为什么蓝色火焰温度最高？
要理解这一点，我们需要深入探讨火焰的本质、燃烧过程以及影响火焰颜色的因素。
火焰的本质：光与热的交织
火焰并不是一个实体，它是高温气体在燃烧过程中发出的可见光和热辐射的集合体。当燃料与氧化剂（通常是空气中的氧气）发生化学反应时，会释放出能量。这些能量以热量的形式传递给周围的气体分子，使其获得能量并向外扩散。
同时，在燃烧过程中，会产生一些被激发态的分子、原子以及自由基。当这些粒子回到基态时，会以光子的形式释放能量，这就是我们看到的火焰发出的光。火焰的颜色，正是由这些发光粒子的种类和它们的电子跃迁能级决定的。
为什么有些火焰是蓝色的？
蓝色火焰最常见的例子是煤气灶上的蓝色火焰。这种蓝色火焰的产生，主要是因为在燃料（如天然气）与氧气充分混合并燃烧时，会产生一些CH (甲基) 和 C₂ (双碳) 等发光粒子。
CH (甲基) 的激发态粒子：当CH自由基在燃烧过程中被激发到更高的能量状态时，它们在回到基态时会发出波长较短的光，而波长较短的光在我们眼中就是蓝色的。
C₂ (双碳) 的激发态粒子：同样，C₂分子也被激发，在退激时也会发出蓝色的光。
更重要的是，充分燃烧能够产生更多的激发态粒子，并且这些粒子的能量更高，因此它们发出的光波长更短，呈现出蓝色。
为什么蓝色火焰通常被认为温度更高？
1. 充分燃烧与氧气供应： 蓝色火焰通常发生在燃料和氧化剂（氧气）混合充分且比例恰当的情况下。充足的氧气意味着燃料能够更完全地氧化，释放更多的化学能。这种高效的能量释放会导致周围气体分子温度升高，从而产生更强的热辐射。
举例：煤气灶的蓝色火焰。 当你打开燃气阀并点燃时，如果空气孔开得很大，燃气与空气充分混合，火焰就是蓝色的，并且你能感受到更强的热量。如果空气孔很小，燃气与空气混合不充分，火焰就会呈现出黄色或橙色，而且温度相对较低。
2. 内部能量传递效率： 在充分燃烧的蓝色火焰中，燃烧反应更集中，能量传递也更有效率。能量被快速地传递给气体分子，使其温度迅速升高。
3. 发光粒子的能量： 发出蓝色光的粒子（如CH、C₂）本身就与较高的反应能量有关。它们的生成和退激过程需要更高的能量输入，这也间接反映了燃烧过程的高能状态。
并非所有蓝色火焰都是最热的，且颜色与温度并非绝对线性关系
尽管蓝色火焰常与高温相关，但我们需要理解其中的细微差别：
火焰颜色受多种因素影响： 火焰的颜色并不仅仅取决于温度，还取决于发光物质的种类、浓度、燃烧区域以及光谱分布。
发光物质： 不同元素或分子在被激发时，会发出不同颜色的光。例如，铜盐燃烧会发出绿色火焰，锂盐会发出红色火焰，这些与温度本身关系不大，而是与元素特性有关。
灰尘和未燃烧的碳粒： 当燃烧不完全，产生许多未燃烧的碳粒（烟尘）时，这些碳粒会被加热到高温，发出黄、橙、红色的光（黑体辐射）。这些碳粒在高温下会辐射出更广泛的光谱，包括可见光中的大部分颜色，混合在一起就会呈现出黄色或橙色。黄色火焰通常表示燃烧不充分，温度可能相对较低，但其中未燃尽的碳粒本身可能处于高温状态，只不过整体传热效率不如蓝色火焰。
燃烧区域： 火焰的不同区域，其燃烧的充分程度和气体成分也不同，因此颜色也会有所差异。
最蓝的火焰不一定是温度最高的： 事实上，最热的火焰往往是透明或近乎无色的蓝色，并且带有紫色的色调。这是因为在极高的温度下，单原子气体（如O, H）的激发态粒子退激时会发出更短波长的光，甚至延伸到紫外区。 我们的眼睛无法看到紫外线，但可以看到极短波长的蓝色和紫色。当火焰非常纯净、没有任何杂质或未燃烧粒子时，它可能呈现出近乎无色的淡蓝色甚至淡紫色，这才是真正意味着极高温度的。
举例：氧炔焊炬的火焰。 氧炔焊炬使用氧气和乙炔燃烧，通过精确控制氧气和乙炔的比例，可以实现非常充分的燃烧，产生近乎无色、略带淡蓝色的火焰，其温度可以达到3000摄氏度以上，远高于普通煤气灶的蓝色火焰。
总结：蓝色火焰为什么“通常”温度最高？
蓝色火焰之所以常常被认为温度最高，是因为它代表了以下关键因素：
1. 充分燃烧： 燃料与氧气混合均匀且比例恰当，燃烧反应得以完全进行。
2. 高效能量释放： 燃烧过程释放的能量更多地转化为热能，并传递给气体分子。
3. 特定发光粒子： 产生如CH、C₂等激发态粒子，它们退激时发出蓝色光，并且它们的生成与高能量的燃烧过程相关。
但请记住，并不是所有蓝色火焰都是最热的。最热的火焰通常是近乎无色或淡蓝色的，这与火焰中发光粒子的种类和能量有关，而不是颜色本身在起决定性作用。 我们看到的火焰颜色是化学反应和物理发光过程的综合体现。
因此，当你看到煤气灶上的蓝色火焰时，可以理解为它的燃烧更充分，因此温度相对较高。但如果你想寻找最热的火焰，你需要关注火焰的纯净度、是否近乎无色或淡蓝色，以及它是否伴随极低的杂质和高效的传热。
网友意见
首先，蓝色火焰的温度不一定更高——比如蜡烛在燃烧时，底部是蓝色的但是温度却更低；但是有时蓝色火焰温度会更高，比如说本生灯不完全燃烧时火焰是黄色的，而完全燃烧则是蓝色的。我们需要来具体谈谈火焰颜色的机理。
专门为火焰颜色的解释做了一个视频哦，欢迎来看看点个赞
