl)。另一個例子是,肼(又稱聯(lián)氨,N2H4)跟四氧化二氮(N2O4)一接觸就會燃燒,因此這兩種物質(zhì)可以作為火箭發(fā)動機的自燃推進劑。
這還沒完。更加驚人的是,化學(xué)反應(yīng)之外的過程,也可以產(chǎn)生火焰。對于太陽(以及所有的恒星),這個過程就是核聚變。
在科學(xué)史上,太陽的能量來自哪里,長期是一個巨大的謎團。尤其是當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)太陽與地球的距離遠達1.5億公里,而地球的半徑只有6400公里之后,這意味著從太陽發(fā)出的光,只有大約百億分之4照到了地球上。這么少的比例,就養(yǎng)活了整個地球生態(tài)圈,真是太不可思議了!這說明太陽的能源驚人的強大,任何傳統(tǒng)的方法都無法產(chǎn)生這么多的能量。
在19世紀(jì),開爾文勛爵曾經(jīng)設(shè)想過,太陽是一個逐漸冷卻的液體球,發(fā)出內(nèi)部儲存的熱。他還和亥姆霍茲提議過,太陽的能量來自引力收縮。但是根據(jù)他們的計算,這樣的太陽壽命只有2千萬年,而當(dāng)時已經(jīng)知道地球的年齡至少超過3億年(現(xiàn)在知道是46億年)。更搞笑的是,還有科學(xué)家提議太陽的能量來自不斷的隕石墜落。這個腦洞,足以反映當(dāng)時尋求解釋的絕望程度!
直到20世紀(jì),發(fā)現(xiàn)核反應(yīng)和量子力學(xué)之后,人們才逐漸想到,太陽的能量來自核聚變。更具體地說,太陽中主要的核反應(yīng)是兩個氫聚合成一個氦。1920年,第一個提出這個構(gòu)想的是愛丁頓,就是做實驗驗證廣義相對論的那位。1938年,最后把計算完善的是漢斯·貝特。
愛丁頓
《費曼物理學(xué)講義》中講到了漢斯·貝特的故事。那天晚上他和女朋友出去散步,女生說:“天上的星星好美呀!”貝特說:“是的,然而現(xiàn)在我是世上唯一知道它們?yōu)槭裁撮W爍的人?!迸π?,沒說話??茖W(xué)家的浪漫,真是令人憂傷的故事……
首先,宇宙中有氧,實際上,我們地球的元素在宇宙中都有。
當(dāng)然,太陽“燃燒”并不是因為氧。在研究科學(xué)的時候,我們發(fā)現(xiàn)的日常詞匯已經(jīng)不足以準(zhǔn)確地形容新發(fā)現(xiàn)了,或者說,我們已經(jīng)對熟悉的詞語賦予了全新的涵義。
有氧氣才能“燃燒”,產(chǎn)生“火焰”,這是我們的日常經(jīng)驗,是我們熟悉的一種化學(xué)反應(yīng)。就其本質(zhì)來說,燃燒取暖是我們獲得能量的方式。在自然界中,特別是宇宙中,實際上還有其他可以產(chǎn)生能量的方式,比如引力收縮(這是太陽最初形成時“點火”的方式),重原子核衰變(目前的核電站就是用這種方式產(chǎn)生能量,),輕原子核聚變(這是恒星產(chǎn)生能量的方式)。
熾熱的太陽同樣讓我們感覺如同被火烤,所以也形容為“火焰”。這是我們所看到的太陽,跟我們?nèi)粘L岬降幕馉t,看起來的相似性。但是它們的本質(zhì)過程是有很大區(qū)別的。
火爐的燃燒(不管是燒火柴還是燒煤炭還是酒精)是利用分子化學(xué)鍵的斷裂和重組產(chǎn)生的化學(xué)能,這個能量效率是相當(dāng)?shù)偷?,可這也是我們?nèi)祟愔苯荧@得的主要能源方式,所以石油煤炭的燃燒在造成大量的污染,而且儲量減少也產(chǎn)生了能源危機。
太陽燃燒就是在太陽中心進行核聚變反應(yīng),使4個氫原子核(也就是質(zhì)子)在極端地高溫高壓之下,轉(zhuǎn)變成1個氦原子核(包括兩個質(zhì)子和兩個中子),同時損失一部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。在這個過程符合愛因斯坦相對論提出來的“質(zhì)能方程”E=mc2(c的平方),所以這個公式才會如此有名。相比于我們的化學(xué)能源來說,這個能量要高得多得多,所以現(xiàn)在的科學(xué)家正在積極的研究如何在地球上實現(xiàn)可控核聚變,比如中國參與的在法國建正在建設(shè)的ITer項目,一旦試驗成功,就可以或為人類提供源源不斷的、幾乎可以稱之為取之不盡的能源。同樣,這也是為什么我們現(xiàn)在的主要大國都在積極地重返月球,因為月球上有進行核聚變的重要燃料氦3(包括兩個質(zhì)子和一個中子)。
太陽看起來非常熾熱,夜晚閃爍恒星看起來非常冷,其實這只是因為離我們的距離不一樣,他們都是由核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的大火爐。宇宙是非常高能的!
