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作者：中科院物理所新媒體中心

審核：羅會(huì)仟 中國科學(xué)院物理研究所 副研究員

隆冬時(shí)節(jié)，最幸福的情景之一不過就是和朋友們一起吃上一頓火鍋?zhàn)?，若是碰巧遇到外面雪花紛飛，坐在屋里窗邊的你們享受著美食與暖氣，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(dāng)你享受這樣一份安逸的美好時(shí)光時(shí)，那鍋里的霧氣卻不知為何一個(gè)勁兒的往你臉上湊。

沒辦法，戴著眼鏡的你站起身，雖然十分不情愿，但也無可奈何地挪了個(gè)位置，企盼用自己對(duì)霧氣的妥協(xié)換一份長(zhǎng)久的安逸，你又坐了下來，臉上重新浮現(xiàn)出幸福的笑容，然而，就在這時(shí)，那股霧氣不知怎的又突然像對(duì)你著迷似的追了過來，這次，你終于惱了，開始抱怨，為什么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(gè)煩人的問題：難道自己上輩子是個(gè)抽油煙機(jī)嗎？

不不不，其實(shí)類似的問題也會(huì)發(fā)生在野外燒烤的過程中，就比如，下面的情形看似很美好：

但是，慢慢開始，情形變得難以控制：

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

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

首先，為什么會(huì)產(chǎn)生煙霧呢？我們可以把煙霧當(dāng)作是可燃物（比如木頭）燃燒時(shí)未完全燃燒顆粒（包括固體顆粒、小液滴和氣體等）的集合。因?yàn)檫@些顆粒都太小了，小到眼睛無法直接看清，當(dāng)它們聚集在一起時(shí)，我們就會(huì)將它們視為煙霧。

與此同時(shí)，燃燒還會(huì)釋放大量的熱量，附近的空氣分子吸收了其中的熱量并開始加速移動(dòng)。

由于溫度只是表征物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，宏觀上表現(xiàn)出來就是意味著，火焰周圍的空氣開始升溫?？康慕倪@些已升溫的空氣分子動(dòng)能大與靠的遠(yuǎn)的還在慢悠悠運(yùn)動(dòng)的鄰居分子發(fā)生碰撞，并將這些鄰居送到運(yùn)動(dòng)方向相反的遠(yuǎn)方。

于是乎，火焰附近就會(huì)騰出一片空間來，讓靠近熱源附近的熱空氣繼續(xù)膨脹，這一連串的連鎖反應(yīng)事件導(dǎo)致了火焰附近的空氣密度要比它稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的周圍空氣密度小?？赡苡謺?huì)有小伙伴想問，這又是因?yàn)槭裁茨兀?/p>

我們可以回憶一下初中二年級(jí)就學(xué)過的理想氣體定律：

pV=nRT

其中，p、V、T分別代表壓力、體積和溫度，n是物質(zhì)的量，R是理想氣體常數(shù)，應(yīng)用到這個(gè)場(chǎng)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。

我們常聽說的低密度的氣體會(huì)容易上升這樣看來確實(shí)也是可以解釋的通了。

就比如說，通常我們會(huì)認(rèn)為，在冬天，一棟樓的較高層普遍會(huì)比較低層給人的感覺要暖和，就是因?yàn)槔淇諝獗扰諝饷芏却?，所以它停留在底部，而暖空氣上升?/p>

再比如說，我們還經(jīng)常會(huì)看到的，裝滿氦氣的氣球會(huì)很容易就飛走，也是因?yàn)楹獾拿芏鹊陀谖覀兛諝庵械臍怏w，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(guān)鍵。

但是關(guān)鍵是，我們以上所討論的，只是意味著密度較低的空氣會(huì)上升就是因?yàn)樗拿芏容^低。那更加深層次細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臇|西可能還需要請(qǐng)出老客人牛頓大人。

牛頓第一定律告訴我們：除非一個(gè)物體受到外力作用，那么，“靜止的物體將傾向于保持靜止，而運(yùn)動(dòng)的物體傾向于保持運(yùn)動(dòng)”。這就是為什么僅降低空氣密度不足以導(dǎo)致空氣上升，必須有另一個(gè)力被施加才能開始向上運(yùn)動(dòng)。這個(gè)還需要參與進(jìn)來的力就是重力。我們很容易理解的是，重力是可以將更冷、更稠密的空氣拉向地球表面的，但是在這過程中，還有密度較大的空氣也會(huì)到達(dá)地球表面，它會(huì)霸道地?cái)U(kuò)散到四周，這樣的話同時(shí)會(huì)削弱密度較小的空氣，于是乎，這些“能力不足”的密度較小的空氣就會(huì)被迫上升。當(dāng)然啦，這個(gè)過程在這里只是一個(gè)簡(jiǎn)單的大致敘述。

