馴服兇暴精靈——火

韓平　饅頭老妖　李啟翔

發現火焰精靈

在希臘神話中，火是被普羅米修斯從天上盜取到人間的。事實上，人類最早使用的火焰，也確實是從天上而來。當雷公電母劈開天幕，在云層中劃出的閃電擊中樹木時，火焰的精靈便從干枯的枝干中跳躍了出來。

把精靈留下

最初這精靈是難以捉摸的，它伴隨閃電降生，在燃盡后熄滅。人類不知道怎樣才能請到它下凡做客，只好絞盡腦汁想辦法讓它們保留得更久一些。于是他們不斷添薪加柴，讓火一直燒著，保存火種。

后來人們開始使用火把，將火焰精靈請到居住的山洞中，不斷用草木喂它。用石頭圍在它周圍，燒不著的石頭能起到控制火勢的作用。火焰長明不熄，在山洞里就能照明、取暖、烹飪。從此火焰精靈在山洞里也有了自己的專屬空間，成為家里的一分子。

“創造”火焰

漸漸地，人們不滿足于僅僅把自然界產生的火保留下來，他們開始嘗試著自己“創造”出火焰精靈。

在傳說中，燧人氏發現鳥啄擊燧木枝可以產生火花，于是他發明了用燧木鉆木取火的方法。自此，人類打開了新世界的大門，掌握了自由“創造”火焰的方法。

在鉆木取火之后，人們不斷嘗試著發現更多新的方法。

例如石頭與石頭相撞會產生火花，有了鐵器之后，用鋤頭鋤地時，鋤頭撞到石頭更容易產生火花。于是人們發明了火鐮，那是一把鐮刀形的鐵板，用刀刃敲擊火石，頃刻便能引燃火絨。

火焰還會被陽光招引而來，當陽。光匯聚在一點時，會產生足夠多的熱量將火焰精靈召喚出來。于是人們發明了陽燧。那是一面光滑的凹面鏡，焦點是太陽光反射后匯聚的那一點。將易燃物放在焦點，就能引燃火焰。這一發明甚至比煉鐵術出現得更早。

這時候的火焰是人類可親的朋友，有力的助手，以及活潑的精靈。在歷史的書卷上跳躍，留下星星點點的足跡。

從精靈到惡魔

火給人類帶來了光明、溫暖、安全和熱食。可以毫不夸張地說，學會用火這件事情，足以將人類和自然界的其他生物區別開來，更是讓人類文明熬過重重考驗，得以繁衍、發展的最大功臣。即便是在今天，火，或者說“燃燒”，依然是任何一個人類都無法離開的東西。

然而，火同樣意味著巨大的能量。一旦這種能量失控，它就可能給人類帶來極大的麻煩，甚至危及生命。隨著科學技術的發展，人類對火有了更多的了解，知道了如何降低這個小精靈發脾氣的風險。遺憾的是，人類同時也知道了如何利用火焰那毀天滅地的力量，制造出更強大、更可怕的武器，讓它從小精靈徹底變身為大惡魔。

那么，從小精靈到大惡魔，究竟是哪里發生變化了呢？它為什么在造福人類的同時，卻又如此難以馴服，充滿了破壞力？

破壞力的源頭

對于火焰來說，它的燃燒是否安全，是否可控，主要取決于燃燒速度。

當我們點燃一張紙時，它會迅速化為灰燼。相反，當我們點燃一根重香（線香）或者是一盤蚊香，它卻只會慢慢地燃燒，隨著那紅色的“香頭”一點一點向后延伸，直到把整根重香都變成灰色的粉末。顯然，燃燒紙比燃燒線香的危險性與不可控性更大——燃燒中的紙可以很輕易地再引燃很多東西;能用重香、蚊香去點著的物質，相對就少了很多，甚至連一張普通的白紙都很難點燃，很可能只在上面燒出一兩個小洞來。

為什么燃燒紙比燃燒線香危險？因為前者燃燒速度更快。燃燒的速度快就代表能量產生速度快，這就意味著，可以在極短的時間內，將大量的能量（體現為熱量）釋放出來——子彈、炮彈的發射，就是彈殼內的火藥，在底火受到撞擊的剎那間悉數燃盡，能量也在那一瞬間迸發出來，將彈頭飛快地推出槍膛。