首先,我們要知道火焰的本質(zhì)是什么,火焰主要是一些高溫中性氣體分子為主要載體,再加上電離度遠小于0.01的弱電離非平衡等離子體。而等離子體則是又叫做電漿,是由部分電子被剝奪后的原子及原子團被電離后產(chǎn)生的正負離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)。既不是氣態(tài)也不是液態(tài),而是完全不同于固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的第四種物質(zhì)存在狀態(tài)簡單來說,就是一群帶電的電子群,其均勻分布,類似于一團例子漿糊。
而包括地球的火焰,太陽表面的火焰也是一種等離子氣體,而在這個過程中,太陽的氫核聚變產(chǎn)生高溫、高壓、其密度也很高的情況下,等離子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時放出能量,就形成了火焰。但在地球上,由于大氣層的作用,地球表面氣體不是電電離狀態(tài),需要一定的氫氣燃燒,即將氣體利用氫原子的反應(yīng)產(chǎn)生電離化狀態(tài)。而太陽表面——日冕上面的的氣體本來就是完全電離的。
而太陽本身是分為太陽活動區(qū)和靜態(tài)區(qū)的兩種,太陽活動區(qū)產(chǎn)生的火焰更高,更像是在太空中燃燒,而不是依舊在太陽內(nèi)部的燃燒,而太陽活動區(qū)的燃燒產(chǎn)生的機制在知乎上已有人給出了十分專業(yè)的回答。他認為,在太陽活動區(qū)的燃燒,即太陽內(nèi)部的聚合反應(yīng)如何產(chǎn)生太陽之外的火焰,其實跟太陽的磁重聯(lián)相關(guān),簡單地說就是磁場的聯(lián)結(jié)變化產(chǎn)生的劇烈的太陽活動。
誰說,只有氧氣參與,才能有燃燒?其實啊,燃燒這個說法就是熱量到了一定程度后就會出現(xiàn)的形式。重原子核衰變,也就是我們大多數(shù)核電站產(chǎn)生能量的方式;輕原子核聚變,是大部分的高溫星體,尤其是恒星產(chǎn)生能量的方式。
從現(xiàn)在主流的說法看:太陽核心處溫度高達1500萬度,壓力呢,相當(dāng)于3000億個大氣壓,太陽隨時都在進行著四個氫核聚變成一個氦核的熱核反應(yīng)。
所以,太陽那么大的質(zhì)量,可以不斷的進行大規(guī)模的聚變,然后體積變大,變大了之后壓力不夠、熱量不夠,就會再度收縮。當(dāng)壓力夠了又會再次出現(xiàn)大范圍的聚變。所以太陽其實是在時而大、時而小的。當(dāng)然這也的變化,我們是肉眼看不出來的。
也是這樣的機制,讓太陽本身不會是一下子爆炸了,而是長期且很穩(wěn)定在照耀我們。有科學(xué)家預(yù)測,這樣的太陽可以再持續(xù)50億年以上。所以,擔(dān)心太陽爆炸炸著炸著就沒了的,你真的是心里戲太多了。在人類滅絕之前。。。太陽都堅挺著,哈哈哈。
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太陽的燃燒并不依靠氧氣,它時時刻刻在發(fā)生一種名叫核聚變的反應(yīng)。
