蠟燭的火焰，為什麼總是往上伸？
― 沒有朝下燃燒的火焰，是因為火焰是「輕氣體」
就算把蠟燭稍微傾斜，或是把火柴朝下，火焰的頂端永遠朝著天空。火焰並不是在「燃燒的物體」，而是發光發熱的氣體，在空氣中往上浮的那條通道。所以在沒有重量的太空中，火焰會變成沒有上下之分的圓形。
生日蛋糕上插著好幾支蠟燭。其中一支插得歪歪的,但火焰仍然直直地朝上。
孩子問：「為什麼火總是往上跑？往下燒也可以吧？」
大人常常只會回答「火本來就是往上跑的東西」。但其實這是有確切理由的。而且只要知道這個理由,甚至能推測出在太空中會發生什麼事。
火焰朝上的理由，只有兩個
火焰的真面目,是燃燒後發光的熱氣體。氣體越熱就越膨脹,同樣大小下就越輕。蠟燭火焰裡的氣體,重量大約只有周圍空氣的五分之一。
較輕的氣體,會被周圍較重的空氣從下方往上推。氣體上升之後,新的空氣又從兩側和下方流進來補位。這股流動,把火焰往上拉成細長的形狀。
也就是說,火焰並不是靠自己的力量往上跑的。而是因為周圍的空氣比較重,鑽到下方把火焰往上頂。接下來依序說明。
熱氣體為什麼比較輕？
在蠟燭燭芯附近,融化的蠟變成氣體,和空氣中的氧氣結合燃燒。這時釋放出的熱,會讓周圍的氣體超過1000℃。最熱的地方,據說約可達1400℃。
氣體的粒子越熱,飛舞得越劇烈,彼此之間的距離也被撐得越開。同樣數量的氣體膨脹後,就會占據更大的空間。因此,如果用同樣1公升的容器來比較,熱氣體會輕得多。
請看圖1。左邊的箱子是普通房間裡的空氣。中間的箱子是同樣大小的熱氣體。轉動旋鈕提高溫度,中間箱子裡的內容物會越來越輕,右側向上的箭頭也會變長。
在1400℃時,熱氣體的重量只有空氣的0.18倍。就像浮在水中的軟木塞一樣。軟木塞被水往上推,輕的氣體也同樣被周圍較重的空氣往上推。
這股推力的強度,大約是重力的八成。甚至可以說,火焰的氣體是以接近物體下墜的速度,往上「墜落」。
周圍的空氣，塑造了火焰的形狀
熱氣體往上溢出後,留下的並不是空無一物的空間。周圍和下方的空氣,會馬上流進來補位。流進來的空氣裡,含有新的氧氣。
這些新空氣,與蠟的氣體混合後燃燒。燃燒後變熱的氣體,再次往上溢出。從下方進入、從上方流出的這股循環,不間斷地持續著。發光的氣體順著這股流動被拉長,所以火焰下方膨起、上方尖細,形成「水滴形」。
請看圖2左側。如箭頭所示,空氣從兩側流入火焰根部,再從頂端往上流出。火焰的形狀,正是這條空氣通道的樣子。
那麼,在沒有重量的地方會變成怎樣呢?在太空站裡,熱氣體和冷空氣都同樣處於漂浮狀態。沒有「較重的東西」在下方把輕氣體往上推。
於是,向上溢出的流動就不會產生。火焰會停留在燭芯周圍,變成圓形。新的氧氣只能從周圍緩慢滲入。由於燃燒變得平穩,據報告指出火焰會變小、變藍、變暗。火焰「朝上」這件事,正是因為地球有重量才有的樣貌。
把火柴朝下,火焰會朝上,因而從下方包住還沒燒到的木軸。木軸先被加熱,火就會較快燒到手邊。相反地,如果直直朝上拿,火焰會離木軸而去,容易熄滅。拿火柴時稍微朝下傾斜,就是瞄準這兩者之間剛好平衡的角度。
往上溢出的熱氣體,會和周圍的空氣摩擦,產生小小的渦旋。這些渦旋接連脫落,所以火焰頂端會細細地晃動。據說小火焰的閃爍節奏大約是每秒10次左右。即使在沒有風的房間裡,火焰也無法完全靜止不動,原因就在於此。
總結
火焰,是燃燒後發光的熱氣體。熱氣體會膨脹,變得比周圍空氣輕得多。較重的空氣鑽到下方,把較輕的氣體往上推,所以火焰才會往上伸長。從下方進入、從上方溢出的空氣流動,讓火焰變成水滴形。在沒有重量的太空中,這股流動無法產生,火焰就會變成圓形。
火焰朝上,並不是因為火想往上跑。
而是因為周圍的空氣比較重,鑽到下方的緣故。
