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隔空點火~蠟燭的燃燒(燭芯與蠟蒸氣)

燭芯的角色是什麼?為什麼要翦燭呢?影響蠟燭燃燒的因素有哪些?點火一定要碰觸到燭芯嗎?不必接觸燭芯就可以點燃蠟燭,你相信嗎?

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2017-06-21 13:34:53 最後編修
2017-06-21 13:30:13 By zfang
 

提到蠟燭,就會想起這幾句詩句:

多情卻似總無情,唯覺樽前笑不成。蠟燭有心還惜別,替人垂淚到天明。(杜牧)
相見時難別亦難,東風無力百花殘;春蠶到死絲方盡,蠟炬成灰淚始乾。(李商隱)
君問歸期未有期,巴山夜雨漲秋池。何當共翦西窗燭,卻話巴山夜雨時。(李商隱)

三首詩都有觀察到蠟由固體受熱熔化成蠟油的過程,滿溢的蠟油沿著蠟燭而下,就像掛著淚或是串串珍珠。記得小時候的美術課,老師還教我們滴蠟油在水面,收集蠟滴,然後利用龍眼或荔枝的小樹枝,做出一樹樹梅花桃花呢!

杜牧在詩裡提到蠟燭有心,李商隱的詩也描述夫妻(或引申為朋友)剪燭閒聊的過程。燭芯的角色是什麼?為什麼要翦燭呢?影響蠟燭燃燒的因素有哪些?點火一定要碰觸到燭芯嗎?不必接觸燭芯就可以點燃蠟燭,你相信嗎?配合2015年二月號科學少年裡頭的實驗遊樂園,重新將這個實驗操作與結果做個整理。

 

 

---第一部分  翦燭---

所謂的翦燭,就是剪去蠟燭燃燒過的燭芯。我們來剪剪看~

實驗之前:通常我們會先利用寶特瓶瓶蓋或其它底面積較大的不易燃回收物製作一個燭台,為了安全~蠟燭也不要太長,用剪刀將蠟燭剪適當長度(約5~7公分)就好。點燃蠟燭後滴蠟油在寶特瓶蓋上,再將蠟燭固定在上面。(若是用瓦楞紙板,就背面刺一根小釘子,再將蠟燭插上去。)

 

注意:實驗使用火源,請注意安全。準備一條濕抹布,萬一燭火傾倒可以立即覆蓋濕抹布滅火。在瓦楞紙板或鋁箔紙上操作,可避免蠟油滴得滿桌都是。 (瓦楞紙板的效果最好~裁大塊一點。相片是在實驗室拍攝。)

 

用剪刀修整蠟燭改變燭蕊長短,觀察燭蕊長短對火焰大小有什麼影響?

  
燭芯長短會影響火焰大小,燭芯越短,火焰越小。一段時間後,燭芯自動調整成合適長度,火焰變得一樣大。

燭芯越長,火焰越大。在早期棉線材質較不均勻的年代,燃燒過後的蠟燭燭心常會碳化變黑,影響蠟燭氣化與燃燒,因此需要剪去殘芯。若是過長的燭芯垂下,熔化了蠟燭造成傾斜,更危險。古時候是用小碟子裝蠟,剪燭芯也順便將並且把浸泡在蠟油的燭芯拉高。現在的蠟燭製作品質比較好,就不需要常常剪燭芯了。

 

 

---第二部份  燭芯的功用(粉筆蠟燭)---

蠟燭如果無心(沒有燭芯),能夠燃燒嗎?可以用其它材料來代替棉線嗎?

  1. 將點燃的蠟燭倒置180度,小心別燒到手。讓蠟油流到燭蕊,燃燒的蠟燭會發生什麼事?
      ( 蠟油能直接被燃燒嗎?為什麼蠟油反而將火焰弄熄?)
  2. 剪一小塊蠟塊,將點燃的蠟燭(或點燃的火柴)輕輕靠近,蠟塊發生什麼變化?能被燃燒嗎?
  3. 切少許蠟塊放在金屬湯匙上加熱,再次觀察蠟塊的變化。
  4. 過程中試著將湯匙向下靠近火焰,是否產生煙?煙是什麼顏色?
  5. 湯匙底端若碰觸到燭芯,火焰又有什麼變化?這個步驟也可以用剪刀前端金屬刀鋒去碰觸燭芯(不是剪燭芯喔),看看結果。
  6. 直到蠟塊完全變成熔化成蠟油,將一小段粉筆放在蠟油中,粉筆是否會吸附蠟油?慢慢等待一下。
    這時用另一根點燃蠟燭火焰靠近,能夠點燃粉筆嗎?試試看其它材料,哪些可以代替燭蕊。

 
蠟塊遇熱熔化變成蠟油,將粉筆浸入蠟油中,可以觀察到蠟油慢慢往上爬。

 
粉筆本身雖不可燃,但多孔的特性可以吸附蠟油幫助產生蠟蒸氣,因此也可以做為燭芯喔。

蠟燭是由燭芯(棉線)和蠟所組成的,蠟燭燃燒時,燭芯四周的固體蠟會受熱熔化成液體蠟油,並藉由『毛細作用』沿著燭芯上升氣化,再與上方氧氣混合燃燒產生 火燄:

  • 物理變化:固態蠟受熱熔化成液態,而後透過燭芯的毛細現象而吸上去,再受熱變成蠟蒸氣(氣態),在吹熄蠟燭時我們看到的白煙(蠟蒸氣與凝固的蠟微粒)以及聞到的味道,就跟蠟蒸氣有關。
  • 化學變化:氣態蠟最後與空氣中的氧起燃燒作用,生成二氧化碳氣體及水蒸氣,散失至空氣中,同時放出大量的光能和熱能。接觸空氣部位不同,因此分層,火焰也分成外焰、內焰與焰心。(詳細化學反應與相關資料請見:火焰五四三~焰色、氧化焰、還原焰)

