前兩天在談火藥的文章里面有這樣的一個留言：

咱們得說說了。

首先鞭炮火藥里面帶點(diǎn)銀色是鋁粉和鎂粉，這是煙花爆竹的“添加劑”。

鋁粉作用是在鞭炮內(nèi)的火藥燃燒的時候提高氧化劑的利用率，讓爆炸的過程中釋放出更多的熱量。說得簡單一些就是鋁在燃燒的時候放出的熱量更高而且反應(yīng)更迅速。一般的計(jì)量法來計(jì)算一千克的鋁在燃燒中可以釋放出30兆焦耳的熱量，而一千克炭在燃燒的過程中會釋放出28兆焦耳熱量。我們看似一千克的鋁的燃燒熱量僅僅比木炭燃燒多了2兆焦耳，但是在一般計(jì)量的時候我們用作測算的單位是純碳。而且在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下氧氣的供應(yīng)量是無限量的。而在煙花爆竹中內(nèi)部氧化劑配給的封閉體系。氧不是無限的，而是按比例設(shè)計(jì)好的。如果我們加入一種高熱值燃料，同時也意味著要為它分配氧化劑。否則它并不能完全釋放理論熱值。所以這里的“提高氧化劑利用率”，并不是一個簡單的熱值對比問題，而是一個配比與反應(yīng)路徑的問題。

這里就牽扯到了一個反應(yīng)速率、壓力上升曲線、燃速穩(wěn)定性等多個變量。說得好理解一些例如我們都知道木頭和汽油都可以被點(diǎn)燃燃燒，但相同條件下顯然汽油要比木頭燃燒速度更快一些。鋁和碳也是如此。當(dāng)然了，這是一個顯而易見的例子，也就沒有多少人做量化研究了。但我們可以從另一個側(cè)面去看其他研究帶來的類比效果：

這是為了提高鋁熱劑性能在鋁粉中增加不同氧化物的實(shí)驗(yàn)對比數(shù)據(jù)。我們甚至可以發(fā)現(xiàn)增加了氧化銅和或者氧化鉍的燃燒已經(jīng)不是典型的鋁熱劑燃燒了，更像是爆炸，在極短的時間內(nèi)燒到了3000度，瞬間消耗掉所有氧化劑。這就是在含能材料的研究中經(jīng)常會涉及到的反應(yīng)動力學(xué)環(huán)節(jié)。

說回鋁粉在爆竹中的作用，爆竹發(fā)聲的本質(zhì)，是一個密閉空間內(nèi)氣體壓力在極短時間內(nèi)急劇上升并沖破外殼形成沖擊波。決定響度的核心指標(biāo)，并不是總能量，而是壓力上升曲線的陡峭程度。工程上更關(guān)注的是單位時間內(nèi)壓力增長速度，也就是壓力上升率。

當(dāng)黑火藥中加入鋁粉后，它并不是在低溫階段主導(dǎo)反應(yīng)，而是在整體溫度已經(jīng)被基礎(chǔ)火藥推高之后才進(jìn)入劇烈氧化階段。這個階段釋放的能量集中、時間尺度短，會使壓力曲線出現(xiàn)一個更尖銳的峰值。

這就像你用手慢慢把氣球放氣，和瞬間刺破氣球，聲音的差異來自“變化速度”，而不是氣球內(nèi)包含的“總能量”。

至于鎂粉被添加到爆竹里面其實(shí)是利用了鎂燃燒的時候不僅僅放熱還發(fā)強(qiáng)光的效果。這個原理和軍用照明彈的原理是相同的。

只不過軍用照明彈一般內(nèi)部都有緩燃劑而且含有的裝藥量更大可以持續(xù)工作幾分鐘，而不是像爆竹那樣閃一下就完事了。

那么為什么爆竹要加鎂粉閃那么一下呢？其實(shí)沒有人會在年夜飯后討論爆竹的TNT當(dāng)量，也沒有人去計(jì)算它釋放了多少兆焦耳。人判斷“響不響”“猛不猛”，靠的是兩個最直接的感官指標(biāo)：聲音的沖擊力和火光的亮度。

聲音來自壓力上升速率，火光來自高溫輻射。鋁粉讓壓力曲線更尖銳，鎂粉讓光輻射更刺眼。兩者疊加，就形成了“更猛”的主觀體驗(yàn)。

但這并不意味著爆竹的真實(shí)爆炸威力等比例放大。

這就進(jìn)入了一個很有意思的工程問題——含能體系并不總是圍繞“更大能量”設(shè)計(jì)，有時更多是在設(shè)計(jì)“能量呈現(xiàn)方式”。通過改變反應(yīng)路徑、壓縮時間尺度、強(qiáng)化光輻射，就可以在不顯著增加總能量的前提下，極大增強(qiáng)人的感官沖擊。換句話說，裝入鎂粉和鋁粉目的不是改變物理輸出極限，而是更改感知閾值。

帶點(diǎn)銀色的事情這樣就算是解釋完了吧？那么咱們再說中學(xué)課本上的火藥配方。

其實(shí)課本上具體寫的火藥配方是什么并不重要。說句大家可能感到驚詫的話——課本上的理論僅僅局限在學(xué)生當(dāng)前的知識水平上，嚴(yán)格意義上說課本上的理論基本上都是“錯誤”的。中學(xué)課本也好、大學(xué)課本也好本質(zhì)上并不是讓你學(xué)會做一件事，而是讓學(xué)生學(xué)會思考和理解問題的方式方法。我們在講杠桿的時候杠桿永遠(yuǎn)是剛性的，我們在講化學(xué)方程式的時候方程式兩端永遠(yuǎn)是純物質(zhì)。這些理想情況在現(xiàn)實(shí)生活中根本不會存在——錯就錯在了過于理想化。

