專 題 報 導
從搖曳生姿的蠟燭擴散火焰，
了解薄薄一片的火焰，體會「燃燒自己照亮別人」的真義；
從動態平衡的瓦斯爐預混火焰，了解會跑、有燃燒速度的火焰波，
體會媽媽烹煮食物的危險。
林大惠
和水為主，通常伴隨著少量的氮氧化物、硫氧化物、
一氧化碳和固體微粒。顯然地，燃燒火焰直接或間接 地影響了人類文明的進步和生態環境的變遷。
正常的火焰存在於氣體狀態，燃燒化學反應的兩 個要角──燃料分子和氧化物（通常是氧氣）分子，藉 著質量輸送而相互碰撞，假如碰撞的動能夠大，超過 了化學反應所需的活化能，便可促成燃燒化學反應的 進行。
燃燒化學反應並非一次即成，而是經由各種中間 產物彼此間，或與燃料分子、氧化物分子間的多次相 互碰撞，進行多次中間化學反應，最後生成穩定的排 放物並釋放出化學能。因此，它是一個多步驟的化學 反應。於此，我們將以蠟燭擴散火焰和瓦斯爐預混火 焰為例，來介紹常見的燃燒火焰。
固體蠟燭頂端因吸收燭火的輻射熱，而熔解成液體的蠟油，進 而在燭芯底部蓄積成蠟油池；蠟油溢出油池沿著蠟燭表面流 下，降溫冷卻又恢復成固體的淚狀珠粒。同時，蠟油池的蠟油 利用毛細管作用沿著燭芯上移，繼續承受燭火加熱而氣化。氣 體的蠟油分子由燭芯往外擴散，而空氣中的氧氣分子同時由外 往燭火擴散，在蠟燭火焰面兩者相互碰撞，進行多步驟的燃燒 化學反應。在蠟燭火焰面的燃燒反應，迅速釋放化學能並以光 和熱呈現出來，使得火焰面的氣體溫度達到最高溫，而生成的 排放物如二氧化碳和氣態水的濃度也在火焰面達到最高值。高 溫且高濃度的二氧化碳和氣態水分子，會由火焰面往內或往 外，將質量和能量擴散出去。
蠟燭擴散火焰
在停電的颱風夜，搖曳生姿的燭火幻影中，許多 人都曾有促膝傾談的溫馨經驗；「蠟炬成灰淚始乾」、
「燃燒自己照亮別人」，常成為蠟燭火焰的感性詮釋。
或許，從另一個角度的科學描述，會使大家更深入地 認識蠟燭火焰，也帶給大家不一樣的體會。
蠟燭的化學組成是石蠟，基本上是固態的碳氫化 合物，碳氫化合物是大自然中最主要的燃料，煤炭、
石油和天然氣皆由碳氫化合物所組成。碳氫化合物中
的碳原子、氫原子，經 由燃燒過程和氧原子結 合，而分別形成二氧化 碳和水，此即燃燒火焰 的排放物。
我們稱蠟燭火焰為 典型的擴散火焰，因其 燃燒現象完全由氣體分 子的擴散行為來主導，
蠟油分子和氧氣分子分 別由燭芯和外界擴散進 入火焰面燃燒，而燃燒 產生的二氧化碳和水分 子，則由火焰面往內或 往外將質量和能量擴散 出去。
蠟燭擴散火焰在靜止環境中非常穩定，但是外在 輕微的氣流很容易干擾燭火，形成火焰面不規則的擺 動，於是我們看見燭火搖曳生姿。如果大風一吹，吹 散了原先預期在火焰面和氧氣分子相見的蠟油分子，
阻斷了後續的燃燒化學反應，燭火就滅了。氣流中的 燭火擺動或熄滅現象，表現出巨觀的整體對流對微觀 的分子擴散行為的影響。
基本上，體積大的分子不易擴散，而且分子不易 在對流流動強的環境中擴散，就好像我們不易通過車 水馬龍的街道一樣，車流快就不易找到空隙鑽過去。
因此，外在氣流增強會抑制蠟油分子和氧氣分子擴散 到火焰面燃燒，甚至阻絕而導致燭火熄滅。