蠟燭火焰到底燒的是哪個部分,在「蠟燭燒的是燭芯嗎？」中有說明;在火焰旁邊也會感到熱的「光的熱」,在「靠近營火時,為什麼只有臉會熱？」中有解說。沒有重量的太空站原理,也請參考「在太空站裡身體會飄浮,是因為沒有重力嗎？」。
- 點燃一支線香,在沒有風的房間裡直立放置。觀察煙霧直直往上升,過一陣子後開始搖晃擺動。熱氣體向上溢出的通道,透過煙霧就能看見。
- 點燃蠟燭,把手掌分別靠近火焰側邊20公分處,以及火焰正上方40公分處比較看看。正上方雖然距離更遠,卻應該感覺更溫暖。這是因為熱氣體被往上帶走了。請不要把臉或頭髮靠近火焰。
- 把插著蠟燭的盤子慢慢傾斜。確認即使蠟燭變斜,火焰頂端仍然保持朝上。
使用火的時候,附近不要放易燃物品,並事先準備好裝水的杯子再開始。結束後,務必確認火已經熄滅。
想了解更多的人 ― 用語・公式・與教科書的連結從中學理科到大學專業科目,以下會明確標示內容屬於哪個程度
- 中學中學理科課程範圍
- 高中高中「物理」「化學」課程範圍
- 高中＋高中進階內容,或教科書專欄層級的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（流體力學・燃燒工程）的內容
- 研究即使在大學也不會當作「定論」教授,是研究人員目前正在探究的內容
中學用語：這個現象是有名字的
- 對流：被加熱而變輕的氣體或液體往上移動,換成較冷較重的物質鑽進下方的流動。火焰周圍空氣的運動,就是這種對流。
- 浮力：周圍的氣體或液體對物體施加的向上推力。比周圍輕的物體,會被推得更強。
- 燃燒：物質與氧氣結合,釋放熱和光的變化。蠟燭中燃燒的,是變成氣體的蠟。
中學高中用公式驗證：火焰的氣體,以多快的速度往上升？
求出熱氣體所受的浮力加速度,估算氣體上升一段火焰長度後的速度。使用和圖1旋鈕相同的公式。
| 以符號表示 | a ＝ g × （1 − T0 ÷ T）， v ＝ √( 2 × a × L ) |
| 以文字表示 | 浮力加速度 ＝ 重力加速度 ×（1 − 周圍溫度 ÷ 氣體溫度）。上升速度 ＝ 2 × 浮力加速度 × 火焰長度,再開平方根 |
| 公式的來源 | 氣體的重量（密度）與絕對溫度成反比（查理定律）。周圍空氣對氣體的浮力,與氣體自身重量的差,就成為向上的力。以該力加速時的速度,可用與自由落下相同形式的公式表示 |
| 符號 | 意義與單位 |
|---|---|
| a | 熱氣體所受、向上的加速度（m/s²） |
| g | 重力加速度（9.8 m/s²） |
| T0 | 周圍空氣的絕對溫度（K，℃加上273的值） |
| T | 火焰中氣體的絕對溫度（K） |
| L | 火焰長度（m） |
| v | 火焰頂端氣體的上升速度（m/s） |
| 周圍空氣（20℃）的絕對溫度 | 293 K |
| 蠟燭火焰最熱的地方（約1400℃） | 據說為 1673 K |
| 重力加速度 | 9.8 m/s² |
| 蠟燭火焰的長度 | 約 3 cm（0.03 m） |
| 20℃空氣1公升的重量 | 約 1.2 g |
| 熱氣體是空氣重量的幾倍 | 293 ÷ 1673 ≒ 0.175 |
| 熱氣體1公升的重量 | 1.2 × 0.175 ＝ 0.21 g |
| 浮起的比例 | 1 − 0.175 ＝ 0.825 |
| 浮力加速度 | 9.8 × 0.825 ≒ 8.09 m/s² |
| 2 × 加速度 | 2 × 8.09 ＝ 16.18 |
| 再乘上火焰長度 | 16.18 × 0.03 ≒ 0.485 |