“天下武功，唯決不破”，無論是哪種類型的燃燒，燃燒的速度都是決定其破壞力大小的最關鍵指標。

影響破壞力的要素

早在小學科學課上，大家就學過了燃燒三要素：可燃物、助燃劑、溫度。只有溫度達到可燃物燃點以上，燃燒現象才會發生。而燃燒劇烈程度，正是與三要素密切相關。

可燃物

不同可燃物在完全燃燒后釋放出的熱量是不一樣的，在物理學上，我們把“1千克的某種可燃物完全燃燒后能夠放出多少熱量”這個指標叫作“熱值”。比如，標準的煤炭熱值是29，天然氣是36，汽油則是43（單位：兆焦/千克）。燃燒1千克汽油所放出的熱量，大致就是煤炭的1.5倍。所以，當汽油燃燒時，會放出更多的熱量，也就代表著燃燒更劇烈。

助燃劑

氧氣是最常見的助燃劑。因此可燃物與氧氣的充分接觸程度，同樣可以決定燃燒劇烈程度。在前面的“熱值”概念中，有一個前提“完全燃燒”，指的就是可燃物能否充分獲得氧氣。比如，要用打火機點燃鐵片或鐵釘幾乎不可能，但把鐵做成羊毛一樣的細絲絨，它在空氣中就可以被點燃。兩者的差別，在于鐵絲絨接觸氧氣的表面積更大。

因此，如果我們能讓燃料更容易獲得氧氣，燃燒速度就會加快——在過去的年代，燒炕生火要用扇子扇風，原理也是如此。而以前用的蜂窩煤，訣竅就是氧氣受熱后密度變小，自動朝上流動，從而使爐子下部的氧氣通過煤上的孔往上循環，提高燃煤的效率。

在人類歷史上，也曾因為這個原因而釀成過巨大災難。在1961年，蘇聯宇航員邦達連科在地面模擬艙里訓練時，不慎將一個消毒用的酒精棉球扔到了電加熱板上，棉球很快就燒了起來。由于艙內氧氣濃度很高，這個不起眼的火苗迅速化作吞噬一切的大火。盡管艙外的工程師很快打開艙門滅火，邦達連科還是不幸遇難。所以，電影《流浪地球》里，一瓶伏特加就能燒毀AI的場景，可不是瞎編的哦！

達到燃點的溫度

燃點就是可燃物達到燃燒狀態的最低溫度。一個可燃物的燃點溫度越低，這個可燃物就越容易燃燒。所以發生難以控制的火災時，往往是一處起火點造成的連鎖反應。例如燃點較低的酒精、汽油開始燃燒，當燃燒釋放出的熱量讓周圍環境溫度升高時，往往又會觸發周圍其他燃點較高的可燃物燃燒。當環境溫度超過300℃時，木頭、衣服、塑料等家中常見的可燃物，就都能燃燒起來，從而釀成后果嚴重的火災。

還需要說明的是，可燃物的燃點并不是固定不變的。對固體可燃物來說，著火點的高低又跟它與氧氣接觸的充分程度有關系。前面鐵絲絨能夠燃燒和邦達連科的火災事故都證明了這一點。而對液體可燃物和氣體可燃物來說，外界壓強也有關系。

可燃物的流動性

在三要素之外，可燃物的流動性就意味著火勢的蔓延速度。相比而言，固體基本不具有流動性，液體的流動性則有大有小，而氣體流動性最大，最容易引發連鎖反應。森林火災之所以破壞力強大，擴散速度快，也與此有關：從地面到高處全是可燃物，加上樹木釋放出的松節油、樹脂等易燃物，在高溫下會變成氣體，很容易在森林中隨風流動，引燃一切。

