优质|燃烧需要氧气,而太空中没氧气,为何太阳可以燃烧45.7亿年之久?

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太阳,是银河系边陲地带的一颗黄矮星,但也是我们太阳系的主恒星,它的质量占了整个太阳系总体质量的99.86%,在45.7亿年的时间里持续燃烧,源源不断地给各大行星输送热量。

但你有没有想过一个问题,空旷的太空中几乎没有氧气,太阳是怎么持续燃烧这么久的?我们先来简单了解一下燃烧的原理:

在标准的燃烧中,比如木材的燃烧,燃料中的碳原子与空气中的氧原子结合,生成二氧化碳和一氧化碳,同时燃料中的氢原子与氧原子结合形成水分子,这个过程会不断地向外释放能量,直到火焰熄灭。在木材燃烧中还经常会发生其他化学反应,但主要是碳和氢的燃烧。

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这种燃烧释放出的能量是我们体验到的火焰发出的热和光。我们在日常生活中看到的大多数火焰都是这样的燃烧:篝火、蜡烛火焰、烧烤架、森林大火、煤气炉、发动机中的汽油燃烧等。这样的燃烧需要氧气,一旦没有氧气,燃烧就会停止。

当科学家们测量每秒地球从太阳接收到的能量时,发现它大约是1353千瓦/每平方米。地球很大,其表面积是5.1亿平方公里,所以显得每平方米接收到的热量很少,但如果能把所有的热量都集中到美国(937万平方公里),那么整个美国每秒接收到的热量大约是125万亿瓦,在这个热量之下,可能汽车都会被晒融化。

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但那只是地球接收到的能量,实际上太阳在每一秒钟发出的能量,绝大部分都没有击中地球。在每一秒钟,地球接收到的能量只占了太阳发出的总能量的22亿分之一,如果要计算一下太阳每一秒钟发出的总能量,你会得到一个难以想象的巨大数字:3.846×10^26瓦。

以上只是想让大家更形象地理解太阳发出的能量之巨大。现在我们再来谈一下燃烧,每种燃料的燃烧方式都不同,但平均而言,每燃烧一千克燃料,有机燃料会释放约40兆焦耳的热量。这意味着,如果你每秒燃烧一公斤燃料,你将得到40000000瓦的能量。

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那么,我们每秒需要燃烧多少公斤的燃料才能产生太阳的能量呢?需要大约9.615 x 10^18千克的燃料。而太阳的质量不到2 x 10^30千克,这个质量除以9.615 x 10^18得到的结果大约是2000亿秒,时间单位换算成年则大约是7000年。也就是说,如果太阳像普通的燃料一样进行化学燃烧的话,那么它只能持续燃烧7000年,这明显不合理,因为我们的太阳已经存在了45.7亿年了!

实际上,太阳的燃烧并不需要氧气,它的燃烧不是化学燃烧,而是核聚变。不要把太阳看成一颗煤球,它更像一颗巨大的氢弹。

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原子核融合在一起,形成新的、更大的原子核,原子核的变化会使原子成为一种新的元素,这就是核聚变的最简单的解释。核聚变不需要氧气,事实上,你根本不需要任何其他助燃剂。你只需要足够的压力或热量来挤压原子核,使它们足够靠近,从而克服静电斥力,结合成一个原子核。

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在核聚变过程中,原子核的质量会出现衰减,衰减的这部分质量会转化成巨大的能量。根据爱因斯坦提出的质能方程E=mC^2,E代表能量,m代表质量,C是光速,约3×105千米/秒。简单换算一下,一截粉笔头的质量如果全部转化为能量,足够以让整个地球的人烧100年的开水。

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在氢弹爆炸过程中,强烈的压力和温度由其他类型的炸药提供,继而引爆氢弹。在托卡马克核聚变反应堆中,强烈的压力和温度由磁约束场、电磁波的插入和高能粒子的注入提供。而在恒星中,强烈的压力和温度是由重力提供的。

恒星的质量如此之大,以至于该质量产生的引力将恒星外部的物质向内挤压,足以点燃核聚变。恒星的核聚变释放出巨大的能量,我们最终体验到的是太阳光。聚变释放的能量也有助于维持核聚变反应。我们太阳的核心温度为1600万开尔文,核心压力为每平方米25000万亿牛顿。太阳由于核聚变而变得如此炽热,它会发光,就像一块金属在加热时发出红色的光一样。

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原则上,任何两个原子核都可以融合成一个原子核。然而,氢是最容易融合(并且从中释放的能量最多),它还是电磁斥力很小的原子核,因为它们几乎没有电荷。在恒星中,发生的大部分聚变是氢与自身或其他轻元素的聚变。由于重力提供了点燃恒星核聚变的压力,而且重力是由质量引起的,所以你所需要的只是足够多的氢,就能使燃烧。

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聚变产生的能量是普通的化学燃烧的数十亿倍。这使得太阳的照射时间延长了数百万倍。因此,太阳已经持续了45.7亿年左右,而且它还会继续燃烧四五十亿年才会熄灭。

综上,我们知道,太阳的燃烧并不需要氧气,它只需要足够大的质量来产生足够大的重力,还有足够多的氢,就能源源不断地发生核聚变,就能源源不断地燃烧并向外发散能量。

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