驯服凶暴精灵——火

韩平　馒头老妖　李启翔

发现火焰精灵

在希腊神话中，火是被普罗米修斯从天上盗取到人间的。事实上，人类最早使用的火焰，也确实是从天上而来。当雷公电母劈开天幕，在云层中划出的闪电击中树木时，火焰的精灵便从干枯的枝干中跳跃了出来。

把精灵留下

最初这精灵是难以捉摸的，它伴随闪电降生，在燃尽后熄灭。人类不知道怎样才能请到它下凡做客，只好绞尽脑汁想办法让它们保留得更久一些。于是他们不断添薪加柴，让火一直烧着，保存火种。

后来人们开始使用火把，将火焰精灵请到居住的山洞中，不断用草木喂它。用石头围在它周围，烧不着的石头能起到控制火势的作用。火焰长明不熄，在山洞里就能照明、取暖、烹饪。从此火焰精灵在山洞里也有了自己的专属空间，成为家里的一分子。

“创造”火焰

渐渐地，人们不满足于仅仅把自然界产生的火保留下来，他们开始尝试着自己“创造”出火焰精灵。

在传说中，燧人氏发现鸟啄击燧木枝可以产生火花，于是他发明了用燧木钻木取火的方法。自此，人类打开了新世界的大门，掌握了自由“创造”火焰的方法。

在钻木取火之后，人们不断尝试着发现更多新的方法。

例如石头与石头相撞会产生火花，有了铁器之后，用锄頭锄地时，锄头撞到石头更容易产生火花。于是人们发明了火镰，那是一把镰刀形的铁板，用刀刃敲击火石，顷刻便能引燃火绒。

火焰还会被阳光招引而来，当阳。光汇聚在一点时，会产生足够多的热量将火焰精灵召唤出来。于是人们发明了阳燧。那是一面光滑的凹面镜，焦点是太阳光反射后汇聚的那一点。将易燃物放在焦点，就能引燃火焰。这一发明甚至比炼铁术出现得更早。

这时候的火焰是人类可亲的朋友，有力的助手，以及活泼的精灵。在历史的书卷上跳跃，留下星星点点的足迹。

从精灵到恶魔

火给人类带来了光明、温暖、安全和热食。可以毫不夸张地说，学会用火这件事情，足以将人类和自然界的其他生物区别开来，更是让人类文明熬过重重考验，得以繁衍、发展的最大功臣。即便是在今天，火，或者说“燃烧”，依然是任何一个人类都无法离开的东西。

然而，火同样意味着巨大的能量。一旦这种能量失控，它就可能给人类带来极大的麻烦，甚至危及生命。随着科学技术的发展，人类对火有了更多的了解，知道了如何降低这个小精灵发脾气的风险。遗憾的是，人类同时也知道了如何利用火焰那毁天灭地的力量，制造出更强大、更可怕的武器，让它从小精灵彻底变身为大恶魔。

那么，从小精灵到大恶魔，究竟是哪里发生变化了呢？它为什么在造福人类的同时，却又如此难以驯服，充满了破坏力？

破坏力的源头

对于火焰来说，它的燃烧是否安全，是否可控，主要取决于燃烧速度。

当我们点燃一张纸时，它会迅速化为灰烬。相反，当我们点燃一根重香（线香）或者是一盘蚊香，它却只会慢慢地燃烧，随着那红色的“香头”一点一点向后延伸，直到把整根重香都变成灰色的粉末。显然，燃烧纸比燃烧线香的危险性与不可控性更大——燃烧中的纸可以很轻易地再引燃很多东西;能用重香、蚊香去点着的物质，相对就少了很多，甚至连一张普通的白纸都很难点燃，很可能只在上面烧出一两个小洞来。

为什么燃烧纸比燃烧线香危险？因为前者燃烧速度更快。燃烧的速度快就代表能量产生速度快，这就意味着，可以在极短的时间内，将大量的能量（体现为热量）释放出来——子弹、炮弹的发射，就是弹壳内的火药，在底火受到撞击的刹那间悉数燃尽，能量也在那一瞬间迸发出来，将弹头飞快地推出枪膛。