根據2013年發生于美國亞利桑那州的亞奈爾山火事件改編的美國劇情片《勇往直前》，就展現了森林大火的可怕。

燃燒的鐵絲絨（來源：Popular Science）

附帶傷害

火焰除了有燒毀一切的可怕破壞力之外，還會帶來一個附加產物，那就是燃燒后的煙氣。這種東西，對于人類而言，有時候比火焰本身還要可怕。

2009年，科研人員對從敘利亞發掘出來的古羅馬士兵遺骸進行分析，意外地發現了波斯人一個可怕的戰術。

公元256年左右，雙方在此發生戰爭，古羅馬士兵利用地道偷襲波斯人，而波斯人則使用一種類似手搖鼓風機的裝置，把毒煙送入地道，導致這些古羅馬士兵中毒身亡。這種毒煙主要是通過燃燒硫磺和瀝青的混合物產生的，其中合有大量強刺激性的二氧化硫，以及無色無味但毒性極大的一氧化碳，讓古羅馬士兵幾乎在幾分鐘內就暈倒在地道之中。

同樣，在現代建筑的火災中，很多遇難者并非被火焰直接灼燒而死，而是因為吸入有毒、高熱煙氣而遇難的。比如，今年震驚日本的“京阿尼”公司縱火案中，有27人因燒傷罹難，6人則是因為吸入有毒煙氣身亡的。

馴服火焰惡魔

人類從最初認識火焰精靈，一起走過最蒙昧時代的“蜜月期”，到后來逐漸認識到火焰的恐怖威力，視之為惡魔。這一過程中，無情之火讓人類歷經磨難，付出過慘痛的代價。

回想起火對于人類文明造成的傷害，一場大火可能燒毀一座城鎮，可能損毀幾代著作，可能奪走上千生命。僅僅在過去的一年間，從巴西國家博物館，到巴黎圣母院，一場場火災帶走的可能是無法彌補的記憶。

火為人類提供了生的希望，但是也帶來了死的威脅。當人們開始逐漸意識到了它的本質，知道了它既不是純粹造福人類的天使，也絕非是一無是處的只能帶來毀滅的破壞者。它就是一把雙刃劍，我們要做的是，牢牢握住雙刃劍的劍柄，征服這只桀驁不馴的惡魔。

馴服惡魔三部曲

前面已經提到了燃燒的三大要素：可燃物、助燃劑和溫度，在這其中缺少了任何一個要素，火都無法持續燃燒下去。因此，要馴服這只惡魔，同樣要從這三方面入手。尋找耐火材料、隔絕助燃劑和降低溫度至可燃物著火點，就是人類解決火災隱患的三大法寶。

尋找不會“吐毒”的耐火材料

古建筑特別容易陷入火災的原因之一就是它們大量使用易燃的木材作為建筑材料。而要阻止火災的發生，最簡單的辦法就是尋找一個著火點高、比較耐燒的材料。但實際生活中，除了考慮到材料耐燒以外，同時還運用了材料受熱分解過程中吸收熱量，從而降低溫度抵御燃燒的方法。

舉一個簡單的例子，氫氧化鎂和氫氧化鋁都是常見的耐火材料，首先是因為兩者都會在加熱條件下分解變成對應的氧化物，而在分解過程中可以大量吸收熱量，使得周圍溫度降低，有效促進了阻止材料燃燒的效果。同時加熱后分解產物氧化鎂和氧化鋁又是極其耐燒的物質。因此兩者作為耐火材料的重要成分，被大量運用在建筑材料中。

但是，對于耐火材料的尋找，人類也走了一段彎路。人類曾經一度在鹵素材料中尋找有效的耐火材料，因為這些物質在高溫情況下會分解產生無法燃燒的鹵化物氣體，除了降低溫度外，還可以阻隔可燃物和空氣接觸，能有效阻止火災的蔓延。不過，鹵素阻燃材料的缺點是會產生具有腐蝕性以及毒性的氣體。正如前面篇章中講到火災的附帶傷害，在許多火災案例中，造成死亡的原因大多數是由于燃燒過程中，產生有毒煙導致人體窒息。

因此，尋找新型的無毒無煙，避免造成環境問題的耐火材料，成為防止火災發生的重要趨勢。人們也一直在通過研制新型耐火材料，從而提高相關材料的抗高溫能力和防火性。

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人類最早使用阻燃劑的歷史可追溯到公元前450年的古埃及，當時是利用明礬來降低易燃性，公元前200年的古羅馬人則是利用明礬加醋混合來提高阻燃劑效果。

