燒炭師傅為什麼能從煙的顏色看出窯裡的狀況？
― 白煙是水，黃煙是木頭的成分。變透明時，炭就做好了
燒炭的窯要一直密閉燒上好幾天，裡面完全看不到。即便如此，師傅仍能從煙囪冒出的煙的顏色和氣味，判斷「現在燒到哪個階段」。因為煙的顏色，正是木頭在那個溫度下釋出了什麼東西的直接訊號。
山間的燒炭小屋。土窯的側邊立著一根細細的煙囪。從焚口開始點火後不久，會冒出白茫茫的濃煙。
接著煙會轉為黃色，氣味也變成一種刺鼻的酸味。再過幾天，煙會帶點青色、變得稀薄，最後幾乎看不見。
師傅會把臉靠近煙囪口，確認顏色和氣味，然後把焚口調小，或是把窯封起來。明明一次都沒看過窯裡面，卻能做到這一點。
煙的顏色會改變，原因只有兩個
首先是水分跑掉，接著木頭的成分分解，釋出氣體和黏稠的液體。最後留下的就是炭。釋出的東西改變了，煙自然也會改變。
大顆的水粒子呈白色，非常細小的粒子則偏青色。帶褐色的液體粒子會吸收青色的光，因此看起來是黃色。顏色其實就代表粒子的「身分」。
也就是說，煙就像是從窯裡傳出來的「信件」。師傅是靠顏色讀懂這封信的內容。接下來就依序來看看吧。
窯裡的木頭，依序釋出了什麼？
燒炭時，木頭是在空氣稀少的窯裡被加熱。如果空氣充足，木頭會燃燒成灰。但把空氣縮小後，木頭不會完全燒盡，而是進入「悶燒」狀態，逐漸分解。
最先跑出來的是水分。據說即使是曬乾的木頭，仍殘留重量一成以上的水分。窯溫上升後，這些水分會變成水蒸氣，從煙囪冒出。碰到外面的冷空氣，又凝結成細小的水粒子，所以煙看起來是純白色。
水分排出後，木頭的成分本身開始分解。木頭主要由三種成分組成，依容易分解的順序分別是半纖維素、纖維素、木質素。分解後會產生可燃性氣體、含有醋酸的酸味液體，以及褐色黏稠的「焦油」。這段時期，煙會轉黃並帶有酸味。
請試著移動圖1的滑桿。隨著溫度上升，煙的顏色和窯裡剩餘木頭的重量都會跟著改變。可以看到大約300℃前後，重量會急速下降。
據說超過約300℃時，纖維素的分解會轉變成一種會放熱的反應。木頭開始靠自己釋放熱量，於是即使不再從外部持續加熱，碳化也會自行進行下去。師傅會從煙裡讀出這個訊號，把焚口調小，停止添加柴火。因為燒過頭的話，連本該變成炭的木頭都會被燒掉。
溫度再往上升，能釋出的東西幾乎都釋出完了。煙會變得稀薄並帶點青色，最後接近透明。此時若把窯封閉起來，就成了黑炭；若先通入空氣升到高溫再取出，覆上灰燼使其熄滅，就成了白炭。備長炭就是白炭的代表。
同樣是「煙」，為什麼會有白、黃、青這些不同顏色？
煙是飄浮在空氣中無數的微小粒子。光打到粒子上時，會朝四面八方反彈，這稱為「散射」。煙的顏色，取決於哪種顏色的光被散射得多、又被吸收了多少。請看圖2。
最初的白煙，是水蒸氣冷卻後形成的水粒子。水粒子比光的波長還大，所以紅、綠、藍光都會被同樣程度地散射。所有顏色混在一起，看起來就是白色。這跟雲是白色的原理相同。
轉黃的煙裡，混入了褐色的焦油粒子。焦油是容易吸收青、紫光的物質。白光中的青光被吸走後，剩下的光看起來就是黃色到褐色。
到了末期的青煙，表示能釋出的物質已經變少，粒子變得非常細小。比光的波長小得多的粒子，會把青光強烈地往側向散射。從側面看煙呈青色，原理就跟天空是青色的一樣。
師傅觀察的不只是顏色。據說黃色時期的煙，氣味是刺眼的酸味，到了末期則會轉為刺激性的辛辣氣味。也有人會用手或溫度計確認煙囪口的溫度。顏色、氣味、溫度這三者結合起來，就是師傅讀懂窯內狀況的方法。
把黃色時期的煙，在煙囪中途冷卻並收集起來的液體，就是木醋液。主要成分是水和醋酸，自古以來就被用於園藝等用途。據說在煙囪口溫度約80～150℃之間收集最好，師傅的經驗正好就是製作方法的參考標準。
做好的炭，是木頭在窯裡把能變成氣體的成分都釋出之後留下的「剩餘物」。所以炭燃燒時，是表面的碳直接和空氣反應，安靜地發出紅光燃燒。不過炭火會釋出看不見的一氧化碳，絕對不能在密閉的房間裡使用（一氧化碳的文章）。
