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作者：中科院物理所新媒體(ti) 中心

審核：羅會(hui) 仟 中國科學院物理研究所 副研究員

隆冬時節，最幸福的情景之一不過就是和朋友們(men) 一起吃上一頓火鍋子，若是碰巧遇到外麵雪花紛飛，坐在屋裏窗邊的你們(men) 享受著美食與(yu) 暖氣，滿懷欣喜地等待著這一份饕餮，火鍋的霧氣扶搖直上，這一切看起來就更是十分美好了。

然而，正當你享受這樣一份安逸的美好時光時，那鍋裏的霧氣卻不知為(wei) 何一個(ge) 勁兒(er) 的往你臉上湊。

沒辦法，戴著眼鏡的你站起身，雖然十分不情願，但也無可奈何地挪了個(ge) 位置，企盼用自己對霧氣的妥協換一份長久的安逸，你又坐了下來，臉上重新浮現出幸福的笑容，然而，就在這時，那股霧氣不知怎的又突然像對你著迷似的追了過來，這次，你終於(yu) 惱了，開始抱怨，為(wei) 什麽(me) 自己在哪邊煙霧就往哪邊，你放下筷子，打算（叫小編）開始（幫你）思考這個(ge) 煩人的問題：難道自己上輩子是個(ge) 抽油煙機嗎？

不不不，其實類似的問題也會(hui) 發生在野外燒烤的過程中，就比如，下麵的情形看似很美好：

但是，慢慢開始，情形變得難以控製：

每每發生這樣的事情，一起燒烤的周圍小夥(huo) 伴都會(hui) 開始納悶，難道同行的人都被下了詛咒？還是自己是轉世煙神？

不，我們(men) 不信玄學，我們(men) 信的是科學，詛咒可以被打破，但是物理法則則不會(hui) 。今天就由小編來和大家討論一下為(wei) 什麽(me) 普天之下會(hui) 有這種“俺也一樣”的無奈事情發生，以及，如何才能優(you) 雅的野外BBQ呢？

首先，為(wei) 什麽(me) 會(hui) 產(chan) 生煙霧呢？我們(men) 可以把煙霧當作是可燃物（比如木頭）燃燒時未完全燃燒顆粒（包括固體(ti) 顆粒、小液滴和氣體(ti) 等）的集合。因為(wei) 這些顆粒都太小了，小到眼睛無法直接看清，當它們(men) 聚集在一起時，我們(men) 就會(hui) 將它們(men) 視為(wei) 煙霧。

與(yu) 此同時，燃燒還會(hui) 釋放大量的熱量，附近的空氣分子吸收了其中的熱量並開始加速移動。

由於(yu) 溫度隻是表征物體(ti) 冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體(ti) 分子熱運動的劇烈程度，宏觀上表現出來就是意味著，火焰周圍的空氣開始升溫。靠的近的這些已升溫的空氣分子動能大與(yu) 靠的遠的還在慢悠悠運動的鄰居分子發生碰撞，並將這些鄰居送到運動方向相反的遠方。

於(yu) 是乎，火焰附近就會(hui) 騰出一片空間來，讓靠近熱源附近的熱空氣繼續膨脹，這一連串的連鎖反應事件導致了火焰附近的空氣密度要比它稍遠一點的周圍空氣密度小。可能又會(hui) 有小夥(huo) 伴想問，這又是因為(wei) 什麽(me) 呢？

我們(men) 可以回憶一下初中二年級就學過的理想氣體(ti) 定律：

pV=nRT

其中，p、V、T分別代表壓力、體(ti) 積和溫度，n是物質的量，R是理想氣體(ti) 常數，應用到這個(ge) 場景近似可以看出，在其他條件相同的情況下，較熱的空氣比較冷的空氣密度小。

我們(men) 常聽說的低密度的氣體(ti) 會(hui) 容易上升這樣看來確實也是可以解釋的通了。

就比如說，通常我們(men) 會(hui) 認為(wei) ，在冬天，一棟樓的較高層普遍會(hui) 比較低層給人的感覺要暖和，就是因為(wei) 冷空氣比暖空氣密度大，所以它停留在底部，而暖空氣上升。

再比如說，我們(men) 還經常會(hui) 看到的，裝滿氦氣的氣球會(hui) 很容易就飛走，也是因為(wei) 氦氣的密度低於(yu) 我們(men) 空氣中的氣體(ti) ，這意味著同樣大小的氦氣球比空氣球輕。密度的差異是氣球漂浮的關(guan) 鍵。

但是關(guan) 鍵是，我們(men) 以上所討論的，隻是意味著密度較低的空氣會(hui) 上升就是因為(wei) 它的密度較低。那更加深層次細致嚴(yan) 謹的東(dong) 西可能還需要請出老客人牛頓大人。

牛頓第一定律告訴我們(men) ：除非一個(ge) 物體(ti) 受到外力作用，那麽(me) ，“靜止的物體(ti) 將傾(qing) 向於(yu) 保持靜止，而運動的物體(ti) 傾(qing) 向於(yu) 保持運動”。這就是為(wei) 什麽(me) 僅(jin) 降低空氣密度不足以導致空氣上升，必須有另一個(ge) 力被施加才能開始向上運動。這個(ge) 還需要參與(yu) 進來的力就是重力。我們(men) 很容易理解的是，重力是可以將更冷、更稠密的空氣拉向地球表麵的，但是在這過程中，還有密度較大的空氣也會(hui) 到達地球表麵，它會(hui) 霸道地擴散到四周，這樣的話同時會(hui) 削弱密度較小的空氣，於(yu) 是乎，這些“能力不足”的密度較小的空氣就會(hui) 被迫上升。當然啦，這個(ge) 過程在這裏隻是一個(ge) 簡單的大致敘述。