①汽化熱

指在標準大氣壓下，使一摩爾物質在其沸點蒸發所需要的熱量，常用單位為千焦/摩爾。水的汽化熱為40.8千焦/摩爾。

分離可燃物的助燃“隊友”

在面對一些意外事故時，我們常常會忘記一些簡單的科學原理。例如，家中正在燒菜的鐵鍋著火時，應該怎么辦？經常會聽說有人直接往里澆下一盆水，導致油鍋里的沸油濺出造成傷害。其實面對這個意外情況，最簡單的方法就是蓋上鍋蓋。

同樣，在建筑設計時，國家也設置了防火規范，對相關設計提出了硬性要求。比如在醫院建筑內一些重要但又無法迅速撤離的地點，如手術室、重癥病房等，都需要設置防火分隔。這樣的設計是為了保證在可能發生的火災情況下，可以將火隔離在真空范圍外，減少火接觸到助燃劑——氧氣的機會，為火災中人員以及財產的轉移爭取更多的時間和機會。

在航天器中，如果遇到火災則會面臨更嚴峻的考驗（比如前面的例子）。由于艙體內有較多氧氣助燃，同時又由于缺乏重力作用使得無法用澆水的方式來滅火，似乎常用的滅火方式都不適用了。目前航天器中主要是用二氧化碳噴射氣體滅火器來解決電氣火災。但是又由于使用滅火噴霧會使艙內二氧化碳濃度升高，造成宇航員呼吸不便，因此這并不是航天滅火的最優解。而在最近，日本學者重新設計出一種用于航天器內部的滅火器，采取的是與廣泛使用的噴射式滅火器相反的操作，即將火焰、燃燒物，甚至火源，通通吸入真空室，從而達到抑制燃燒的目的。

于是，創造真空，或隔絕可燃物接觸助燃劑的機會，成為一部分滅火方案中的解決辦法。

把溫度“吸”回去

在動畫片《葫蘆兄弟》里，火娃除了可以將火焰吐出來點燃一切之外，還有一個技能是用嘴“吸回”火焰。前面提到的日本學者設計的航天器內部滅火器正是如此。除此之外，我們還可以“吸走”火焰周圍的熱量，促使溫度降到可燃物著火點以下，最終達到滅火的效果。

因此，一道經典的問題擺在大家眼前，熱水和冷水，哪一個滅火效果更好？或許有人會脫口而出“冷水”，但是仔細想想其實不然。由于水的比熱容遠遠小于它的汽化熱①，因此熱水變成氣態所吸收的熱量遠遠多于冷水，更有助于降低溫度以達到滅火效果。不僅如此，熱水在加熱快速變成水蒸氣后，可以有效隔絕可燃物與空氣的接觸，加速火焰的熄滅。

這么看來，火焰看起來似乎脾氣無常、暴躁易怒。但實際上只要掌握了它燃燒的規律，也是可以讓它重新變回溫順的小精靈的。

從“從馴服”到“利用”

在了解燃燒的規律之后，可控火焰不再神秘可怕。因此人們依然繼續嘗試著利用這只惡魔，把它充滿破壞性的力量掌握在自己手上。

軍事大殺器

“燃燒”貫穿了整個人類的戰爭史，古今中外，我們都很容易找到諸多經典戰例，這其中的燃料多數都會選擇更容易流動的液態易燃物質。而特別值得一提的，就是傳說中羅馬人制造的“希臘火”。

據說，這種東西可以把火焰噴灑到幾十米之外，甚至可以浮在水面上燃燒，而且很難撲滅，給敵方的戰船帶來極其可怕的傷害。我們大致知道，“希臘火”是通過加壓泵，把一種液態油類從細管里噴出，其中包括石腦油①、瀝青、硫磺和硝石。這其中石腦油是主要燃料，提供大量熱量，甚至產生爆炸。瀝青讓燃料能夠附著在船體表面。硫磺讓混合物更容易被點燃，且能產生有毒的濃煙。而硝石主要成分是硝酸鉀，在受熱后可以放出氧氣，支持燃燒，加大救火的難度。因此“希臘火”兼顧了燃燒速度、附著能力、獲得氧氣的便利性，算是一種非常優秀的武器。