| 開平方根（上升速度） | 0.485 的平方根約為 0.70 m/s |
| 換算成時速 | 0.70 × 3.6 ＝ 2.52 km/h |
估算結果顯示,火焰頂端的氣體大約以每秒70公分的速度向上溢出,接近緩步行走的速度。實際上由於和周圍空氣摩擦產生阻力,速度會比這稍慢一些。但相對於火焰的大小而言,這仍是相當可觀的速度。正是這股流動,把火焰往上拉長。
高中高中＋氣體狀態方程式,以及向上「墜落」的氣體
高中若壓力相同,氣體體積與絕對溫度成正比（查理定律）。由理想氣體狀態方程式可以換句話說,密度與絕對溫度成反比。燃燒產生的二氧化碳和水蒸氣,重量和空氣略有不同,但本文的估算中忽略此差異。
高中＋浮力的大小等於「排開的空氣重量」（阿基米德原理）。熱氣體重量與此的差,成為向上的力,除以氣體重量就能求出加速度。上述公式中,是以周圍空氣密度差再除以空氣密度的形式表示。這和差值較小時常用的「布辛涅斯克近似」是同樣的想法。
大學自然對流與擴散火焰
像蠟燭這樣,燃料和氧氣只在燃燒處才混合的火焰,稱為「擴散火焰」。擴散火焰的形狀,取決於燃料和氧氣被輸送的速度。在地面上,浮力造成的自然對流會輸送氧氣,因此火焰向上伸長。浮力相對於黏性的強弱,以「格拉斯霍夫數」這個無量綱數表示,用來整理火焰長度和擺動方式。在沒有重量的環境中,對流消失,氧氣只靠分子擴散輸送。結果火焰會呈球形,溫度下降而不易產生煤灰,成為藍色且暗淡的火焰。
📖 公式推導與更進一步的內容：格拉斯霍夫數（日文維基百科） ／ 浮力（日文維基百科）
研究目前還不完全清楚的事
- 太空中火焰的熄滅方式。 國際太空站的實驗中,據報告觀察到燃料液滴的火焰,在可見火焰熄滅之後,仍以低溫持續燃燒的「冷焰」現象。其機制目前仍在研究中。
- 火焰閃爍的節奏。 火焰頂端每秒約10次的擺動節奏,會隨火焰大小與重力強度如何變化,目前正在研究。據報告指出,把多個火焰並排時,擺動會出現同步或交替的現象。
- 沒有重量的地方,火如何蔓延。 太空船中物體如何燃燒蔓延,僅靠地面實驗無法完全驗證。目前也在無人補給船中進行燃燒大塊布料的實驗。
也就是說,本文的內容也是「目前所知範圍內的說明」。火焰朝上的理由是確定的,但火焰的細微行為,仍留有尚未解開的問題。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應段落 |
|---|---|---|
| 中學 | 理科：燃燒、空氣的加熱方式（對流） | 火焰的真面目、熱氣體上升 |
| 高中 | 物理：氣體定律、浮力 | 圖1、用公式驗證 |
| 高中＋ | 物理：阿基米德原理、布辛涅斯克近似 | 由密度差求加速度的想法 |
| 大學 | 流體力學・燃燒工程：自然對流、擴散火焰、格拉斯霍夫數 | 圖2、火焰形狀與重力的關係 |
| 研究 | 微重力燃燒 | 太空站中的火焰實驗 |
| ― | 與生活的連結 | 拿火柴的方式、不要把手或物品放在蠟燭正上方 |
- 法拉第《蠟燭的科學》（竹內敬人譯，岩波文庫／日文版）
- Law, C. K. "Combustion Physics", Cambridge University Press, 2006.
- Ross, H. D. (ed.) "Microgravity Combustion: Fire in Free Fall", Academic Press, 2001.
- 查理定律（日文維基百科）
- 格拉斯霍夫數（日文維基百科）
※本文為大眾科普解說。文中數值僅為幫助理解原理的概略估算。火焰的溫度與長度,會因蠟燭種類與放置地點而有所不同。進行用火觀察時,請務必在大人陪同下進行。