而实际上，火焰的颜色一共有两种贡献。第一种叫做黑体辐射——任何温度高于绝对零度的物体都会释放辐射[1]；第二种是电子辐射跃迁。
黑体辐射
我们先来讨论第一种黑体辐射。很多人都知道维恩位移公式[2]——黑体电磁辐射光谱辐射度的峰值波长与自身温度呈反比关系 ，其中b是常数。所以，从黑体辐射来看，温度越低，则颜色越偏红；反之，温度越高则越偏蓝。比如当纸张、木头燃烧时，其温度大约为1300 K[3]，此时对应的颜色就是黄色；而燃烧殆尽后的灰烬，温度降低至大约900 K，此时对应的颜色就是暗红色的。
这时候就会有人认为，根据维恩位移公式，当温度更高时，火焰就会变成蓝色的了，因为蓝色火焰温度最高。但是这种想法是错误的！实际上，根据CIE1931色度图和普朗克轨迹[4]，要达到10000 K以上的温度，黑体辐射颜色才是蓝色的。这在一些恒星上很容易达到，但是在日常生活中不可能实现的——比如温度最高之一的氧炔焰，温度也才3600 K左右[3]。也就是说，一般我们见到的火焰的黑体辐射颜色，就应该全是黄色的。所以，我们必须来讨论第二种发光机理——电子辐射跃迁。
电子辐射跃迁
当一些分子、原子或者自由基受激发后，其中的电子会跃迁到较高的不稳定能级；随后电子回到基态并释放一定频率的光子。这类发光机理在实验室中的一种应用就是焰色反应——大多数金属原子的发光都在可见光区域，并且都有自己的特征颜色，因此可以利用灼烧样品观察颜色来判断该样品中是否存在某种金属离子。Ca是砖红色，Cu是绿色，K是紫色，Li是洋红色，Na是金黄色，Ba是黄绿色[5]——利用这种性质，可以来制作五颜六色的焰火。
而当本生灯燃料燃烧时，或者前面提到的氧炔焰燃烧时，显然其中不会含有金属离子，可是为什么也是蓝色的呢？本生灯中的燃料成分是天然气（主要是甲烷）或者液化石油气（丙烷、丁烷等）[6]，而氧炔焰的燃料则是乙炔——这些燃料它们有一个共同点：它们都含有碳元素。在燃烧的过程中，会发生很多自由基反应，而这些含碳燃料则会生成很多含碳的自由基——比如CH或者C2[3]。而这些自由基的发射光谱就是在蓝光和绿光区域[7]，因此总体呈现蓝色。
这两种发光机理的讨论
那么在实际的燃烧过程中，颜色是由哪种机理所决定的呢？
第一种机理——黑体辐射——在有固态物质时会更加明显；而第二种机理，则在气态或者等离子体态时更加明显。下面让我来具体分析：
比如说对于蜡烛（成分主要是石蜡），在燃烧时，其底部是气化的烃类化合物燃烧，此时主要是气态，那么主要是第二种机理，因此呈现蓝色；随后因为燃烧不够充分，会产生煤烟（soot）——这些固体小颗粒逐渐上升并继续燃烧，而此时第一种机理占主导——煤烟由于黑体辐射而发出黄色的光，因而上部火焰呈黄色。
而本生灯利用低分子量烷烃燃烧，在空气充分的情况下很容易充分燃烧而不产生煤烟——因此充分燃烧时火焰仅呈现自由基发射光谱所表达的蓝色；而在空气不充分时，依然会产生煤烟，这也是为什么会呈现黄色。
氢气火焰颜色
看到这里，有些机智的朋友们可能会问，那么如果一种不含有碳且不会产生煤烟的燃料，比如氢气，燃烧时会是什么颜色的呢？实际上，很长的一段时间内，氢气火焰都被认为是无色透明的。后来科学家们发现实际上氢气火焰是呈极淡的蓝色的[8]——淡到正常情况下你就会觉得是无色的火焰。
参考
- ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%BB%91%E4%BD%93%E8%BE%90%E5%B0%84
- ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BB%B4%E6%81%A9%E4%BD%8D%E7%A7%BB%E5%AE%9A%E5%BE%8B
- ^ a b c https://en.wikipedia.org/wiki/Flame
- ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Planckian_locus
- ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%84%B0%E8%89%B2%E5%8F%8D%E5%BA%94
- ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Bunsen_burner
- ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Swan_band
- ^Visible emission of hydrogen flames, Combustion and Flame Volume 156, Issue 6, June 2009, Pages 1234-1241 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218009000170
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