總結
窯裡的木頭，隨著溫度上升，會依序釋出水分、分解產生的氣體與焦油。釋出的東西改變後，煙粒子的大小和種類也會改變，顏色因此從白色轉為黃色、青色，最後變透明。師傅就是把這個顏色的變化，當成「窯內進度」來解讀。
煙的顏色，是木頭正在釋出之物的名牌。
變透明時，留下來的就是炭。
靠熾熱鐵的顏色判斷溫度的師傅故事，請看鐵匠的文章；細小粒子散射青光的原理，則介紹於天空為什麼是青色的文章。蠟燭火焰燃燒的其實也不是固體，而是氣體（蠟燭燭芯的文章）。
- 觀察剛點燃的柴火，或是加入略濕木頭後立刻冒出的煙。如果是白茫茫的濃煙，表示主要是水分排出。
- 燒了一段時間、柴火變黑之後，分別以明亮的天空和陰暗的樹影為背景，比較煙的顏色。在暗背景下看起來偏青，在明亮天空背景下則可能看起來偏黃。
- 只剩下紅紅的炭火時，確認煙已幾乎看不見。這代表木頭能釋出的東西都已經釋出完了。
用火時請和大人一起，在規定的場所進行，並事先準備好水。觀察時請站在上風處，避免直接吸入煙霧。
想了解更多 ― 用語、公式與教科書的連結從國中理科到大學專業科目，都會明確標示屬於哪個等級
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「化學」「物理」課程範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄程度的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（木質科學、燃燒工程、光散射）的內容
- 研究中連大學也不會當作「定論」來教，而是研究者正在調查中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 熱分解（乾餾）：在隔絕空氣的狀態下加熱物質使其分解。就跟國中理科「用試管加熱木頭」的實驗一樣。
- 碳化：熱分解持續進行，留下含碳量高的固體。留下來的就是木炭。
- 散射：光打到微小粒子上，朝各種方向反彈開來。
國中高中用公式驗證：木頭的能量，有多少留在炭裡？
燒炭時，木頭的重量只有大約兩成會變成炭。那麼，木頭原本擁有的能量，又有多少留在炭裡呢？我們用燃燒時釋放的熱量（發熱量）來比較。
| 以符號表示 | η ＝ ( Y × H炭 ) ÷ H木 |
| 以文字表示 | 留在炭裡的能量比例 ＝ 炭的收率 × 炭的發熱量 ÷ 木頭的發熱量 |
| 公式的來源 | 能量守恆。木頭的能量會分成「留在炭裡的部分」和「以煙或氣體釋出、用來加溫窯體的部分」。 |
| η | 留在炭裡的能量比例（無單位） |
| Y | 炭的收率：相對於乾木頭重量，做出來的炭的重量比例（無單位） |
| H炭 | 燃燒1 kg木炭所釋放的熱量（單位為MJ/kg） |
| H木 | 燃燒1 kg乾木頭所釋放的熱量（單位為MJ/kg） |
| 放入窯裡的乾木頭 | 10 kg |
| 炭的收率（土窯黑炭的估算值） | 約0.2（兩成） |
| 乾木頭的發熱量 | 約18 MJ/kg |
| 木炭的發熱量 | 約30 MJ/kg |
| 做出的炭重量 | 10 × 0.2 ＝ 2 kg |
| 木頭原有的能量 | 10 × 18 ＝ 180 MJ |
| 留在炭裡的能量 | 2 × 30 ＝ 60 MJ |
| 留在炭裡的比例 η | 60 ÷ 180 ≒ 0.33 |
| 以煙、氣體釋出的能量 | 180 − 60 ＝ 120 MJ |
| 每1 kg的熱量濃度（炭是木頭的幾倍） | 30 ÷ 18 ≒ 1.67 |
| 把1 L水從20℃加熱到100℃所需的熱量 | 4.19 × 80 ≒ 335 kJ |