這么一來的話，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(shí)有氣壓試圖將氣球向上推，但這不足以克服重力，那么氣球就會(huì)墜落。但是，當(dāng)用氦氣（比空氣輕得多）代替空氣時(shí)，氣球重力變小，以至于氣壓可以輕而易舉就將它推起來。

回來繼續(xù)吃燒烤，我們前面說到，火周圍的熱空氣比它稍遠(yuǎn)處的空氣密度要小。重力把它拉下來的程度小于周圍空氣把它推上去的程度，這樣的話這些煙霧就會(huì)升入天空，這就是所謂的對(duì)流。因?yàn)榱黧w的熱導(dǎo)率很小，通過熱傳導(dǎo)傳遞的熱量很少，所以這就是其主要的傳熱方式了。對(duì)流會(huì)出現(xiàn)在非常多的地方，它發(fā)生在太陽上、地球上，同時(shí)也會(huì)發(fā)生在你的烤箱里。

但是在燒烤過程中，上升的空氣并不只是自己上升，它還會(huì)被周圍的空氣所推動(dòng)，因?yàn)楫?dāng)熱空氣從火上移開時(shí)，推著它的空氣，繼續(xù)前進(jìn)，填補(bǔ)熱空氣走后留下的空白，這也就是你所在的地方。

你是不是就納悶了，怎么我坐著不動(dòng)還有問題了嘛？確實(shí)，你惹火了。因?yàn)?*你在那里就類似一堵墻，這阻礙你所處區(qū)域的正?？諝饬鲃?dòng)****。**如果你不在那個(gè)地方，來自你所坐位置的空氣和其他周邊空氣一樣，整個(gè)大部隊(duì)將在火堆處匯合。但你在那里的話身體就會(huì)阻止你身后的空氣不會(huì)向火堆移動(dòng)。因此，燃燒的火產(chǎn)生的煙霧將開始向低壓區(qū)域的方向移動(dòng)，也就是與你相對(duì)方向的空氣就會(huì)徑直朝你走來。同時(shí)會(huì)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，那么你不管挪一下還是挪兩下，效果都是一樣的沒有用，因?yàn)橐苿?dòng)到哪里都會(huì)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，如果你們是一群人呆在一個(gè)地方，那就意味著更多的人會(huì)阻止空氣流動(dòng)，也即會(huì)形成更大的真空區(qū)域。這么一看的話，煙霧如次鐘愛你的謎題就解釋的通了。

那么，我們應(yīng)該怎么做才能有效地避免這個(gè)問題呢？

首先，第一個(gè)方法叫做舍己為人法。你可以（裝作）發(fā)揚(yáng)精神，請(qǐng)求自己一個(gè)人呆在一邊，安排其他人在其他方向就坐。但是這樣有一個(gè)問題就是，慢慢的他們發(fā)現(xiàn)你那邊的煙霧好像看起來更小一點(diǎn)，所以都來你那邊避難，結(jié)果那是可想而知的，只能帶來的是全員受難的境地。

第二個(gè)方法可以稱之為眾生平等原則。我建議你每次野外燒烤時(shí)就隨身攜帶一個(gè)量角器，既然我們說一個(gè)人坐在一個(gè)方向會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生真空區(qū)域，那干脆擺爛（bushi），直接精確到每個(gè)相同間隔方向都坐一個(gè)人，這樣的話，四面八方的的等量空氣被擋住，也就不存在哪一邊的真空更嚴(yán)重一些了。

那第三個(gè)方法呢，可以叫做煙是原罪理論。具體點(diǎn)來說就是直接防煙，我們?cè)谇拔闹胁皇且呀?jīng)提到了煙的形成機(jī)制，這樣的話，如果你想避免在燒烤時(shí)讓那些煙霧進(jìn)入你的眼睛和肺部，就可以從源頭做起，一開始就不讓它產(chǎn)生。這樣的話最起碼得到的結(jié)果也不過是真空導(dǎo)致輸送過來的是溫暖的空氣而不是有害的煙。那依據(jù)前文地理論，為什么會(huì)有顆粒聚集物呢？那還不是因?yàn)榛饻囟炔粔颍€有就是因?yàn)闆]有足夠的氧氣。在這里我們從第二個(gè)因素下手，找一找可以進(jìn)去更多氧氣的方法，讓可燃物燃燒充分。具體來說，可以采用類似如下的方式搭火堆：

其實(shí)實(shí)在不行那干脆直接用無煙燃料，這樣大家想坐哪兒就可以坐哪兒。

相信讀了這篇文章以后，媽媽再也不用擔(dān)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(xué)特征[M]. 科學(xué)出版社 , 郝吉明, 2008

[2]傳熱學(xué)[M]. 科學(xué)出版社 , 張靖周, 2014

[3]熱學(xué)[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(xué)的數(shù)學(xué)原理[M]．西安：陜西人民出版社，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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