“天下武功，唯决不破”，无论是哪种类型的燃烧，燃烧的速度都是决定其破坏力大小的最关键指标。

影响破坏力的要素

早在小学科学课上，大家就学过了燃烧三要素：可燃物、助燃剂、温度。只有温度达到可燃物燃点以上，燃烧现象才会发生。而燃烧剧烈程度，正是与三要素密切相关。

可燃物

不同可燃物在完全燃烧后释放出的热量是不一样的，在物理学上，我们把“1千克的某种可燃物完全燃烧后能够放出多少热量”这个指标叫作“热值”。比如，标准的煤炭热值是29，天然气是36，汽油则是43（单位：兆焦/千克）。燃烧1千克汽油所放出的热量，大致就是煤炭的1.5倍。所以，当汽油燃烧时，会放出更多的热量，也就代表着燃烧更剧烈。

助燃剂

氧气是最常见的助燃剂。因此可燃物与氧气的充分接触程度，同样可以决定燃烧剧烈程度。在前面的“热值”概念中，有一个前提“完全燃烧”，指的就是可燃物能否充分获得氧气。比如，要用打火机点燃铁片或铁钉几乎不可能，但把铁做成羊毛一样的细丝绒，它在空气中就可以被点燃。两者的差别，在于铁丝绒接触氧气的表面积更大。

因此，如果我们能让燃料更容易获得氧气，燃烧速度就会加快——在过去的年代，烧炕生火要用扇子扇风，原理也是如此。而以前用的蜂窝煤，诀窍就是氧气受热后密度变小，自动朝上流动，从而使炉子下部的氧气通过煤上的孔往上循环，提高燃煤的效率。

在人类历史上，也曾因为这个原因而酿成过巨大灾难。在1961年，苏联宇航员邦达连科在地面模拟舱里训练时，不慎将一个消毒用的酒精棉球扔到了电加热板上，棉球很快就烧了起来。由于舱内氧气浓度很高，这个不起眼的火苗迅速化作吞噬一切的大火。尽管舱外的工程师很快打开舱门灭火，邦达连科还是不幸遇难。所以，电影《流浪地球》里，一瓶伏特加就能烧毁AI的场景，可不是瞎编的哦！

达到燃点的温度

燃点就是可燃物达到燃烧状态的最低温度。一个可燃物的燃点温度越低，这个可燃物就越容易燃烧。所以发生难以控制的火灾时，往往是一處起火点造成的连锁反应。例如燃点较低的酒精、汽油开始燃烧，当燃烧释放出的热量让周围环境温度升高时，往往又会触发周围其他燃点较高的可燃物燃烧。当环境温度超过300℃时，木头、衣服、塑料等家中常见的可燃物，就都能燃烧起来，从而酿成后果严重的火灾。

还需要说明的是，可燃物的燃点并不是固定不变的。对固体可燃物来说，着火点的高低又跟它与氧气接触的充分程度有关系。前面铁丝绒能够燃烧和邦达连科的火灾事故都证明了这一点。而对液体可燃物和气体可燃物来说，外界压强也有关系。

可燃物的流动性

在三要素之外，可燃物的流动性就意味着火势的蔓延速度。相比而言，固体基本不具有流动性，液体的流动性则有大有小，而气体流动性最大，最容易引发连锁反应。森林火灾之所以破坏力强大，扩散速度快，也与此有关：从地面到高处全是可燃物，加上树木释放出的松节油、树脂等易燃物，在高温下会变成气体，很容易在森林中随风流动，引燃一切。