| 120 MJ（＝120000 kJ）可以煮沸的水量 | 120000 ÷ 335 ≒ 358 L |
重量減少了八成，但能量卻留下了三分之一。炭是「輕巧又熱量濃縮的燃料」。剩下的三分之二以煙或氣體形式散失，其中一部分會在窯內燃燒，用來加溫窯體本身。散失的量，大約能煮沸將近兩缸浴缸（約200 L）的水。正因如此，白白浪費掉的煙才顯得濃密得讓人心疼。
高中高中＋分解是吸熱，還是放熱？
高中木頭主要成分纖維素，是由許多葡萄糖連接而成的高分子。熱分解時，這條鏈會斷裂，產生水、二氧化碳、一氧化碳、甲醇、醋酸等小分子，以及會變成焦油的較大分子。這和高中化學「反應熱」「高分子化合物」單元有關。
高中＋排出水分的階段屬於吸熱。另一方面，纖維素在約280～400℃劇烈分解的階段，整體上被認為是放熱反應。木頭靠自身的熱量推進碳化，所以師傅會抓準這個時機把焚口調小。在哪個溫度轉為放熱，會因木頭種類與加熱速度而有所不同。
大學測量重量變化的「熱重量分析」，與粒子大小決定的「散射」
像圖1那樣的重量變化，是用「熱重量分析」測量的——邊逐步加熱樣本，邊持續測量重量。半纖維素、纖維素、木質素各自有不同的分解溫度範圍，會在重量下降曲線上形成階梯狀的變化。至於煙的顏色，則用光散射理論來解釋。粒子遠比光波長小時，會發生「雷利散射」，散射強度與波長的四次方成反比。粒子與波長相近或更大時，則會發生「米氏散射」，顏色差異變小，看起來就是白色。有關燒炭的工程學整體概況，安塔爾與格倫利的綜述整理得相當完整。
📖 公式推導與更深入的內容：雷利散射（維基百科，日文） ／ 米氏散射（維基百科，日文）
研究中目前還不清楚的事
- 熱分解的反應路徑 光是纖維素一項，哪個鍵結以什麼順序斷裂就存在多種說法，據說並非所有中間產物都已確定。
- 提高收率的條件 已知提高壓力可以提升炭的收率，但其詳細機制，以及針對不同木材種類的最佳條件，仍在持續研究中。
- 煙粒子的成長方式 焦油粒子在冷卻過程中如何聚集變大、顏色如何改變，各種條件下的測量資料還不夠充分。
也就是說，這篇文章的內容，也只是「目前已知範圍內的解釋」。這也是一個科學正在追趕師傅憑經驗掌握的訣竅的領域。
與教科書的連結（依等級）
| 等級 | 科目・單元 | 對應本文何處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科「物質的樣態」（加熱木頭的實驗、狀態變化） | 水變成水蒸氣排出、木頭生成木炭與氣體 |
| 高中 | 化學「反應熱」「高分子化合物」 | 發熱量的比較、纖維素的分解 |
| 高中＋ | 化學（進階） | 分解轉為放熱反應的過程 |
| 大學 | 木質科學、燃燒工程、光散射理論 | 熱重量分析、雷利散射與米氏散射 |
| 研究中 | 熱分解化學、氣懸膠體科學 | 反應路徑、煙粒子的成長方式 |
| ― | 與生活的連結 | 營火、炭火的處理方式，對一氧化碳的注意 |
- Antal, M. J. & Grønli, M. (2003) The Art, Science, and Technology of Charcoal Production. Industrial & Engineering Chemistry Research 42
- 木炭（維基百科，日文，森林総合研究所等機構監修條目）
- Bohren, C. F. & Huffman, D. R. (1983) Absorption and Scattering of Light by Small Particles. Wiley
- 雷利散射（維基百科，日文）
※本文為大眾科學解說。文中數值僅為理解原理所用的參考估算值。煙的顏色與溫度的對應關係，會因窯的形狀、木材種類、乾燥程度而有所不同。使用火源時，請遵守當地消防、政府機關等相關規定。