外焰:燭焰的最外圍,由於空氣充足而完全燃燒,所以溫度最高。(所含的碳粒較少,光度比內焰暗,火焰是淡黃色)
內焰:焰心的外圍,焰心的蠟氣體在這裡燃燒,因為有多量的碳粒在內焰燃燒反射,所以內焰是燭焰最亮的部分,火焰是金黃色。
焰心:靠近燭芯的部分,是燭焰的最內層,淡藍色火焰。由未燃燒的蠟氣體所組成,溫度低,光度暗。(有時候焰心不容易看見,甚至外焰也不容易被肉眼觀察到。)

 

燭芯主要的功能就是幫助蠟燭產生蠟蒸氣,真正的燃燒是蠟蒸氣與氧氣作用。蠟塊蠟油無法直接被燃燒,只有形成蠟蒸氣才會燃燒。用湯匙碰觸到燭芯,火會熄滅,則是因為湯匙將熱量傳導使燭芯溫度降低。

 

 

---第三部份  悶熄蠟燭---

燃燒除了蠟蒸氣,還需要哪些條件?蠟蒸氣看得到嗎?

先思考一個問題:如何讓蠟燭熄滅?可以用吹的,可以噴水,可以用金屬吸收燭芯上的熱,也可以用剪刀剪斷燭芯,還有呢?燃燒需要可燃物、助燃物與合適的溫度 (燃點)。我們吹熄蠟燭的動作,降低了溫度也吹散可燃物(蠟蒸氣),火焰因而熄滅。如果用玻璃罐罩住點燃的蠟燭,會如何?

實驗步驟:

  1. 點燃蠟燭,燃燒約1分鐘後吹熄,觀察熄滅產生煙霧的顏色。
  2. 改用玻璃罐將點燃的蠟燭罩住,觀察罐身與罐內燭火的變化?如果在燭火變小時又將罐子快速拉高,蠟燭能恢復燃燒嗎?
  3. 若是燭火熄滅,再點燃蠟燭多試幾次,熄滅所需的時間與變化與一開始是否相同?

 
剛罩下玻璃瓶時,會發現瓶壁有些許霧氣,這是蠟燭燃燒產生的水氣,然後發現燭火慢慢變小。
缺乏足夠的可燃物補給,又產生不助燃的二氧化碳。

 
最後因為缺乏助燃物(氧氣)使燭光變得微弱而熄滅,還可以觀察到一縷白煙(蠟蒸氣)向上升。
(想想,為什麼向上呢?)

曾經拍過將蠟燭放在真空照中慢慢抽氣的過程,仔細觀察,火焰最後是小小藍色的喔!(火焰五四三~焰色、氧化焰、還原焰)


帶著火焰的蠟燭放在抽氣罐中,再抽去空氣,結果會是什麼樣?

我們看到火焰是由外而內慢慢被抽離,剩下氧氣不足下的藍焰!


『熄滅之前,蠟燭的火焰會由原本的金黃色,慢慢轉成藍色呢!』

 

 

---第四部份  隔空點火---

利用蠟蒸氣的可燃性,蠟燭不只是浪漫也能很科學,還能玩隔空點火的魔術喔!

實驗步驟:

  1. 點燃蠟燭,讓它穩定地燃燒一分鐘以上然後吹熄使燭芯冒出白煙。這時候將另一根蠟燭(或火柴)迅速靠近白煙,發生什麼變化?
  2. 多試幾次,能否不碰觸燭芯就能隔空把蠟燭點燃呢?隔空點火的距離你能拉到多遠?
  3. 思考並操作:如何增加白煙的量與隔空點火的距離呢?


將火焰靠近白煙(蠟蒸氣),不需碰到另一根蠟燭的燭芯。


可以發現,蠟蒸氣在遠端被點燃,火焰順著白煙方向燒到燭芯。


雖說是隔空點火,其實是蠟蒸氣在幫忙!

我的實驗影片比較短:

 

也上網找了相關新聞影片:(注意,新聞影片內的科學解釋需再經過自己知識的判斷喔!)

 

蠟燭在燃燒過程冒出的煙主要有二種:燃燒時產生的黑煙是燃燒不完全的碳微粒,吹熄蠟燭時所看到的白煙是蠟蒸氣。蠟蒸氣接觸到火源就可以燃燒,如果在遠端立 刻燒這些白煙,點燃的小火苗會在極短的時間內沿著蠟蒸氣跳回燭芯,看起來就像是隔空點火。如果動作太慢,白煙消散就無法成功點火。

小撇步:

  1. 不要一點燃就馬上吹熄,讓燭火燃燒一陣子產生足夠的白煙再實驗。
  2. 用吹的容易將蠟蒸氣吹散,也可以用玻璃杯以罩的方式熄滅火焰。
  3. 燭芯較粗的白蠟燭或粉筆芯蠟燭,會產生比較多的蠟蒸氣,用來進行隔空點火,效果佳!
    (蠟燭越粗,蠟蒸氣越多,效果越神奇~ 但也要小心吸入過多蠟蒸氣喔!)

 

延伸閱讀:科技大觀園~從法拉第的演講看蠟燭科學蠟燭燃燒之研究  五夢網

 

最喜歡做蠟燭實驗,每一次吹熄蠟燭前都要許願,呵~ 所以我許了好多願哪!

本文的影片與相片,感謝 axer 協助拍攝。

 

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