臺灣的節慶與化學：平溪天燈 陸冠輝 國立台中高級工業職業學校化工科 luhgh@tcts1.seed.net.tw   n  天燈的歷史 天燈又稱為孔明燈，最普遍的起源傳說是以三國為背景，劉備為了尋找一位智勇雙全的軍師，而與臥龍諸葛孔明結緣，而當時孔明發現自己的氣數已將盡，因此將竹框糊上紙並點燃，利用熱氣上升原理使其升空，不但安定了軍心，也使得敵軍看到了也不敢輕舉妄動，這就是最早的天燈起源。 另外，也有傳說天燈是諸葛孔明在征伐南蠻之時，為了要由城內向外傳遞軍情所發明的，後來也有人說，因為天燈的形狀很像是孔明在指揮作戰時所戴的帽子，所以這也是孔明燈的由來。 又有傳說是民眾要躲避盜匪，在山區避難的村民互報平安所施放的信號，因此天燈又稱為祈福燈。在日據時代，日軍佔領台北平溪十分寮地區，民眾紛紛跑到山中避難，同樣以天燈為信號，後來發展成施放天燈用來祈求平安，所以天燈也稱為平安燈。 n  平溪天燈的由來 天燈在台灣新北市平溪區十分地區的由來因時代久遠而眾說紛紜。有人說是孔明的後代為了不忘先祖，而在每年元宵節的前後施放天燈，用以感懷先祖。另外，也有十分地區的老前輩口述說，在清道光年間，當地居民地處偏僻山區，為了逃避盜匪的侵害而避難於山中，等待危機過後，就用天燈為信號，通知村民可以下山返家。後來，放天燈的儀式保留下來，用來慶祝並向鄰村的居民報平安，由於天燈的升空，有上達天聽的意義，村民們常將祈福、許願的詞句寫在天燈上，等到農曆年正月十五的元宵節施放天燈，將一年所想的願望，讓上天眾神保佑。每年元宵節，平溪天燈的活動規模漸大，也讓平溪天燈在台灣並列為「北天燈，南烽炮，東寒單」三大民俗之一的美名，成為地方民俗，具有祈福納喜的象徵，如圖1所示。 圖1：台灣平溪天燈節施放天燈 （圖片來源：Wudy老師，http://www.kphoto.com.tw/front/bin/ptdetail.phtml?Part=new353） n  天燈的製作和施放 天燈的製作大多以純手工進行，很難以機械化方式進行量產。其燈體的材料以棉紙或薄宣紙主，而削成細長形的條狀竹片，以綠竹和桂竹兩種彈性最好，其長度由天燈的圓周大小而定。底座所用的鐵絲，其長度和粗細也依天燈的大小而定。最後，油紙是以拜拜用的金紙為主，並用煤油或沙拉油加以浸泡，這也是天燈施放，升空的動力來源。然而為了方便遊客，販售的天燈皆為製作成品，有些以固體燃料當作燃料，遊客只須挑選喜愛的形式和顏色，即可帶至欲施放的地點。 天燈要施放時，要先準備幾張金紙浸泡於煤油或沙拉油中至完全浸油狀態，或直接用固體燃料，並在天燈上書寫一些祈願話語或加以彩繪。施放時最好三人一組，固定浸泡後的金紙或固體燃料在底座的鐵絲中央，並將金紙弄散以便充份燃燒。接著由兩人提起燈頭的四個角，另一人負責點燃油紙，最後放置天燈底部在地面上。當燃燒的熱空氣充滿在天燈的內部時，天燈就會隨即升上天空。 天燈的油紙或固體燃料的燃燒時間大約為五至六分鐘、其高度可升至五、六百公尺，施放時應在空曠且附近上空沒有電纜線等物的地方較佳，風力太大以及下雨時也要避免施放，以避免升高時會產生失敗的現象。最好由有經驗的師傅協助，若自行施放，易發生危險，應注意安全。 n  原理和概念 燃料、燃燒反應與熱值 煤油（Kerosene）是施放天燈時最常的和傳統的燃料，它是從石油分餾時，在160~300℃時所取得的烴類（hydrocarbons），它的密度約為0.78~0.81 。由於它是一種混合物，其每一分子的碳數約6~16個，而煤油芳烴類（aromatic hydrocarbons）含量適中，硫含量低，燃燒充分、火眼穩定、不會冒黑煙，不結火花，無明顯臭味，對環境污染小。煤油的燃燒熱類似於柴油，其低熱值（LHV）是43.1 MJ/kg，而其高熱值（HHV）是46.2 MJ/kg。 以煤油中的十二烷和十二烯為例，其燃燒反應如式[1]和[2]所示： 2C12H26(g) + 37O2(g) → 24CO2(g) + 26H2O(g)   [1] C12H24(g) + 18O2(g) → 12CO2(g) +12H2O(g)    [2] 以十二烷為例，假設天燈施放一次使用16 g的煤油，以其低熱值計算，其燃燒放出的熱量： 16 g × 43.1 MJ/kg = 16 g × […]