這麽(me) 一來的話，再看氣球就恍然大悟啦，是氣球和其中的空氣被重力向下拉，同時有氣壓試圖將氣球向上推，但這不足以克服重力，那麽(me) 氣球就會(hui) 墜落。但是，當用氦氣（比空氣輕得多）代替空氣時，氣球重力變小，以至於(yu) 氣壓可以輕而易舉(ju) 就將它推起來。

回來繼續吃燒烤，我們(men) 前麵說到，火周圍的熱空氣比它稍遠處的空氣密度要小。重力把它拉下來的程度小於(yu) 周圍空氣把它推上去的程度，這樣的話這些煙霧就會(hui) 升入天空，這就是所謂的對流。因為(wei) 流體(ti) 的熱導率很小，通過熱傳(chuan) 導傳(chuan) 遞的熱量很少，所以這就是其主要的傳(chuan) 熱方式了。對流會(hui) 出現在非常多的地方，它發生在太陽上、地球上，同時也會(hui) 發生在你的烤箱裏。

但是在燒烤過程中，上升的空氣並不隻是自己上升，它還會(hui) 被周圍的空氣所推動，因為(wei) 當熱空氣從(cong) 火上移開時，推著它的空氣，繼續前進，填補熱空氣走後留下的空白，這也就是你所在的地方。

你是不是就納悶了，怎麽(me) 我坐著不動還有問題了嘛？確實，你惹火了。因為(wei) **你在那裏就類似一堵牆，這阻礙你所處區域的正常空氣流動****。**如果你不在那個(ge) 地方，來自你所坐位置的空氣和其他周邊空氣一樣，整個(ge) 大部隊將在火堆處匯合。但你在那裏的話身體(ti) 就會(hui) 阻止你身後的空氣不會(hui) 向火堆移動。因此，燃燒的火產(chan) 生的煙霧將開始向低壓區域的方向移動，也就是與(yu) 你相對方向的空氣就會(hui) 徑直朝你走來。同時會(hui) 把火中的任何煙霧或煙塵一起帶過來。根本既然是你擋住了空氣，那麽(me) 你不管挪一下還是挪兩(liang) 下，效果都是一樣的沒有用，因為(wei) 移動到哪裏都會(hui) 擋住那邊方向的空氣，給人的印象就像是煙霧一直在跟著你。

特別地，如果你們(men) 是一群人呆在一個(ge) 地方，那就意味著更多的人會(hui) 阻止空氣流動，也即會(hui) 形成更大的真空區域。這麽(me) 一看的話，煙霧如次鍾愛你的謎題就解釋的通了。

那麽(me) ，我們(men) 應該怎麽(me) 做才能有效地避免這個(ge) 問題呢？

首先，第一個(ge) 方法叫做舍己為(wei) 人法。你可以（裝作）發揚精神，請求自己一個(ge) 人呆在一邊，安排其他人在其他方向就坐。但是這樣有一個(ge) 問題就是，慢慢的他們(men) 發現你那邊的煙霧好像看起來更小一點，所以都來你那邊避難，結果那是可想而知的，隻能帶來的是全員受難的境地。

第二個(ge) 方法可以稱之為(wei) 眾(zhong) 生平等原則。我建議你每次野外燒烤時就隨身攜帶一個(ge) 量角器，既然我們(men) 說一個(ge) 人坐在一個(ge) 方向會(hui) 導致產(chan) 生真空區域，那幹脆擺爛（bushi），直接精確到每個(ge) 相同間隔方向都坐一個(ge) 人，這樣的話，四麵八方的的等量空氣被擋住，也就不存在哪一邊的真空更嚴(yan) 重一些了。

那第三個(ge) 方法呢，可以叫做煙是原罪理論。具體(ti) 點來說就是直接防煙，我們(men) 在前文中不是已經提到了煙的形成機製，這樣的話，如果你想避免在燒烤時讓那些煙霧進入你的眼睛和肺部，就可以從(cong) 源頭做起，一開始就不讓它產(chan) 生。這樣的話最起碼得到的結果也不過是真空導致輸送過來的是溫暖的空氣而不是有害的煙。那依據前文地理論，為(wei) 什麽(me) 會(hui) 有顆粒聚集物呢？那還不是因為(wei) 火溫度不夠，還有就是因為(wei) 沒有足夠的氧氣。在這裏我們(men) 從(cong) 第二個(ge) 因素下手，找一找可以進去更多氧氣的方法，讓可燃物燃燒充分。具體(ti) 來說，可以采用類似如下的方式搭火堆：

其實實在不行那幹脆直接用無煙燃料，這樣大家想坐哪兒(er) 就可以坐哪兒(er) 。

相信讀了這篇文章以後，媽媽再也不用擔心你的戶外BBQ了！

參考資料：

[1]燃燒源可吸入顆粒物的物理化學特征[M]. 科學出版社 , 郝吉明, 2008

[2]傳(chuan) 熱學[M]. 科學出版社 , 張靖周, 2014

[3]熱學[M]. 人民教育出版社 , 李椿等 編, 1979

[4]艾薩克·牛頓著．王克迪，譯．自然哲學的數學原理[M]．西安：陝西人民出版社，2001.

[5]This is Why … Campfire Smoke Follows You Around

[6]Munson, Bruce R. (1990). Fundamentals of Fluid Mechanics. John Wiley & Sons

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