烛焰温度问题

这一篇是将原写在银穹的一系列网志合并而成,以方便查阅。

小学时被告知:蜡烛外焰温度高,内焰温度低,当时感觉靠近炷芯的蓝色火光确实不如顶部的黄色火焰明亮耀眼,这是最直接的感性经验,很容易接受。

中学化学老师也说给试管加热时要用酒精灯外焰——因为温度高些。

高中物理课学到,光辐射波长与辐射体温度成反比,310K的人体就只能辐射红外线。也就是说,在可见光范围内,温度越高,光线越蓝!(而同时化学课上所看到的颜色反应则是特征谱,不在此列)

这时问题就来了,蜡烛火焰中到底哪部分温度最高?蓝光还是黄光?总有一个错了!

烛焰烛焰

甚至某些科普性的网站对这个问题的解释也是不正确的。比如:

Color tells us about the temperature of a candle flame. The outer core of the candle flame is light blue — 1670 K (1400 °C). That is the hottest part of the flame. The color inside the flame becomes yellow, orange and finally red. The further you reach to the center of the flame, the lower the temperature will be. The red portion is around 1070 K (800 °C). The reason there is this variation in a candle’s flame color is because air convection pulls the warmer gasses upwards.

floating其中称最外侧的蓝光温度高达1400度,内部的红光为800度。这里显然将外焰认为是蓝光,但是从图中可以明显看出外焰应是黄白色区域,内焰为红色区域,蓝色并不明显、通常只存在于底部及下边缘,亮度也很暗,无法形成实际意义的外焰。
CNKI上相关的论文资料很少,只在1994年第四期的《光谱学与光谱分析》中看到“蜡烛火焰的光谱分析”一文。火苗中部与空气接触部分的温度最高,有1400度,而烛芯处仅有600度,与常识一致,可解释为外缘有充足的氧气供应,燃烧充分。底部的蓝光则是CH分子基团的特征颜色,而对燃烧过程则语焉不详,参考文献中有一本地质出版社80年代出版的《分析火焰光谱学原理》,不过我没有找到。

几个月后又在1979年第6期《科学》(科学美国人中译本)的业余科学家专栏看到了专门介绍,底部的蓝色火焰由光谱分析证实是CH和H2的特征谱,同焰色反映一样,为特定能级跃迁,不表征温度。此处的蜡烛蒸汽由于对流作用可获得充足的氧气供应,充分燃烧(直接生成二氧化碳和水)。再往上走,大部分有机蒸汽由于氧气不足只能进行不完全燃烧,发热量低,便为红光,若将此处气体用玻璃管导出焰外可直接燃烧。不完全燃烧的分解物(主要是碳粒)在上升过程中不断吸收热量达到白炽状态,一旦与空气接触将剧烈反应,于是边缘白光处温度可达摄氏1400度。

其实不仅是蜡烛,钨丝、钢铁、烟草等物质都有同样的温度颜色分布规律,在2000年10月《金属制品》杂志中《观察物色判定炉温》中就引用了钢丝温度与颜色的经验对应关系。

温度/℃ 550 630 680 770 850 900 1000 1200 1400
颜色 暗褐色 褐红色 暗红色 樱红色 鲜红色 黄红色 黄色 黄白色 黄白色、亮、刺眼

我的问题就此告一段落。

后来在2005年第四期的上海版《科学》杂志上看到一则简讯,中科大齐飞教授参与的一个项目组以同步辐射光电离质谱技术进行火焰研究,这项技术可以准确地测量燃烧过程的所有中间物和自由基。他们首次观察到碳氢化合物氧化过程的中间体-烯醇(Erlenmeyer在1880年曾预言烯醇应该是碳氢化合物氧化的中间物,直到1976年才首次在气相化学反应中观察到最简单的烯醇-乙烯醇),并以“Enols Are Common Intermediates in Hydrocarbon Oxidation”为名刊登在2005年5月12日出版的《Science Express》上。看来,这一领域的工作还远未结束。

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梅西耶天体资料集 V1.0

今年六七月份比较闲,便参与了梅西耶中文资料的翻译工作,梅西耶资料中文站SEDS梅西耶资料站的中文镜像站,由Steed主持。翻译了最后二十个天体的基本页面,并制作了chm版本,方便爱好者离线查阅。也算是完成了我大学的一个夙愿。

不过我在翻译过程中发现,中文这方面的资料非常有限,许多名词甚至至今都没有统一的中文译名,比如“Milky Way Patch”,“Schiefspiegler Telescope”……相比之下,德语,法语,意大利语的分站已经非常完善,日本自己做的梅西耶资料站也很有特色,我们还有很长的一段路要走

现在的版本是1.0 ,日后的更新我都会在这里发布。

下载地址一下载地址二

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雪花照片

雪花

网上一直流传着一组雪花的显微照片,但是由于中文网站大都没有注明转载的出处,我一直无法找到它们的来源。在牧夫论坛里甚至还争论过是否出于《水知道答案》的作者之手。在桑林志那里也有一则提到,但是给出的链接都是些灰白的电镜照片,我无法想象那些松糕一样的东西就是美丽的冰晶。

直到最近在一则美国邮政总局将以此为主题发行邮票的报道中,拍摄者的名字才第一次出现——肯尼斯·里布雷希,加州理工学院的物理学教授。我也终于知道了作者的英文名字Kenneth Libbrecht,google到了原始网站,但是无法直接打开! 当我终于打开时,所有的疑问都解开了……

雪花照片分三组,50多张,桌面级。 对于各种结构的分类总结配上他拍的精美图片,一目了然;理论成因也有详尽的解释。生长过程甚至作了gif动画,而拍摄方法,所需设备都有具体的说明,所参考的各种文献都在页面底端列出。

雪花生长

大致的生长方法是,在一个绝热透明腔中,保持底部温度为零下40摄氏度,顶部为40摄氏度,这样在顶部蒸发的水汽将在底部进入过饱和态,这非常有利于冰晶生长。 这时从空腔底部放入金属丝,就会被冰晶包裹,再给金属丝加上高压(可达2000伏),就可以长出纤细的冰针了,为了得到理想的冰针还会加入其他一些化学气体(如硅树脂),随后,每个冰针顶部都长出雪花,随着生长时间的不同,雪花的形状也时刻在变化。通常直径在1毫米左右(更大的将会无法同时准确对焦)。用摄像机将图像导入显微镜的物镜中,再用目镜端CCD将其数字化传至电脑。拍摄时会选取雪花的正上方,这样就刚好看不见冰针,使画面显得非常干净。不过原始图片基本是黑白的,要在Photoshop中加上颜色,便得到了我们开始所看到的美丽照片。

肯尼斯是加州理工的教授,物理系主任。目前主要的研究方向是利用激光干涉观测引力波,也就是LIGO计划,冰晶生长和图案形成,物理教育中的可调激光器;以前曾涉足日震学(Helioseismology?嘿嘿,发现一个错别字)和太阳大尺度结构以及单个原子的激光冷却和捕捉等领域。跨度也是相当大了。他拍摄的雪花照片集目前已出了两本:2003年11月的《雪花:冬日的精灵》,以及2004年10月的《雪花的小册子》。

图片都已传到牧夫论坛图片版

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弁言

在网上漂了这么久,现在终于有了一个稳定的空间,特别要感谢国家天文台崔博士的支持。以前用过的日志即日起停止更新。麻烦各位朋友更新链接,以后应该不怎么动了:)
友链、模版等个性化信息还没来得及定制,希望不会让大家等太久

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