蠟油分子和氧氣分子的燃燒是多步驟化學反應，
似乎應該很慢，其實不然。因它是高活化能的連鎖化 學反應，反應時間極短，幾乎瞬間完成，從空間尺度 來看，燃燒只需要微小的區間就可以完成。從燭芯往 外擴散的蠟油分子和從四面八方往內擴散的氧氣分 子，它們碰撞和燃燒的區間形成一立體錐面，因此呈 現出來的火焰形態是一接近錐形的火焰面。
蠟燭擴散火焰面的厚度約一公厘左右，火焰面的 氣體溫度可達攝氏1,200 度以上，我們稱之為火焰溫
我們假想一大群學生身穿白色衣褲，從剛結束集會的大禮堂蜂 擁而出，白色衣褲學生群參雜了一小群身材瘦小的綠色衣褲學 生和一小群身材壯碩的紅色衣褲學生。我們從上空向下觀察，
可以看見人潮由大禮堂湧入街道，白色人潮點綴著些許綠色和 紅色，人潮沿著街道不斷前進，學生們也在人潮中穿梭推擠，
經過很長的距離到了街道尾端，我們發現綠色衣褲學生大多出 現在人潮前端，而紅色衣褲學生則皆落後在人潮尾端。人潮移 動代表著整體對流流動，把學生群從大禮堂移到街道尾端，而 人潮中學生間的穿梭推擠則表現出分子擴散行為。綠色衣褲學 生瘦小易於人群間隙中穿梭移動，因此大多擠到人潮前端，反 之，紅色衣褲學生壯碩不易於人群間隙中穿梭移動，而落後在 人潮尾端。
專 題 報 導
兩相鄰近的蠟燭擴散火焰顯示 出接近錐形的黃色火焰面，黃 色火焰的熱輻射強，照相時易 造成底片曝光過度，而使得火 焰顏色偏白，實際肉眼所見的 燭火顏色應為黃色。
(a)
(b)
(c)
度；但是稍微離開火焰面兩三公厘，亦即離開正在釋 放化學能的化學反應區，氣體溫度可能陡降至攝氏200 度，甚至更低。拿一根細鐵絲伸過蠟燭火焰，我們可 以看見接觸火焰面的鐵絲部分被燒紅，燭火內部燭芯 處的鐵絲並沒有被燒紅，這就是錐形火焰面的證明。
兒時常用手指迅速通過蠟燭火焰來表現自己的勇敢，
其實手指快速劃過薄薄的火焰面，雖然火焰溫度高，
但是手指和它的接觸時間極短，是不會被燙到的，這 也是錐形火焰面的另類證明。
蠟燭是高碳的碳氫化合物，含碳量高，當蠟油分 子靠近火焰面進行多步驟化學反
應時，蠟油分子因吸熱而切斷化 學鍵，產生大量的碳原子，部分 碳原子在火焰面和氧原子結合成 為二氧化碳或一氧化碳，其他尚 未反應的碳原子因為量多，可能 相互碰撞而結合成為碳微粒。
常溫下的碳微粒是黑色的，
但是靠近火焰面高溫狀態的碳微 粒則呈現明亮的黃色，因此蠟燭 擴散火焰的顏色通常是黃色的，
顯示火焰面附近聚集許多未燃的
碳微粒。富含碳微粒的黃色火焰，也表現出強烈的輻 射熱傳，所以我們可以在較遠的距離便感受到燭火的 溫暖。壁爐內燃燒木頭所產生的黃色火焰，類似蠟燭 火焰，富含碳微粒且輻射熱傳強烈，因此可以帶來整 個房間的溫暖。
擴散火焰的工業應用
擴散火焰的燃燒結構被廣泛地應用在工業製程 上，而一般工業加熱爐的噴流擴散火焰，可用簡易的 同心管燃燒器來說明。燃燒器內管噴出氣態燃料，如 天然瓦斯或液化石油氣，而外管 則供應空氣；內管高速噴出的燃 料具有強大的整體對流特性，將 燃料帶離噴口並延伸相當距離成 為一燃料噴流，噴流中的燃料分 子往外擴散，而外環同向流動空 氣中的氧氣分子則向內擴散，兩 者碰撞並進行化學反應，形成噴 流擴散火焰。
