孔明灯升空的热学原理是什么？

发布网友 发布时间：2022-02-26 12:12

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热心网友 时间：2022-02-26 13:42

孔明灯渊源

孔明灯又叫天灯，相传是由三国时的诸葛孔明（诸葛亮）所发明。当年，诸葛孔明被司马懿围困于阳平，无法派兵出城求救。孔明算准风向，制成会飘浮的纸灯笼，系上求救的讯息，其后果然脱险，于是后世就称这种灯笼为孔明灯。另一种说法则是这种灯笼的外形像诸葛孔明戴的帽子，因而得名。

现代人放孔明灯多作为祈福之用。男女老少亲手写下祝福的话语，象征丰收成功，幸福年年。

大约于清朝道光年间，由福建省惠安、安溪等县传入的台北县、平溪乡、十分寮地区，即基隆河的上游。据十分寮地区父老前辈的口述，早年于前清年间十分寮地区闹过土匪，由于地处山区，所以村民都向山中逃去，待土匪走后，留守在村中的人，就在夜间施放天灯作为信号，告知山上避难的村民，可以下山回家了，也借此种方式向村民报平安。由于当日由山上避难回家的日子，正是农历正月十五即元宵节，从此以后，每年的元宵节，十分寮地区的村民便以放天灯的仪式来庆祝，且向邻村的村民互报平安。也因此十分寮地区的村民又称天灯为“祈福灯”或“平安灯”。

孔明灯结构

孔明灯的结构可分为主体与支架两部分，主体大都以竹篦编成，次用棉纸或纸糊成灯罩，底部的支架则以竹削成的篦组成。孔明灯可大可小，可圆形也可长方形。一般的孔明灯是用竹片架成圆桶形，外面以薄白纸密密包围而开口朝下。

欲点灯升空时，在底部的支架中间绑上一块沾有煤油或花生油的粗布或金纸，放飞前将油点燃，灯内的火燃烧一阵后产生热空气，孔明灯便膨胀，放手后整个灯会冉冉飞升空，如果天气不错，底部的煤油烧完后孔明灯会自动下降。

孔明灯发明者

诸葛亮（181～234年），三国时杰出*家、军事家、战略家、散文家、外交家。字孔明，号卧龙。于汉灵帝光和四年（181年）出生于琅琊阳都（今山东沂南县）的一个官吏之家。诸葛氏是琅琊的望族，先祖诸葛丰曾在西汉元帝时做过司隶校尉（卫戍京师的长官）。诸葛亮父亲诸葛圭，字君贡，东汉末年做过泰山郡丞。诸葛亮3岁时母亲张氏病逝，8岁丧父，与弟弟诸葛均一起跟随由袁术任命为豫章太守的叔父诸葛玄到豫章赴任。东汉朝廷派朱皓取代了诸葛玄职务，诸葛玄就去投奔老朋友荆州牧刘表。

建安二年（197年），诸葛玄病逝。诸葛亮和弟弟失去了生活依靠，便移居南阳（①河南南阳卧龙岗；②湖北襄阳（现湖北襄樊）之西二十里隆中）隐居乡间耕种，维持生计。建安四年（199年），19岁的诸葛亮与友人徐庶等从师于水镜先生司马徽。

后为了消除诸葛亮隐居地一事留下的历史纷争，清代在河南南阳做知府的湖北襄阳人顾嘉蘅写道：“功在朝廷，原不分先主后主；名高天上，何须辨襄阳南阳。”

自制孔明灯

工具和材料：拷贝纸、裁纸刀、剪刀、尖嘴钳、棉线、工业酒精、502胶、电线、棉花、竹条。

注意事项：孔明灯必须要在无风的天气和空旷的场地上放飞，否则不但不能飞上天，而且可能会引起火灾。放飞时，需要2～3人的共同协力，强烈要求有成年人陪同。另外，可以在孔明灯底部拴上线，这样既可以重复放飞，又能控制起飞高度和范围，避免引起火灾。

