推荐语：球飞的这篇文章稍微有些烧脑，难能可贵的是他把火灾燃烧的化学过程与数理逻辑连接起来，尝试着揭示了其中的具象奥秘。尽管在禅哥看来，全文的思考实质上并未突破当下的理论，但这种思考以及描述方式已经相当难能可贵。球飞再次告诉读者，“烧得重的地方通常就是起火点”，这个结论其实是建立在通风状态相同、火灾荷载均匀、燃烧时间自由这3个前提之上的。研读此文，显然对于调查人员解释火场差异性会有很大帮助。

以下是正文。作者，饶球飞。为尊重原创，未作改动。

把火调论文写在祖国的大地上（二）

本文是从西部大比武2号现场引出的思考，笔者从热力学的角度出发，对火灾基础理论体系做进一步的丰满完善，欢迎广大同行批评指正。

消防工作的工作对象是火，不管是防火还是灭火，都需要把“火”的问题研究透，找到规律性的本质，方能有的放矢，这才是科学的方法。火的研究和利用贯穿了整个人类文明史，恩格斯在《反杜林论》中说道：“就世界性的解放作用而言，发明用火超过了蒸汽机，摩擦生火第一次使人支配了一种自然力，从而最终把人与动物分开。”在《自然辩证法》中他进一步提到“甚至可以把这种发现看作人类历史的开端。”所以说人类文明可以说源于火的发明和利用，对火和热的本质的探索推动了人类文明的发展进步。火灾调查科学作为研究火灾现象的一门边缘学科，只有把火和热的本质研究透彻，才能理解一些复杂的火灾现象，有助于调查人员查清火灾事实。

当前火灾调查理论体系建立在燃烧学、火灾动力学等学科基础上，而支撑燃烧学、火灾动力学的基础科学是完整的热力学，比如现在流行的FDS模拟分析的底层理论是热力学的能量守恒定律，也就是热力学第一定律。从点火的那一刻开始，火灾现场整个反应体系不到反应物质耗尽是不会停止的，整个过程是不可逆的，系统的熵增大到最终整个反应体系达到新的平衡态，这个过程严格遵循了热力学第二定理。

就连热力学中重要的概念“熵”这个词也是“火”字旁，足以说明“火”以及“火灾”的现象是严格遵循热力学的基本原理，反过来说，想要研究分析“火”以及“火灾”现象用热力学的理念和方法必然是有效的。

热力学有宏观研究方法和微观研究方法两种，其中宏观研究方法与当前的火灾调查理论具有共同性。宏观研究方法通过可以直接测量的物理量来描述研究对象的状态和物性，以大量的观察和实验所得经验定律为依据，经验定律是大量经验（观察和实验）的归纳总结，具有很强的可靠性。这与火灾调查理论具有相似之处，目前的火灾调查尤其是火场勘验的理论是大量火场观察的经验定律，也具有较强的可靠性。不同之处在于热力学从基本定律出发，应用逻辑推理和数学方法得到物质各种宏观特性之间的数理关系等结论，这是火灾调查理论包括火灾基础理论较为欠缺的。

打个比方说，木材的碳化深度除了相互比较的价值以外，能否有数理公式来确定碳化深度与燃烧时间、火场温度之间的定量关系，*****。等等诸如此类，当然这方面还有很长的路要走，但一定是发展的正确方向。正如马克思指出“一门科学，只有当它成功地运用数学时，才能达到真正完善的地步”。

热力学能量守恒法则指出：自然界一切物体都具有能量，能量具有不同的形式，它可以从一种形式转化为另一种形式，在转换中能量总量恒定不变。火灾现象可以看成是能量的一种转换现象，如住宅室内火灾就是化学能转化为热能，消耗的是室内固体可燃物所具有的化学能，主要生成热能以高温烟气的形式耗散在大气中；燃气泄露发生的爆炸事故则是燃气的化学能转化为热能和机械能等，热能以高温烟气耗散，机械能则是以冲击波对周围物品做功，体现为周边物品被破坏和抛散；当前发生较多的电动汽车火灾事故，则是因热失控电动车电池内的电能迅速转化为热能、光能等。

根据能量守恒定律，不管什么火灾或爆炸现象，所消耗的能量与转换的能量相等，如果把整个火灾或爆炸现场范围包括的更大一点，比如周围一定范围内所有的燃烧产物和大气，把这些全都看成一个体系的话，整个火场体系的总能量守恒。