蠟燭擴散火焰由分子擴散行 為來主控，但是噴流擴散火焰除 了分子擴散行為外，整體對流流
兩相鄰近的低速噴流擴 散火焰顯示出整體性的 錐形火焰面，焰色為黃 色且輻射熱傳強烈，火 焰長度隨著噴流出口流 速的增加而增加。噴流 出口附近較易吸入外圍 空氣，促進燃燒而抑制 碳微粒形成，同時對流 流 動 將 碳 微 粒 帶 往 下 游，因此底部火焰顏色 為藍色。
外環空氣靜止時，噴流擴散火焰隨噴流出口流速增加，使得層流擴散火焰逐步轉變成紊流擴散火焰。層 流擴散火焰隨出口流速增加，火焰長度變長，火焰穩定性由大尺度擺動轉變成小尺度震盪，火焰顏色除 了底部為藍色外皆為明亮的黃色。出口流速太快會使得火焰飄離管口，層流火焰迅速轉變成紊流火焰，
火焰顏色為藍色，火焰具有小尺度的劇烈震盪，但是火焰長度並不隨出口流速增加而改變。
典型的汽油噴霧火焰緊貼著油霧錐面。液態燃料 碎化成錐狀油霧，油霧中的大小油滴迅速蒸發產 生油蒸氣，油蒸氣由油霧錐面往外擴散，而外環 同向流動空氣中的氧氣分子則向內擴散，兩者碰 撞並進行化學反應，形成噴霧火焰。
薄火焰面
動也扮演了非常重要的角色。因此，由於對流的作 用，噴流擴散火焰的長度可以百倍、千倍於蠟燭擴散 火焰的長度。一般而言，低速流體具有分層流動特 性，通常稱之為層流；高速流體的流動行為混亂，主 要是由渦漩群所組成，通常稱之為紊流。層流狀態下 的噴流擴散火焰具有整體性的火焰面形態，焰色為黃 色且輻射熱傳強烈，火焰長度隨著噴流出口流速的增 加而增加；至於紊流狀態下的噴流擴散火焰呈現局部 性的火焰微片組合，由於紊流混合效果良好，焰色偏 向藍色，火焰長度隨著噴口口徑的增加而增加。
許多工業製程燃燒液態燃料如柴油、重油，其燃 燒器中心噴出液態燃料而外圍仍然供應空氣。液態燃 料有別於氣態燃料，它必須經過蒸發過程才能繼續進 行燃燒化學反應，就好像蠟油需要氣化成氣體的蠟油 分子一樣。因此，液態燃料的燃燒過程，首先需利用 流體壓力或流體混合方式將其碎化成霧狀液滴群，霧 狀液滴群是由大大小小的液滴所組成，很像園藝用的 水霧器所產生的錐狀水霧，可以是實心噴霧也可以是 中空噴霧。霧狀液滴群增加液態燃料的總表面積，促 進其蒸發能力，進而達成迅速完全燃燒。
油蒸氣需先有蒸發過程再往外擴散，其質量傳輸
能力比不上純氣體氧氣分子，所以噴霧火焰通常緊貼 著油霧錐面。顯然地，液態燃料需要碎化及蒸發過程 來產生油蒸氣，而其所建構的噴霧火焰則具有擴散火 焰的基本特性。
回顧前述各類燃料的燃燒機 制，它們需要經過熔融或碎化、
蒸發、擴散混合、化學反應等各 項過程，最後才能將化學能釋放 出來，進而發光和生熱。而在此 時，它們也失去了原先的本質，
成了二氧化碳和水。蠟燭不經歷 熔化和蒸發的物理變化，無法發 光和生熱，蠟燭不破碎自己成為 二氧化碳和水的化學變化，也無 法發光和生熱。燭光中我們可以 更深入地體會「燃燒自己照亮別 人」這一句話，燃燒自己意味著 不是犧牲而是質變，唯有常常尋 求改變、提升自我的生命，才能 真正的發光和生熱。