步骤：

A.用裁纸刀将竹条削到厚薄3毫米以内，然后，把竹条弯成一个圈，用棉线或502胶固定。竹子有弹性，竹圈可能会不圆，可以用小火烤一烤，使竹圈固定成圆形。

B.用尖嘴钳把废电线外面的绝缘层去掉就可以得到细铜丝。不过，铜丝不能太细，否则容易烧断，可以用3根铜丝拧在一起避免这个问题。

C.用薄纸剪成一定规格的纸片。将第一张纸片的一边与第二张的一边粘在一起，再将第三张，第四张……依次同样粘上去，直到拼成一个两端漏空，直径约60厘米的球状物。再剪一张圆形薄纸片，把上面圆空口糊住。待干后，把气球吹胀，找一条薄而窄的竹条，弯成与下面洞口一样大小的竹圈，在竹圈内交叉两根互相垂直的细铁丝，并系牢在在竹圈上，再把竹圈粘牢在下面洞的纸边上，糊成的气球不能漏气。

D.把铜丝绑在竹圈两端，再把做好的灯罩粘在竹圈上。在铜丝上绑上棉花，浸上酒精，点燃后就可以放飞了。孔明灯不能太小，否则很难升上天。

放飞：

选择晴朗无风的夜晚，一人拿住灯底的左右侧，另一人用酒精将脱脂棉浸透后点燃，直到双手感到孔明灯有上升之势，即慢慢放开双手，孔明灯便徐徐飞起，上升高度可达1000米左右。

升空程序建议：

孔明灯的制作方法简单，但升空时受到场地与天气的影响较大。风大时易将灯体吹斜而使灯体烧毁，下雨时易将灯体淋湿而无法放飞，因此最好选在无风的时候施放。

（1）先将灯体撑开，并于四周与底部系上控制线。

（2）填装燃料。

（3）点火后，将进气口尽量压低，以减少热气流失，但亦不可过低，以免氧气不足而熄火。同时四周之控制线必须拉直。

（4）加热直至灯体内的热气温度足够后，四周控制线慢慢松开，以维持灯体稳定上升，而底部的控制线必须控制灯体上升之速度与高度。

（5）球体升空后可以线控制其高度、方向，亦可任其自由飘浮，至此升空完成。

孔明灯“会飞”的原因

孔明灯“会飞”的原因：燃料燃烧使周围空气温度升高，密度减小上升，从而排出孔明灯中原有空气，使自身重力变小，空气对它的浮力把它托了起来。

由阿塞米德定律可知，只有满足：

F浮＞G总=G热空气+G灯

即G灯＜F浮-G热空气

这时它才能上升，由此可知它的自重（包括外壶燃料的重力）要很轻才能起飞，轻到什么程度呢？

G灯＜F浮-G热空气=ρ空气gV排-ρ热空气gV

G灯＜（ρ空气-ρ热空气）gV排

m灯＜（ρ空气-ρ热空气）V排（1）

空气的密度可由理想气体状态方程得出。

可见其能否起飞由灯质量和气温、热空气温度和孔明灯容积共同决定。

具体数据估算如下：

设当天气温：T空气=300K（27℃）；大气压强：1标准大气压，p=1.01325×105Pa；孔明灯容积：V容=V排=0.2米×0.25米×0.4米=2×10-2米3；加热后的空气温度：T热空气=500K（227℃）；ρ空气=0.029千克/摩。

在上述条件下，孔明灯总质量在9.44克时，当热空气温度升到227℃时上升。

假设在上述条件下把孔明灯质量减轻成m灯=4g=4×10-3千克，则热空气温度只要升高到88℃，孔明灯即可上升。

仍按上述条件，若孔明灯质量m灯≥23.56克，则无论热空气温度升到多高也飞不起来。

由上面分析可知孔明灯要起飞，它的质量不能超过一定值，而且质量越小所需热空气温度越低，也就越容易起飞。

阿基米德定律

阿基米德定律是物理学中力学的一条基本原理。浸在液体里的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力。这条定律不但适用于液体，在气体中同样适用。