用能量守恒的思路考虑火场的特性的话，就可以把一些问题用数学公式进行表达。

首先来定义体系，在一次燃烧反应中，点火源和可燃物应当作为同一体系来进行考量，也就是说，火柴把蜡烛点燃，应当把火柴和蜡烛两者作为一个对象体系进行考量。一般物质的燃烧需要具备燃烧三要素，用燃烧三角形表示。

但是这个三角形图示并没有表现出量的关系，仅仅表达了构成燃烧的三个条件，这对于描述火场来说是不够的。如果我们加入了数量的描述，也就是数学的表达，以M表示可燃物的量，单位为mol；以O表示氧气的量，单位为mol；以Q表示热量（温度是热量的一种度量），单位为J。那么燃烧三角形就可以变成如下图示，不同的物质燃烧就有了不同的燃烧三角形表述，一千种物质有一千个不同的燃烧三角形表达。

对于同一种物质M，在正常的空气供给的条件下，它的燃烧遵循化学反应式：

M+n O2→2/3 n(CO+CO2)+Q

也就是说物质的量M和氧气的量O以及生成的热量Q三者成一定的比例关系，区别在于边长（量）的大小，那么在燃烧三角形中，其内角是个定值。用如下的图例来表达：

举个通俗的例子来说明，张三吃香蕉三秒一口，一根香蕉吃完需要一分钟，吃黄瓜五秒一口，一根黄瓜吃完需要两分钟。麻烦你不要去注意张三，你把目光聚焦到黄瓜和香蕉之上，很明显黄瓜和香蕉被消耗的模式是不一样的。但如果张三分别吃一根20cm的黄瓜和2m黄瓜，虽然耗时不一样，但黄瓜被消耗的模式是一样的。

简单的燃烧三角形表达燃烧的构成条件，当加入数学量的概念以后，燃烧三角形就显得灵动起来，它可以描述任何一种燃烧反应的即时状态，而火灾这种自然现象本质上就是从起火时间开始到熄灭的一系列的燃烧反应，把横坐标作为时间坐标，纵坐标作为一个数量的坐标（实际上是一个三维坐标），把火灾从起火到熄灭之间做个时间切片，可以看到如图所示的情形：

可以看出火灾是由无数个时间节点的燃烧三角形堆砌而成，这里用沿着时间线推动燃烧三角形前进的箭头虚线表达未受抑制的链式反应，众所周知链式反应是能量的连锁传递，它一定是时间的函数，是燃烧得以递进发展的动力，因此在这个图上用带方向的箭头表达更为贴切，而之前教材中用燃烧四面体表达未受抑制的链式反应显得较为静止和孤立，无法体现时间的意义，笔者认为上图表达较为贴切。用之前的通俗比喻，这一个个燃烧三角形可以看成张三一口口吃下的黄瓜，当燃烧反应终止被消耗完的可燃物与氧气就是那只被吃完的黄瓜，所释放的热量就姑且看成消化能力极快的张三把吃下黄瓜迅速转化成的能量吧。

如果把这些三角形的边缘连接在一起，那么火灾这个现象在时间轴上以燃烧的三个要素以数量的方式表达出来就是一个两头尖中间粗的三角纺锤形。对于爆炸尤其是混合气的化学性爆炸，其本质是在极短的时间内发生了气相燃烧反应，在图形上就表现为一个三角铁饼状图形。

要理解该图形首先要把纵坐标想象成一个二维的面，而不是一维的轴，这个三角纺锤体每个面向都体现火灾的一个维度的参数的发展规律，比如说火场标准温升曲线就是在热量Q的维度的一种坐标系表述，同样的道理，我们可以得到火场标准可燃物消耗曲线和火场标准氧气消耗曲线。分别如下图所示：

对于火场标准可燃物消耗曲线中，某一时刻Tx对应可燃物燃烧速率为Vx,此时的曲线斜率Kx为此刻的可燃物燃烧加速度，代表了火势的猛烈程度。当火灾从起火开始到熄灭，可燃物的消耗从零复归于零，曲线内的阴影部分面积代表本次火灾燃烧的可燃物总量。同一次火灾中，空气（氧气）的消耗量与可燃物的消耗量成正比例关系，所以火场标准氧气消耗曲线与火场标准可燃物消耗曲线基本一致。