我們知道物質(zhì)是由分子構(gòu)成的,而分子是由原子構(gòu)成的,每個原子中都有質(zhì)子、中子和電子,質(zhì)子所帶的是正電荷,電子所帶的是負電荷,電子會環(huán)繞原子核做高速運動。每種元素的電子和質(zhì)子數(shù)量都不是不同的,比如我們造核反應(yīng)堆經(jīng)常使用的鈾,它是天然元素中最重的原子,有92個質(zhì)子和92個電子。
核聚變是指由質(zhì)量輕的原子(主要是指氫的同位素氘和氚)在超高溫條件下,發(fā)生原子核互相聚合作用,生成較重的原子核(氦),釋放出巨大的能量。
太陽內(nèi)部蘊含著大量的氫氣,進行著無比劇烈的熱核反應(yīng),每秒鐘大約消耗掉6.2億噸的氫,質(zhì)量減少大約430萬噸,轉(zhuǎn)變?yōu)楹?,來釋放源源不斷的熱量?/p>
與核聚變對應(yīng)的還有一種叫做核裂變,它的主角是鈾等放射性物質(zhì),是一個原子核分裂成幾個原子核的變化,核電站一般使用的都是核裂變。 利用核聚變來獲取能源是人類的一個夢想,因為不會產(chǎn)生放射性的物質(zhì),不會對人類造成危害,據(jù)測算,每升海水中含有0.03克氘,所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘,經(jīng)過核聚變可提供相當(dāng)于300升汽油燃燒后釋放出的能量。
根據(jù)有關(guān)報道,中國的超導(dǎo)托卡馬克裝置已經(jīng)取得多次放電實驗成功。該裝置使得中國在可控核聚變研究中領(lǐng)先世界水平,
有答主提到,太陽不是燃燒,因此這個問題根本就沒有意義,也沒有討論的必要。
但事實上,將太陽類比成燃燒的火焰是有根據(jù)的。
原因至少有兩個:
1.從物質(zhì)構(gòu)成上來說,火焰、核聚變和太陽大氣有深刻的相似之處。
火焰本質(zhì)上是一團電離氣體。在適當(dāng)?shù)臈l件下,可燃物發(fā)生氧化反應(yīng),氧化反應(yīng)提供的能量使氣體電離。電離氣體中激發(fā)態(tài)電子向低能級躍遷,躍遷過程發(fā)出可見光,形成我們所看到的火焰。
太陽大氣,也同樣是一團電離氣體。
太陽既不是燃燒的煤,也不是燃燒的天然氣,而是燃燒的氫。不是和氧氣的化學(xué)燃燒,而是自己和自己發(fā)生的“核燃燒”,在原理層面和氫彈爆炸是一樣的。每秒產(chǎn)生的能量相當(dāng)于地球上所有煤炭資源產(chǎn)生能量的1000倍。
太陽是太陽系的中心天體, 現(xiàn)在太陽質(zhì)量的大約四分之三是氫,剩下的幾乎都是氦,包括氧、碳、氖、鐵和其他的重元素質(zhì)量少于2%,采用核聚變的方式向太空釋放光和熱。
太陽不斷地釋放出巨大的能量。巨大能量來源于太陽內(nèi)部的熱核聚變。對太陽光譜的分析得知,太陽含有極其豐富的氫元素,按質(zhì)量計約占71%。氫核在幾百萬度(K)高溫下即可聚變成氦核,而太陽中心處于極高溫(即1500萬K)和極高壓(2000億個大氣壓)狀態(tài)下,四個氫核聚變成一個氦核,從而釋放出巨大能量。
愛因斯坦在狹義相對論中指出,質(zhì)量和能量可以互相轉(zhuǎn)化,其轉(zhuǎn)化公式為:E =mV2。式中E為能量,m為質(zhì)量,V為光速?,F(xiàn)將0.007代入上式得:E=0.007×(3×1010)2≈6.21×1011J,即是說1g氫核聚變?yōu)楹ず藭r,能產(chǎn)生6.21×1011J的熱能,相當(dāng)于燃燒2700t標(biāo)準(zhǔn)煤所發(fā)出的熱量。按照上述計算,太陽從誕生到現(xiàn)在僅損耗了其總質(zhì)量的0.03%,維持了50億年的光能輻射。估計太陽壽命約100億年,其質(zhì)量的損耗也不過是總質(zhì)量的0.06%。