同樣，在電視劇《長安十二時辰》中，也出現了類似的一種武器，名為“闕勒霍多”。它也是利用石油一類物質作為引火料，石油燃燒可以在瞬間釋放出大量熱量，劇中突厥狼衛圖謀借此制造長安大火。這種武器威力巨大，而當時的長安城絕大部分建筑都是木質結構，在那個沒有熱兵器的年代里，一旦縱火成功，這種武器所產生的爆燃威力便足以摧毀整個長安城，所以讓張小敬等人都十分畏懼。

而在現代科學技術的加持下，這些燃燒類武器的威力更是得以倍增。比如，美軍曾在多場戰爭中大量使用了凝固汽油彈，這種武器可以看作是希臘火的升級版。而另外一種武器鋁熱劑（主要是金屬鋁和氧化鐵的混合物），則可以提供更多的熱量、更高的燃燒溫度，足以將鋼板熔化，更不用說對人員的殺傷力了。

而“云爆彈②”的發明，更是充分利用了燃燒速度的三個因素。它主要裝有大量的液態燃料（環氧乙烷、環氧丙烷等），熱值都很高;第一次爆炸時，少量的炸藥將這些液態燃料撕成細小的液滴，漂浮在周圍空中，形成一片“云霧”（云爆彈的名字就是這么來的），相當于把液態燃料變成了氣態;隨即，第二次爆炸，引爆這片合有燃料的“云霧”，由于每個液滴都非常細小，所以和空氣混合也就極其充分，非常容易獲得氧氣助燃，燃燒速度極其迅速，能在極短時間內放出巨大的能量，從而造成可怕的破壞力：爆炸中心溫度高達2000～2500℃（鋼鐵的熔點也不過1500℃左右），壓強超過20MPa（即標準大氣壓的200倍），順道還會消耗掉周圍的氧氣，讓人員因為缺氧而窒息，所以對人員、車輛、工事的殺傷力，都是相當剽悍的。

傳說中的“希臘火”作戰

①石腦油（Naphtha）

可以從石油中提煉出的副產品之一，在現代又被稱為粗汽油。在常溫、常壓下為無色透明或微黃色液體，有特殊氣味，不溶于水，極易燃燒。其蒸氣的擴散能力強，與空氣形成的混合物易爆炸。

云爆彈的爆炸瞬間

②云爆彈（Fuel Air Explosive）

又被稱為真空彈、云霧彈、油氣彈或燃料空氣炸彈，是利用高揮發性燃料與空氣混合，在目標區引燃產生爆炸，同時大量消耗空氣中的氧氣，造成爆炸區短暫缺氧狀態，從而達到殺傷及破壞目的的武器。因此這種武器的炸藥就是燃料加空氣，而非一般我們所熟悉的固體軍用炸藥（如TNT）。

火箭升空實質是依靠燃燒產生能量

航天工程助推器

當然，人類也并不是只想著武器。航天工程中，火箭的使用是必不可少的，而火箭的設計制造，也體現了前面提到的燃燒速度的原理。

比如，火箭從點火到沖出大氣層，時間只有短短的十來分鐘，卻需要將整體速度提升到第一宇宙速度（7.9km/s），這就對燃料的燃燒速度提出了極高的要求。因此，世界各國普遍選擇了熱值極高的偏二甲肼、液態氫作為燃料，同時自帶助燃劑（通常為四氧化二氮、液氧），把助燃劑也放在火箭里送上去。點火之后，發動機以精確的比例把燃料和助燃劑預先混合，讓燃料非常充分地獲得助燃劑的支持，從而獲得極高的燃燒速度，釋放出巨大的能量，推動火箭沖上云霄。

總結規律、利用規律，是人類改造世界的基本途徑。對于利用火，或者說燃燒現象，人類的認知也從感性上升到理性，從燃料熱值、助燃劑供應、燃料物態等方面入手，一步步地讓火焰這溫和小精靈，變成勢不可擋的大惡魔。在為人類帶來毀滅性災難的同時，又不停地推動人類社會的發展。說到底，“火”本身其實只是一個工具，如何更安全、有效地利用這個工具，是所有人都要一起面對的問題。“火”到底是惡魔還是精靈，最終是由用它的人說了算。