熄灭的是烛火 引燃的是智慧

朱建华

摘要：从理论和实践的角度深入分析了蜡烛由高处向低处依次熄灭的原因。实验和分析表明若用烧杯倒扣在高低两支点燃的蜡烛上，导致高的一支蜡烛先熄灭的原因主要是N2，并非蜡烛燃烧产生的CO2气体。随着蜡烛的燃烧，越来越多的N2和CO2气体充满整个烧杯，是蜡烛由高处向低处逐渐熄灭的原因。

关键词：理论分析;实证探索;蜡烛熄灭

文章编号：1008-0546（2020）11-0094-02 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.024

笔者曾在观摩同行的展示课时，看到有位老师讲授“二氧化碳性质”，演示了如图1所示实验，实验现象是：低处蜡烛先熄灭，高处蜡烛后熄灭。于是得出如下结论：①二氧化碳不燃烧、也不支持燃烧;②密度比空气大。然后，该教师又重新设计了一个将烧杯倒扣在燃烧蜡烛上的实验，发现高处蜡烛先熄灭，低处蜡烛后熄灭。并得出结论：在倒扣的烧杯中，由于蜡烛燃烧会产生大量的热，所以生成的CO2气体是热的，密度较小，因此，CO2气流会上升，且从上向下慢慢充满整只烧杯，所以会出现蜡烛由高到低依次熄灭的现象。

笔者无法否认该实验现象的真实性。然而，对于实验的结论，笔者认为是有待商榷的。为此，笔者做了如下理性思考及实证探索：

一、理论分析证明CO2气体不能独自占据上部空间

若CO2气体能独自占据上部空间，则CO2气体的密度要比空气的密度小：1.977x10^-3kg/xL<1.293x10^-3kg/L（x表示气体的膨胀系数），求得x>1.53，由此可知，只有二氧化碳气体的体积扩大1.53倍时，其密度才会小于空气密度，cO：气体才会漂浮在上部空间，再由气体等压定律：V/T2=1.53V/T1，v表示二氧化碳气体原来的体积，T2表示二氧化碳气体原来的温度，1.53V表示表示二氧化碳气体膨胀后的体积，T1表示二氧化碳气体膨胀后的绝对温度，若点燃蜡烛前烧杯内为25℃，即T2为298K，求得T1为456K，也就是膨胀后二氧化碳气体温度为183°C。分析可知，若下层为25°C时，上层只有高于183℃时（上、下温度差为158℃），cO2气体才会漂浮在上部空间。事实上，这么大的温差不会存在，当高处蜡烛熄灭，低处蜡烛没有熄灭时，笔者测得上下温差仅为35℃左右（上层为60℃左右，下层为25℃左右），所以，CO2气体不能独自占据上部空间。

二、两个实验中蜡烛熄灭的原因在于气体的组成不同

图1中的蜡烛由低到高依次熄灭，笔者注意到，这两支蜡烛都是瞬间熄灭的，显然，这是由于突然缺氧导致的，也就是说是由二氧化碳气体单独引起的，而新设计的实验中，高处蜡烛先熄灭、低处蜡烛后熄灭，仔细观察发现，火焰都是由大到小，缓缓熄灭的，说明该过程是一个慢慢缺氧的过程。由此可知，这两个实验中导致火焰熄灭的气体的组成并不相同，也就是说，新设计的实验，火焰熄灭并非只由二氧化碳引起的。

三、在倒扣的烧杯中二氧化碳分布均匀，不存在

二氧化碳气体缓缓下移的现象

若二氧化碳气体能独自占据上部空间，且慢慢充滿倒扣的烧杯，那么就会存在一个空气与二氧化碳气体交界面，这个交界面会缓缓下移（或者有一个浓度梯度下移），那么，这样的浓度梯度或交界面存在吗？

笔者选用大号矿泉水瓶演示了该实验（如图2所示），待高处蜡烛熄灭后，立刻用注射器从矿泉水瓶上、下两层分别抽取10mL气体，再分别注入5mL澄清石灰水中，发现石灰水都变浑浊，且浑浊程度几乎相同。由此不难推出：在倒扣的烧杯中，CO2气体是均匀分布的，不存在上层为二氧化碳气体，下层为空气的现象，更不会存在二氧化碳气体与空气有交界面下移的现象。笔者还用注射器从上、下两层各抽取10mL气体，并用等体积、等浓度的烧碱溶液吸收，发现均减少了3mL，即减少了3mL二氧化碳气体，由此证明在该实验中，CO2气体对蜡烛熄灭起的作用是次要的。所以，有同行认为在新设计的实验中，二氧化碳从高向低慢慢充满整个烧杯，从而导致蜡烛由高往低依次熄灭是缺乏科学依据的。

四、结论

通过上述理论分析与实证探索，笔者认为CO2气体并非是使蜡烛由高到低依次熄灭的主要原因。那么，究竟是什么原因使得蜡烛由高到低依次熄灭呢？笔者认为主要是N2，在引燃蜡烛前，倒扣烧杯内的气体中，O2约占20%，N：约占80%，引燃蜡烛后，向上运动的是高温下的N2和生成的二氧化碳，N2的密度本来就比空气密度略小，受热后，密度更小，所以它可以占据上部空间，而受热后的二氧化碳气体虽然在短时间内也很容易占据上部空间，但由于其密度比空气大很多，和周围空气交换热量并降温后，极易向周围扩散，所以会均匀分布在烧杯内。

由此可知，占据上部空间的主要为N2，并非蜡烛燃烧产生的二氧化碳气体，在蜡烛燃烧时，会有越来越多的氮气和CO2气体充满整个烧杯，这才是蜡烛由高处向低处逐渐熄灭的原因。

综上所述，新设计的实验方案最主要的错误在于只关注二氧化碳，而忽视了空气中的主要成分：N2。