有时,雪茄并非只是雪茄

2014年 9月 10日

作为一名化学工程师,我实在无法只满足于享受吸雪茄的过程。在这篇博客中,我对雪茄进行了分解,研究了它的结构和内部化学反应区,还通过一个简单的模型演示了雪茄内温度与烟的分布及氧气浓度。

雪茄的分解、结构及反应区

吸雪茄时,我们首先会震撼于前面几口醇厚与浓烈的口感,接着,这种感觉又会因后面几口平和与安宁的口感而被进一步放大。撇开健康方面的问题不谈,我觉得吸雪茄是帮自己平静下来、并进入沉思的最佳方式。

在这浓烈的口感达到巅峰时,我总习惯于去看一下燃烧线是否笔直。有时,这会使我联想到雪茄中的燃烧、传递和反应。当口味趋于平和后,我经常会去欣赏烟气的样式,偶尔也会思考其中的流体力学。

下方是对雪茄的分解示意图,包括:雪茄的烟头、烟体、烟脚与茄帽;含烟芯、茄套以及茄衣的雪茄结构;以及吸雪茄时不同过程的发生区,例如燃烧、热裂解和蒸馏区(参考文献见“扩展阅读”部分)。

绘图显示了雪茄的结构与各过程区。
雪茄的分解、结构与各过程区。雪茄的核心即烟芯,茄套负责帮助维持雪茄的结构,茄衣包裹着茄套。吸雪茄前,会先切掉茄帽。我们希望能有一个细而直的燃烧线。

点燃后,雪茄达到伪稳态,并形成燃烧区;紧跟着燃烧区会形成热裂解区。

燃烧雪茄中的化学过程

吸雪茄时,氧气将通过对流和扩散传输至燃烧区,随即在燃烧过程被消耗掉。因此,只有贫氧气体才会到达燃烧区后的区域,并发生热裂解。在本区域,烟草中有机化合物将在无氧环境下发生热分解。热裂解的部分产物会汽化,其余部分则会进一步氧化,并随着燃烧和烟灰接近雪茄的烟头,最终变为燃烧区。这意味着热裂解区也将发生蒸馏

随着您吸入一口雪茄,热裂解区的汽化产物会随着烟气一起移向雪茄的烟头。当烟气到达烟头后,将冷却并被冷的烟草过滤。温度的降低会使烟气中部分合成物发生冷凝,形成气溶胶。所形成的小液滴中包括尼古丁,以及烟气主体中的大部分味道。由于茄衣处会渗入空气,并渗出一些一氧化碳,烟气被部分稀释。但这些过程都很缓慢,因为茄衣的透气性不高。

同样,我还发现烟草茄芯、茄套和茄衣的孔隙率不同。孔隙率决定了燃烧和热裂解区的形状。

什么影响了雪茄的形状?

燃烧区的形状进一步决定了您吸雪茄时它的燃烧形状。随着您吸入一口雪茄,靠近雪茄茄衣的边缘有较高的氧气传送,因此燃烧过程将加快。吸气之间,边缘处会因周围的空气而被更好地冷却,温度分布变得更均匀,雪茄中部的燃烧分布使燃烧区变得更均匀。

如果雪茄吸得过快,您会得到一个圆锥形,雪茄边缘的消耗速度快于中部。另一方面,如果雪茄吸得过慢,则将出现隧道形。为什么?因为在吸气之间,周围空气会更好地冷却边缘,所以雪茄中部的燃烧要快一些。点燃以及雪茄结构中的不完美之处也可能造成其他不均匀的燃烧效应,比如独木舟型飞跑型(您可以在以下页面获取更多有关燃烧问题的信息。)

个人而言,我认为隧道形是最糟的情况,因为它会降低温度,而且产生的烟气要少、质量较差。

雪茄仿真

下方显示了对一个简化模型的仿真结果,模拟了吸气中和吸气之间的雪茄。模型描述了燃烧与碳的形成,以及烟草的热裂解。我们还在模型中加入了氧气、烟雾,以及尼古丁的运输。当然,从化学的角度出发实际物理过程远比模型复杂,但您可以通过模型简单了解烟气中的温度分布与氧气浓度。

烟气的温度分布。
雪茄中的氧气浓度。
雪茄烟气中的温度分布(上)与氧气浓度(下)。吸入雪茄时,燃烧区中的氧气浓度会急剧下降。由茄衣造成的渗透仅贡献了一小部分。碳的燃烧是反应工程中一个经典的缩核问题示例。

请勿将雪茄烟吸入肺中

当雪茄烟的成分在口腔中溶解时,唾液会变为碱性。相反,香烟的烟气会使唾液变为酸性。在较低的 pH 值下,尼古丁被质子化,因此呈现电中性。另一方面,在较高的 pH 之下,尼古丁会丢失质子,并变为带有负电。带负电的离子更易穿透口腔内的细胞膜,相比之下,电中性的尼古丁则会被排斥。因此,我们无需也不应将雪茄的烟气吸入肺中;只需吸入口中,尼古丁就会被吸收,并随血液运到全身各处。

如前所述,在第一剂尼古丁加速并刺激了我们的思考之后,增加的尼古丁水平将带来平静而非最初那样的刺激。这一连串的事件称作奈斯比特悖论,以首次提出这一观点的科学家命名。

不仅仅是雪茄

也许您没注意到,我们的博客标题其实是一句引用(确切的说,是错误引用),“有时,一支雪茄仅仅是一支雪茄而已。”这句话最初来自西格蒙德·弗洛伊德 (Sigmund Freud),他总是在吸雪茄,人们根据他的理论认为这其中必然存在一种隐喻,其中必然存在一种隐喻,弗洛伊德就用这句话回应了该问题(如果您对他的理论不熟悉,可以点击Quote Investigator 网站“并非只是雪茄”网页,获取更多信息)。

描述吸雪茄的漫画。
吸雪茄时发生的复杂过程,以及烟气漂亮的图案,除了它背后的隐喻,有时,雪茄确实 不仅仅只是一支雪茄…

扩展阅读

  1. R.R. Baker, “Mechanisms of Smoke Formation and Delivery”, Tobacco Chemists’ Research Conference Symposium, 1980.
  2. Cigarette combustion science“.
  3. P. Ermala and L. Holsti, “On the Burning Temperatures of Tobacco”, Cancer Research,16:490-495, 1956.

免责声明:COMSOL 并不赞成吸烟,本文的目的仅是希望介绍调查科学和能够使用多物理场模拟的日常生活场景。

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评论 (2)

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攀 李
2018-01-17

萌 高
2019-05-06

请问哪里能找到这个案例吗?

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