本生燈的基本構造係由簡易的圓管燃燒器和圓管底部的可調節 式空氣吸入口所組成。氣態燃料由圓管底部流入燃燒器，經過 空氣吸入口時，吸入外界空氣並彼此混合。燃料和空氣的預混 流隨之噴出燃燒器，經點火而在管口產生錐面狀的預混火焰。
專 題 報 導
在形成氣態燃料分子以產生燃燒反應之前，（a）固態燃料的蠟燭需經過熔化、毛細管作 用和蒸發過程；（b）氣態燃料的噴流主要由整體對流流動來主導；（c）液態燃料的噴霧 需經過霧化、對流、蒸發和混合過程。
a b c
瓦斯爐預混火焰
有別於前述的蠟燭擴散火焰，瓦斯爐預混火焰是 具有動態行為的燃燒現象，我們取環狀瓦斯爐火焰中 個別的小預混火焰，以本生燈火焰來加以闡述其燃燒 特性。
顧名思義，預混火焰代表著燃料分子和氧化物分 子必須在燃燒反應之前預先混合，因此兩者同時存在 並均勻混合於預混火焰上游。反之，擴散火焰藉著火 焰面本身將燃料和氧化物隔開，兩類分子只有在火焰 面彼此相遇、碰撞而進行燃燒反應。
外界空氣被吸入並且和燃料均勻混合，主要肇因 於燃料流的對流流動形成局部壓力低於外界大氣壓力 所致。對流流動強的流體迫使所有流體分子同向前 進，減少四面八方的分子碰撞運動，進而減少流體本 身的壓力。至於外界靜止不動的流體分子，依然維持 四面八方的碰撞運動，造成靜止流體壓力大於對流流 體壓力。因此，靜止流體中四面八方碰撞的流體分子 很容易被吸入或撞入對流流體，均勻混合，並且和對 流流體分子同向前進。延續前述車水馬龍街道的例子 來進一步說明，我們不易在車流快時找到空隙鑽過 去，而且在尋隙鑽動的過程中，我們往往陷入車流，
隨波逐流，跟著車流往前移動，當我們到達對面街道 時，已經遠離原先所欲跨越的位置了。
全然關閉空氣吸入口，會限制外界空氣的吸入和
轉變成藍色，搖曳擺動的擴散火焰特性逐漸消 失，藍色火焰變得穩定，而且火焰長度逐漸縮 短，接著形成雙層藍色火焰。
預混火焰的可燃極限
一般而言，預混火焰的燃燒反應被限制在 可燃極限範圍內，亦即燃料和氧化物混合比如 果高於富燃料上限，代表燃料過多，或低於貧 燃料下限，代表燃料太少，皆無法形成預混火 焰。最佳的燃燒化學反應是把燃料和氧化物通 通燒光，轉變成二氧化碳和水，此時的燃料和氧化物 混合比稱之為化學計量比，意味著燃燒反應中反應物
（燃料和氧化物）和生成物（二氧化碳和水）間的質量 平衡。
甲烷噴流火焰隨著預混空氣量的增加，火焰會由黃色轉變成藍色，搖曳擺 動的擴散火焰特性逐漸消失，藍色火焰變得穩定，而且火焰長度逐漸縮 短，接著形成雙層藍色火焰。
160
(%)
25
使用液化石油氣的瓦斯爐，在缺氧、燃料過多時會產生黃色瓦 斯爐火，在氧氣充足、燃料適中時則形成藍色瓦斯爐火。
100 90 80 70 60 50 48 46
44 42 40 38 36 34 32 30
28 26 24 22 20 18 16 14 12
15