燃燒反應(yīng)和太陽核聚變,都不可避免的激發(fā)原子的電子到激發(fā)態(tài)。電子在躍遷過程中發(fā)出可見光,這是火焰的最本質(zhì)來源。
氫氣能在氯氣中燃燒,鎂能在氮氣中燃燒,說明燃燒本質(zhì)上和氧氣就沒關(guān)系。
等離子體(火焰)產(chǎn)生 燃燒 劇烈的氧化反應(yīng) 氧氣參與的劇烈氧化反應(yīng)
太陽的成分71%是氫,27%是氦剩下的2%是其他的元素.太空中最多的元素是氫,當(dāng)太陽在50億年前形成的時候,許多氫被吸收聚集在一起,由外往內(nèi)產(chǎn)生了巨大的壓力及溫度,產(chǎn)生了核融合反應(yīng),點燃了恒星之火,從此源源不絕地發(fā)光發(fā)熱.
太陽如何燃燒:
太陽是自己發(fā)光發(fā)熱的熾熱的氣體星球.它表面的溫度約6000攝氏度,中心溫度高達1500萬攝氏度.太陽的半徑約為696000公里,約是地球半徑的109倍.它的質(zhì)量為1.989×1027噸,約是地球的332000倍.太陽的平均密度為1.4克每立方厘米,約為地球密度的1/4.太陽與我們地球的平均距離約1.5億公里.
太陽的結(jié)構(gòu)從里向外主要分為:中心為熱核反應(yīng)區(qū),核心之外是輻射層,輻射層外為對流層,對流層之外是太陽大氣層.
從核物理學(xué)理論推知,太陽中心是熱核反應(yīng)區(qū).太陽中心區(qū)占整個太陽半徑的1/4,約為整個太陽質(zhì)量的一半以上.這表明太陽中心區(qū)的物質(zhì)密度非常高.每立方厘米可達160克.太陽在自身強大重力吸引下,太陽中心區(qū)處于高密度、高溫和高壓狀態(tài).是太陽巨大能量的發(fā)祥地.
太陽中心區(qū)產(chǎn)生的能量的傳遞主要靠輻射形式.太陽中心區(qū)之外就是輻射層,輻射層的范圍是從熱核中心區(qū)頂部的0.25個太陽半徑向外到0.86個太陽半徑,這里的溫度、密度和壓力都是從內(nèi)向外遞減.從體積來說,輻射層占整個太陽體積的絕大部分.
太陽通過熱核聚變,靠燃燒集中于它核心處的大量氫氣而發(fā)光,平均每秒鐘要消耗掉600 萬噸氫氣.就這樣再燃燒50億年以后,太陽將耗盡它的氫氣儲備,然后核區(qū)收縮,核反應(yīng)將擴展發(fā)生到外部,那時它的溫度可高達1 億多度,導(dǎo)致氦聚變的發(fā)生.
根據(jù)恒星演化學(xué)說,恒星內(nèi)部一旦進行熱核反應(yīng),就進入了相對穩(wěn)定時期.而且質(zhì)量大的演化快,穩(wěn)定期短;質(zhì)量小的演化慢,穩(wěn)定期長.太陽的質(zhì)量大約是2000億億億噸,所以它的穩(wěn)定期為100億年.科學(xué)家們推算,太陽目前正于它的“中年”——50億歲,也就是說太陽還能再活50億歲.
隨著時間的推移太陽的直徑繼續(xù)增大,最后成為一個行星狀星云,并在中心留下一顆超密度白矮星.在這種白矮星里一塊火柴盒大小的物質(zhì)就重達1噸左右.白矮星沒有核反應(yīng),它是恒星核反應(yīng)結(jié)束以后留下的殘骸,依靠收縮自己的體積來繼續(xù)輻射出微弱的能量,最后將變成一顆不發(fā)光的黑矮星.