根据2013年发生于美国亚利桑那州的亚奈尔山火事件改编的美国剧情片《勇往直前》，就展现了森林大火的可怕。

燃烧的铁丝绒（来源：Popular Science）

附带伤害

火焰除了有烧毁一切的可怕破坏力之外，还会带来一个附加产物，那就是燃烧后的烟气。这种东西，对于人类而言，有时候比火焰本身还要可怕。

2009年，科研人员对从叙利亚发掘出来的古罗马士兵遗骸进行分析，意外地发现了波斯人一个可怕的战术。

公元256年左右，双方在此发生战争，古罗马士兵利用地道偷袭波斯人，而波斯人则使用一种类似手摇鼓风机的装置，把毒烟送入地道，导致这些古罗马士兵中毒身亡。这种毒烟主要是通过燃烧硫磺和沥青的混合物产生的，其中合有大量强刺激性的二氧化硫，以及无色无味但毒性极大的一氧化碳，让古罗马士兵几乎在几分钟内就晕倒在地道之中。

同样，在现代建筑的火灾中，很多遇难者并非被火焰直接灼烧而死，而是因为吸入有毒、高热烟气而遇难的。比如，今年震惊日本的“京阿尼”公司纵火案中，有27人因烧伤罹难，6人则是因为吸入有毒烟气身亡的。

驯服火焰恶魔

人类从最初认识火焰精灵，一起走过最蒙昧时代的“蜜月期”，到后来逐渐认识到火焰的恐怖威力，视之为恶魔。这一过程中，无情之火让人类历经磨难，付出过惨痛的代价。

回想起火对于人类文明造成的伤害，一场大火可能烧毁一座城镇，可能损毁几代著作，可能夺走上千生命。仅仅在过去的一年间，从巴西国家博物馆，到巴黎圣母院，一场场火灾带走的可能是无法弥补的记忆。

火为人类提供了生的希望，但是也带来了死的威胁。当人们开始逐渐意识到了它的本质，知道了它既不是纯粹造福人类的天使，也绝非是一无是处的只能带来毁灭的破坏者。它就是一把双刃剑，我们要做的是，牢牢握住双刃剑的剑柄，征服这只桀骜不驯的恶魔。

驯服恶魔三部曲

前面已经提到了燃烧的三大要素：可燃物、助燃剂和温度，在这其中缺少了任何一个要素，火都无法持续燃烧下去。因此，要驯服这只恶魔，同样要从这三方面入手。寻找耐火材料、隔绝助燃剂和降低温度至可燃物着火点，就是人类解决火灾隐患的三大法宝。

寻找不会“吐毒”的耐火材料

古建筑特别容易陷入火灾的原因之一就是它们大量使用易燃的木材作为建筑材料。而要阻止火灾的发生，最简单的办法就是寻找一个着火点高、比较耐烧的材料。但实际生活中，除了考虑到材料耐烧以外，同时还运用了材料受热分解过程中吸收热量，从而降低温度抵御燃烧的方法。

举一个简单的例子，氢氧化镁和氢氧化铝都是常见的耐火材料，首先是因为两者都会在加热条件下分解变成对应的氧化物，而在分解过程中可以大量吸收热量，使得周围温度降低，有效促进了阻止材料燃烧的效果。同时加热后分解产物氧化镁和氧化铝又是极其耐烧的物质。因此两者作为耐火材料的重要成分，被大量运用在建筑材料中。

但是，对于耐火材料的寻找，人类也走了一段弯路。人类曾经一度在卤素材料中寻找有效的耐火材料，因为这些物质在高温情况下会分解产生无法燃烧的卤化物气体，除了降低温度外，还可以阻隔可燃物和空气接触，能有效阻止火灾的蔓延。不过，卤素阻燃材料的缺点是会产生具有腐蚀性以及毒性的气体。正如前面篇章中讲到火灾的附带伤害，在许多火灾案例中，造成死亡的原因大多数是由于燃烧过程中，产生有毒烟导致人体窒息。

因此，寻找新型的无毒无烟，避免造成环境问题的耐火材料，成为防止火灾发生的重要趋势。人们也一直在通过研制新型耐火材料，从而提高相关材料的抗高温能力和防火性。

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人类最早使用阻燃剂的历史可追溯到公元前450年的古埃及，当时是利用明矾来降低易燃性，公元前200年的古羅马人则是利用明矾加醋混合来提高阻燃剂效果。