燃料超過富燃料上限，過多的燃料在燃燒反應中 會同時吸熱切斷化學鍵，但卻無法找到足夠的氧化物 以形成穩定的生成物且放出燃燒熱，因此造成內部能 量耗損。少量的氧化物和相匹配的燃料完成反應所釋 放出的燃燒熱，無法勝過過多燃料的能量耗損，進而 導致燃燒化學反應無法持續進行，就沒有預混火焰的 存在。同理，低於貧燃料下限，燃料太少且氧化物過 多，也不可能形成預混火焰。
常見的甲烷和空氣預混火焰，以甲烷所占體積百 分比而言，其化學計量比為9.5％，而富燃料上限和貧 燃料下限則分別為15％和 5％。由此可見，調開空氣 吸入口以提高空氣吸入量，是逐漸地降低本生燈管內 預混氣的燃料混合比，使其逼近富燃料上限，當燃料 混合比進入可燃極限範圍內，預混火焰就形成了，例 如14％或12％甲烷的噴流火焰。此時，本生燈口出 現雙層藍色火焰，內層是富燃料預混火焰，而富燃料 預混火焰燃燒反應所賸餘的燃料分子繼續往下游流 動，再和外界大氣中的氧氣分子建立外層的擴散火 焰。如果外界環境中沒有氧化物，就沒有外層擴散火 焰，本生燈口只有富燃料預混火焰而已。針對本生燈 雙層火焰而言，由於外層擴散火焰的幫助，內層富燃 料預混火焰可以在略高於富燃料上限時存在，如16
％甲烷噴流火焰。由此得知，預混火焰的可燃極限可 能由於外在影響而放寬或縮小。
增加預混空氣量會使本生燈火焰的燃料側擁有較 多的氧原子，促進碳原子氧化成為二氧化碳或一氧化 碳，進而抑制碳原子結合成為碳微粒，因此火焰焰色 由黃色轉變成藍色。雖然預混空氣可以抑制碳微粒形 成，但對於在富燃料狀態的高碳燃料而言，碳原子過 多而氧原子依然不足，其抑制效果有限，因此高碳燃 料的富燃料預混火焰通常呈現黃色。一般而言，丙烷 以上的氣態燃料，其富燃料預混火焰多為黃色，而甲 烷富燃料預混火焰則為藍色。
前述擴散火焰強調黃色火焰的輻射熱傳強，可以 提升加熱效果。因此，餐廳爐火常使用黃色預混火 焰，特別是大火快炒的烹調方式，如台南有名的鱔魚 麵。但是，家庭烹調所使用的瓦斯爐火，我們習慣上
會適當地調整混合空氣量，使其呈現藍色，主要是避 免黃色火焰的碳微粒接觸鍋具，進而粘黏於鍋具底 部，造成清洗鍋具的困難。
另外值得注意的是，黃色火焰除了碳微粒多外，
不完全燃燒的一氧化碳也多，為了健康著想，家中爐 火應避免使用黃色火焰。話說回來，藍色火焰也有它 的嚴重缺陷，它通常代表燃燒完全，局部溫度高，因 而較易產生一氧化氮，當然也影響人體健康。最好的 解決方法是，烹調時一定要啟動排油煙機，而且要採 用鐵板燒所使用的側吸方式。
專 題 報 導
考慮不同甲烷空氣混合比下之噴流預混火焰形狀變化：隨著混合比 之減少，由富燃料狀態（15 ％）往化學計量比（9.5 ％）接近，預 混火焰的燃燒強度增強，而火焰傳播速度隨之增加。因此，錐形火 焰面逐漸變小，靠近噴口，代表預混火焰滯留在流速較高的噴口區 域。
15 14 13
5 120
12 11 10
離開管口距離的增加而降低。一般噴流在管口附近會 有一個沒有黏滯性效應的勢流錐，勢流錐內部噴流的 流速和噴流出口流速一樣，但是超出勢流錐外，噴流 會往外擴張，其流速也隨之往外遞減，越遠離管口流 速越小。