例如：課本教你用一根5米長的杠桿取一米位置作為支點(diǎn)去撬動一輛40噸的坦克，只需要在杠桿長端施加10噸的力量就可以掀起坦克了。但真正做的時候，呵呵，杠桿會不會彎曲、支點(diǎn)會不會把地面壓陷、坦克和杠桿的接觸點(diǎn)會不會變形潰縮。其實(shí)在現(xiàn)實(shí)中哪有剛性材料存在，在工程視角中所有材料不是脆得像薯片就是軟得像面條。

在現(xiàn)實(shí)生活中你根本找不到一根初中物理書上能撬起坦克的杠桿，自然你也根本無法找到化學(xué)課本中嚴(yán)格按照一硝二硫三木炭可以配比出來的黑火藥。倒不是“課本保護(hù)青少年”，而是有些東西你知道個大概齊就得了，國家也沒真指望著青少年能造出黑火藥來。

其實(shí)吧，這個粉絲做的東西燃燒“很溫柔”就對了，在初中化學(xué)課本中沒有討論材料的吸濕率問題。在粉絲的案例中呈現(xiàn)的一個很典型特性和硝酸鉀含水份太高有關(guān)。

雖然工業(yè)級硝酸鉀本身屬于相對低吸濕性的鹽類，但“低吸濕”并不等于“不吸濕”。在高濕環(huán)境下長期存放，顆粒表面仍然會緩慢吸附水分，尤其是在沒有密封、防潮和恒濕控制條件的情況下。

一堆受潮的硝酸鉀

而在火工品生產(chǎn)領(lǐng)域，原料含水率是一個嚴(yán)格受控的參數(shù)。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)通常要求硝酸鉀的含水量控制在極低水平，常見控制指標(biāo)往往在千分之幾甚至更低的范圍內(nèi)。這樣的控制不是簡單晾曬就能解決的，而是依賴干燥設(shè)備、恒溫恒濕環(huán)境以及批次檢測流程。

含水率哪怕提升一個千分點(diǎn)，對反應(yīng)體系的影響都會是成倍放大的。因?yàn)樗植粌H改變熱平衡，還改變顆粒接觸狀態(tài)和反應(yīng)傳播路徑。

這里面有幾個原理性的事情得說，首先在反應(yīng)剛剛開始的時候，熱量并不只維持反應(yīng)的進(jìn)行，還會被材料中的水分吸收，甚至?xí)?yōu)先用于加熱并蒸發(fā)水分，而不是提升體系溫度。其次，顆粒間的接觸狀態(tài)也會被水分被改變，熱傳導(dǎo)路徑被打斷，反應(yīng)傳播被延緩。而且，水蒸氣會改變氣體膨脹曲線。尤其是在有限空間內(nèi)，水分既吸收熱量又參與膨脹，使壓力上升過程變得更緩和。

在真正軍用或者航天級火工品裝藥中水分的處理是一個相當(dāng)嚴(yán)格的規(guī)程，不僅僅由于水分可以讓燃燒劣化，而是水分本身就是常用的改變?nèi)紵?、爆燃、爆炸特性的調(diào)節(jié)劑。在含能材料體系中，水分的存在會改變熱容量、熱傳導(dǎo)路徑、點(diǎn)火延遲時間以及反應(yīng)傳播模式。哪怕極微量的水分變化，都可能讓體系從穩(wěn)定燃燒轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定燃燒，或者讓爆燃行為向更劇烈方向偏移。

正因?yàn)槿绱?，在高等級火工裝藥中，含水率控制往往被視為基礎(chǔ)參數(shù)之一。原料需要干燥、環(huán)境需要恒濕、裝填需要監(jiān)控、批次需要檢測。因?yàn)閷τ谝粋€追求可重復(fù)性和安全性的體系而言，變量必須被壓縮到極低范圍。

同時，在高等級火工體系中，材料的含水狀態(tài)并不是被動接受的變量，而是可以被主動調(diào)控的參數(shù)。

通過控制含水率，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)點(diǎn)火延遲、燃燒傳播速度以及壓力上升曲線的形態(tài)。水分的存在會改變體系的熱容量和熱傳導(dǎo)特性，從而對反應(yīng)前沿的推進(jìn)方式產(chǎn)生影響。

在某些應(yīng)用場景下，略微提高含水率可以讓反應(yīng)更加平緩、穩(wěn)定；而在需要更快速響應(yīng)的場景中，則會嚴(yán)格降低水分含量，以避免能量釋放被“拖慢”。

這時，似乎大家可以基本理解“水”的作用了，但是很遺憾，這是一個工程學(xué)領(lǐng)域的內(nèi)容了，并不是初中化學(xué)課中能討論的事情。因此化學(xué)課本還真不是保護(hù)青少年，而是保護(hù)學(xué)習(xí)成績的可達(dá)標(biāo)性。要不然讓初中生在考試的時候不僅僅要理解火藥的燃燒特性，還得理解水分的反應(yīng)動力學(xué)特性，甚至還要去理解水分汽化后帶來的額外的蒸汽壓力所產(chǎn)生的材料蠕變，這就不是考試了，而是難為人家青少年了。

如果真的能理解這一點(diǎn)，比糾結(jié)“一硝二硫三木炭對不對”要重要得多。