①汽化热

指在标准大气压下，使一摩尔物质在其沸点蒸发所需要的热量，常用单位为千焦/摩尔。水的汽化热为40.8千焦/摩尔。

分离可燃物的助燃“队友”

在面对一些意外事故时，我们常常会忘记一些简单的科学原理。例如，家中正在烧菜的铁锅着火时，应该怎么办？经常会听说有人直接往里浇下一盆水，导致油锅里的沸油溅出造成伤害。其实面对这个意外情况，最简单的方法就是盖上锅盖。

同样，在建筑设计时，国家也设置了防火规范，对相关设计提出了硬性要求。比如在医院建筑内一些重要但又无法迅速撤离的地点，如手术室、重症病房等，都需要设置防火分隔。这样的设计是为了保证在可能发生的火灾情况下，可以将火隔离在真空范围外，减少火接触到助燃剂——氧气的机会，为火灾中人员以及财产的转移争取更多的时间和机会。

在航天器中，如果遇到火灾则会面临更严峻的考验（比如前面的例子）。由于舱体内有较多氧气助燃，同时又由于缺乏重力作用使得无法用浇水的方式来灭火，似乎常用的灭火方式都不适用了。目前航天器中主要是用二氧化碳喷射气体灭火器来解决电气火灾。但是又由于使用灭火喷雾会使舱内二氧化碳浓度升高，造成宇航员呼吸不便，因此这并不是航天灭火的最优解。而在最近，日本学者重新设计出一种用于航天器内部的灭火器，采取的是与广泛使用的喷射式灭火器相反的操作，即将火焰、燃烧物，甚至火源，通通吸入真空室，从而达到抑制燃烧的目的。

于是，创造真空，或隔绝可燃物接触助燃剂的机会，成为一部分灭火方案中的解决办法。

把温度“吸”回去

在动画片《葫芦兄弟》里，火娃除了可以将火焰吐出来点燃一切之外，还有一个技能是用嘴“吸回”火焰。前面提到的日本学者设计的航天器内部灭火器正是如此。除此之外，我们还可以“吸走”火焰周围的热量，促使温度降到可燃物着火点以下，最终达到灭火的效果。

因此，一道经典的问题摆在大家眼前，热水和冷水，哪一个灭火效果更好？或许有人会脱口而出“冷水”，但是仔细想想其实不然。由于水的比热容远远小于它的汽化热①，因此热水变成气态所吸收的热量远远多于冷水，更有助于降低温度以达到灭火效果。不仅如此，热水在加热快速变成水蒸气后，可以有效隔绝可燃物与空气的接触，加速火焰的熄灭。

这么看来，火焰看起来似乎脾气无常、暴躁易怒。但实际上只要掌握了它燃烧的规律，也是可以让它重新变回温顺的小精灵的。

从“从驯服”到“利用”

在了解燃烧的规律之后，可控火焰不再神秘可怕。因此人们依然继续尝试着利用这只恶魔，把它充满破坏性的力量掌握在自己手上。

军事大杀器

“燃烧”贯穿了整个人类的战争史，古今中外，我们都很容易找到诸多经典战例，这其中的燃料多数都会选择更容易流动的液态易燃物质。而特别值得一提的，就是传说中罗马人制造的“希腊火”。

据说，这种东西可以把火焰喷洒到几十米之外，甚至可以浮在水面上燃烧，而且很难扑灭，给敌方的战船带来极其可怕的伤害。我们大致知道，“希腊火”是通过加压泵，把一种液态油类从细管里喷出，其中包括石脑油①、沥青、硫磺和硝石。这其中石脑油是主要燃料，提供大量热量，甚至产生爆炸。沥青让燃料能够附着在船体表面。硫磺让混合物更容易被点燃，且能产生有毒的浓烟。而硝石主要成分是硝酸钾，在受热后可以放出氧气，支持燃烧，加大救火的难度。因此“希腊火”兼顾了燃烧速度、附着能力、获得氧气的便利性，算是一种非常优秀的武器。