關於噴流擴散火焰，或關閉空氣吸入口的本生燈 火焰，燃料隨著噴流動量帶離管口至遠處，並往外擴 散與外界氧化物燃燒反應，擴散火焰通常形成於對流 流動微弱的區域，因此，火焰長度長且易受外在干擾 而搖曳擺動。本生燈雙層火焰的外層擴散火焰，因為 內層富燃料預混火焰所賸餘的燃料少，擴散能力弱，
外界氧化物因而得以擴散進入噴流內部，在內層預混 火焰的伴隨下，存活於對流流動稍強處，所以火焰長 度較短且穩定。當然，此時的內層富燃料預混火焰是 滯留在對流流動較強處，通常靠近勢流錐或在勢流錐 內部，顯示預混火焰的動態平衡特性。亦即預混火焰 的傳播速度和流體流速相互平衡的位置，就是預混火 焰面的滯留位置。
預混火焰的火焰傳播速度代表著預混火焰的動態 行為。我們試想，在靜止的燃料和空氣預混流場中，
一片點燃的預混火焰面，往四面八方掃過去，就好像 一顆石頭丟進靜止的水塘，一片漣漪往四面八方傳遞 出去一樣。顯然地，預混火焰面具有類似水波的動態 行為，我們常稱之為火焰波。火焰波的傳遞速度就是 火焰傳播速度，通常是等速的，其大小主要取決於預 混氣的混合比，通常火焰溫度高就代表火焰傳播速度 快。常見氣態燃料的預混火焰傳播速度，在層流狀態 時約為1公尺 秒，而紊流狀態時可達 10公尺 秒以 上。預混火焰面和擴散火焰面一樣，火焰面溫度高，
熱量往上游傳遞，促使新鮮預混氣的燃料和氧化物化 學分解，而分解所得的中間型分子擴散進入火焰面而 燃燒，因此火焰面出現往上游移動的特性，是為火焰 波。當然，也顯示出預混火焰吃掉新鮮預混氣的能 力。
包子的狗代表著火焰波的動態行為。我們若進一步期 望狗能停在固定位置不動，就必須源源不斷供應包子 給狗吃，而且是每秒丟五個包子給狗吃，這就是火焰 波的動態平衡，亦即，新鮮預混氣流向火焰面的流 速（丟包子的速度）必須和火焰的傳播速度（狗吃包 子的速度）相等。由此可見，本生燈內層預混火焰的 滯留位置，其流體流速必須和火焰傳播速度達到動態 平衡。
再繼續思考狗吃包子的問題，當我們供應包子的 速度超過狗吃包子的速度，這隻狗將吃不消而往後 退，以減緩承受包子的時間。反之，丟包子的速度太 慢，吃不到包子的狗會往前移，期望儘快吃到包子。
當流體流速大於火焰傳播速度時，就好像狗因吃不消 而往後退的情形，預混火焰面會往流場下游的低速區 移動，過大的流速最後將預混火焰面推離流場而消 失，這就是預混火焰的吹離現象，瓦斯爐的浮火是常 見的實例。
反向思考，當流體流速小於火焰傳播速度時，預 混火焰面就像吃不到包子的狗會往流場上游的高速區 移動，流速太小，預混火焰面將燒進去噴口，這就是 預混火焰的回火現象。我們關閉瓦斯爐火時，瞬間切 斷瓦斯供應源，使得瓦斯爐開關和爐面間的瓦斯失去 流動特性，瓦斯爐火因此產生回火，火焰焠擊在瓦斯 爐面產生音爆。通常瓦斯爐面的噴口很小，可以熄滅 回燒的火焰。
最後，略加說明火焰的焰色。前面提及的黃色火 焰肇因於火焰高溫區中存有大量的碳顆粒，至於藍色 火焰的火焰高溫區擁有較多的中間型分子，如一氧化 碳分子、氫氧及碳氫自由基等，因而表現出藍色偏紫 的顏色。火災現場常見的紅色火焰則代表火焰高溫區 存在大量的水分子，因而呈現紅色。 □
林大惠
成功大學機械工程學系