以上的标准曲线背景假设的是正常的一般建筑火灾现场，实际上，如果国内的科研单位条件允许，就可以做各种类型的可燃物燃烧试验，通过实验数据把横坐标和纵坐标建立数量上的关系，得到某一物质的标准燃烧消耗曲线。而氧气的消耗可以通过量化计算得出，单位上换算成立方米较为直观。

当然并非所有的火灾都严格遵循标准温升曲线（标准可燃物/氧气消耗曲线），实际上的火灾都是复杂的一个燃烧反应过程。我们再回到广元比武的2号现场，这就是一个典型的通风控制的火场，该火场的氧气和可燃物消耗曲线如下：

从上图可以看出，通风控制的火场不管是可燃物还是氧气的燃烧斜率小，表示可燃物或氧气消耗速率慢。途中阴影部分的面积为可燃物或氧气消耗的总量，如果一个火场的可燃物的量是相等的，那么可以得到明显的结论，通风控制的火场火灾延续时间更长，如此才能使阴影部分面积与正常通风状态下的火场相等。最典型的火场如密闭房间内发生的持续缓慢阴燃，由于供氧量不足，这个曲线极其低伏，导致火灾的持续时间很长很长。如果科研机构通过不同的开口面积进行火灾试验，可以得出数量化的通风控制条件下的可燃物/氧气消耗曲线，作为今后各种通风控制火场分析的基础。

综上，通过热力学的基本原理我们用几个主要因素和数学形式来描述火灾现象，整个坐标体系可能不是很完善，一些方面做了简化思考，具体的数量化更是完全没有涉足，目的是通过这种直角坐标的形式帮助人们理解火灾这个现象，目前的各种教材中有对燃烧现象的图形表述，但缺少对火灾现象的图形表述。而且以这种数学表达形式就具有了数理逻辑运算的基础，一些火场定律和公理可以通过逻辑运算得到结论，这改变了以往纯粹火灾调查中依靠经验定律的状态，笔者个人认为，这种形式的转换还是有一定意义的。

下面还是以广元比武2号火场为例来进行分析，以此来说明上述坐标图形在实际火场分析中的作用。首先，导致调查人员陷入思维困境的是“一般情况烧的重的部位就是起火部位或起火点”这条经验定律，比如公安部教材《火灾事故调查》p156，“国内外火调人员都能接受这一观点，并在实践中普遍运用，将局部烧的重并有蔓延痕迹的部位，确定为起火点”。

烧的重不重不就是可燃物消耗量的大小吗？按照我们新的思路和方法，不妨将上面的经验定律用以下公式表达：

M=V×T

可燃物消耗量=可燃物燃烧速率×火灾燃烧时间

以上公式哪里能得出起火点的概念呢？原来人们默认为同一火场内，最先起火点的燃烧时间更长，实际上这句话的意思是燃烧时间T越大的部位越接近于起火点。

T=M/V

很明显这个经验定律是有问题的，因为还有一个变量燃烧速率V，只有在燃烧速率V也相同的情况下，烧的重的部位才接近于起火点，还要排除燃烧时间长的情况，比如余火或复燃的部位。分别以2号火场餐厅和客厅为例：

M餐厅=V餐厅×T餐厅

M客厅=V客厅×T客厅

2号现场虽然整体火场都是通风控制的燃烧，但是餐厅通风状态明显好于客厅，餐厅近似于一般的标准火场，客厅由于外窗被封闭，成为通风控制的燃烧，其可燃物消耗曲线就显得不一样，根据前文所述的两种曲线，在时间Tx相同的情况下可知，可燃物消耗的速率V餐厅大于V客厅，导致M餐厅大于M客厅，因此宏观形态上餐厅燃烧程度比客厅重，这就不足为奇了。

因此通过数理公式逻辑推断，之前的经验定律存在一定的漏洞，可以通过火灾现象的科学理论进行补充完善，这样一来，调查人员可以避免走入一些思维误区，不至于出现像笔者一样到了2号现场一时蒙圈的情况，对于整体火场的分析把握就会更加全面准确。

禅哥简介：禅茶诗书，河北围场人，1998年毕业于河北建筑工程学院，中国科学院研究生院在职工程硕士学位，曾任武警学院外聘教官，现为全国火灾调查技术学术工作委员会委员、全国消防科普专家、火灾调查专家、海南省安全生产专家库专家。