同样，在电视剧《长安十二时辰》中，也出现了类似的一种武器，名为“阙勒霍多”。它也是利用石油一类物质作为引火料，石油燃烧可以在瞬间释放出大量热量，剧中突厥狼卫图谋借此制造长安大火。这种武器威力巨大，而当时的长安城绝大部分建筑都是木质结构，在那个没有热兵器的年代里，一旦纵火成功，这种武器所产生的爆燃威力便足以摧毁整个长安城，所以让张小敬等人都十分畏惧。

而在现代科学技术的加持下，这些燃烧类武器的威力更是得以倍增。比如，美军曾在多场战争中大量使用了凝固汽油弹，这种武器可以看作是希腊火的升级版。而另外一种武器铝热剂（主要是金属铝和氧化铁的混合物），则可以提供更多的热量、更高的燃烧温度，足以将钢板熔化，更不用说对人员的杀伤力了。

而“云爆弹②”的发明，更是充分利用了燃烧速度的三个因素。它主要装有大量的液态燃料（环氧乙烷、环氧丙烷等），热值都很高;第一次爆炸时，少量的炸药将这些液态燃料撕成细小的液滴，漂浮在周围空中，形成一片“云雾”（云爆弹的名字就是这么来的），相当于把液态燃料变成了气态;随即，第二次爆炸，引爆这片合有燃料的“云雾”，由于每个液滴都非常细小，所以和空气混合也就极其充分，非常容易获得氧气助燃，燃烧速度极其迅速，能在极短时间内放出巨大的能量，从而造成可怕的破坏力：爆炸中心温度高达2000～2500℃（钢铁的熔点也不过1500℃左右），压强超过20MPa（即标准大气压的200倍），顺道还会消耗掉周围的氧气，让人员因为缺氧而窒息，所以对人员、车辆、工事的杀伤力，都是相当剽悍的。

传说中的“希腊火”作战

①石脑油（Naphtha）

可以从石油中提炼出的副产品之一，在现代又被称为粗汽油。在常温、常压下为无色透明或微黄色液体，有特殊气味，不溶于水，极易燃烧。其蒸气的扩散能力强，与空气形成的混合物易爆炸。

云爆弹的爆炸瞬间

②云爆弹（Fuel Air Explosive）

又被称为真空弹、云雾弹、油气弹或燃料空气炸弹，是利用高挥发性燃料与空气混合，在目标区引燃产生爆炸，同时大量消耗空气中的氧气，造成爆炸区短暂缺氧狀态，从而达到杀伤及破坏目的的武器。因此这种武器的炸药就是燃料加空气，而非一般我们所熟悉的固体军用炸药（如TNT）。

火箭升空实质是依靠燃烧产生能量

航天工程助推器

当然，人类也并不是只想着武器。航天工程中，火箭的使用是必不可少的，而火箭的设计制造，也体现了前面提到的燃烧速度的原理。

比如，火箭从点火到冲出大气层，时间只有短短的十来分钟，却需要将整体速度提升到第一宇宙速度（7.9km/s），这就对燃料的燃烧速度提出了极高的要求。因此，世界各国普遍选择了热值极高的偏二甲肼、液态氢作为燃料，同时自带助燃剂（通常为四氧化二氮、液氧），把助燃剂也放在火箭里送上去。点火之后，发动机以精确的比例把燃料和助燃剂预先混合，让燃料非常充分地获得助燃剂的支持，从而获得极高的燃烧速度，释放出巨大的能量，推动火箭冲上云霄。

总结规律、利用规律，是人类改造世界的基本途径。对于利用火，或者说燃烧现象，人类的认知也从感性上升到理性，从燃料热值、助燃剂供应、燃料物态等方面入手，一步步地让火焰这温和小精灵，变成势不可挡的大恶魔。在为人类带来毁灭性灾难的同时，又不停地推动人类社会的发展。说到底，“火”本身其实只是一个工具，如何更安全、有效地利用这个工具，是所有人都要一起面对的问题。“火”到底是恶魔还是精灵，最终是由用它的人说了算。