臺灣的節慶與化學：廟宇的過火儀式 陸冠輝 國立台中高級工業職業學校化工科 luhgh@tcts1.seed.net.tw   n  何謂「過火」？ 過火（Firewalking）是一種以赤腳的方式走過熱燙的木炭堆或石頭堆，這種儀式在全世界各地有一些人們或文化中在進行著，最早的過火儀式大約可以追溯至約紀元前1200年的印度鐵器時代，那是用來對個人力量及勇氣的測試儀式，也是對一個人在宗教上信念的檢定方式。過火在台灣是民間常見的一種廟會活動，藉由這樣的儀式，神明可以更新神力、強化神威，而信徒可以除穢氣去厄運、消災解禍。 從許多節目及影片中看見，過火不可否認是一項具有危險性的宗教儀式，也經常發生許多燙傷的意外事件，而一般民眾都把這樣的傷害原因歸咎於「不淨」所造成的，但這種說法亦存有諸多疑問，那些能夠腳踩著紅通通木炭的人們，為什麼一點事情也沒有，真的是神明有保佑呢？還是另有玄機呢？還是有科學的原理在其中呢？ n  過火的儀式 在台灣經常有過火的宗教活動，其中在宜蘭的二結鄉於每年農曆十一月十五日是古公三王中三王公誕辰都會照例舉辦盛大的過火儀式，筆者於2012年有機會與王公廟董事長張明華訪問時提到，這是二結地區最具特色的民俗活動，已被宜蘭縣政府列為無形文化資產。這裡過火所用的木炭高達一萬多台斤以上，是全國最具規模的過火儀式，也吸引了許多民眾來觀賞。 在事前的準備工作，首先要施法、勒符，這目的是用以維護火場安全，並且安定過火信徒的心理作用，如圖1所示。另外一個重要的儀式就是「摔鹽米」，這在宗教的信念中，「鹽」「米」分別代表著「雷電」和「火石」，具有驅逐惡煞的功能，因此廣泛應用於各種除煞的儀式中，如圖2所示。但經本人的實地觀察，過火活動所用的鹽是海鹽，也就是含有大量水分的粗鹽，而米也是有泡過水的處理，這在科學上都具有降低溫度，減低過火人員燙傷的可能性。 圖1：過火前，施法、勒符，以維護火場安全 圖2：過火時所用的鹽米（左）和摔鹽米（右） 張董事長說道：過火儀式是有一些禁忌的，例如事前要吃素三天、不近女色…等，這都顯示過火的神聖性。進行過火時會由執黑令旗者「開火路」衝過火堆，試探是否安全，然後神轎和信徒分別跑過火堆，如圖3所示。活動之後，不能親自參加過火的信眾也會帶著衣服在火堆上揮舞，祈求解消穢氣及厄運；甚至也有信眾取回灰燼，以庇佑宅第平安，如圖4所示。 圖3：神轎（左）和信徒（右）踏上炭火堆過火 圖4：信眾帶著衣服在火堆上揮舞（左）和取回灰燼（右），祈求平安 n  過火的科學原理 過火與熱的傳導 首先要了解熱的傳播有三種基本的途徑：「對流（convection）、輻射（radiation）、及傳導（conduction）」。 「對流」主要發生於氣體和液體，也就是流體，這是發生在密度大且較冷的流體取代密度小且較熱的流體之過程，也就是熱空氣上升，冷空氣下降的意思。在過火的儀式中，「對流」是不存在的，因為沒有任何的氣體或液體明顯地涉及其中。 「輻射」就像是電磁波一樣，不需要任何介質就可以進行的熱傳播，也就是過火時，周圍的人們會感受到炭火很燙的原因；然而，在實際的過火當中，「輻射」並沒有傳遞很多的熱量到腳上，因為在木炭上有一層薄薄的灰燼會阻隔輻射熱的傳遞，而且在過火時，腳掌與炭火的接觸時間是非常短的。 「傳導」是兩個物體相互接觸，熱量由高溫處傳遞至低溫處的現象。具體地說，金屬具有良好熱傳導性，既使著了火的木炭的非金屬是不良的熱傳體，大多數金屬的熱傳導度是非金屬如木炭或皮膚的幾千倍；再進一步地說，木炭的表面形狀是粗糙的，並沒有整個腳掌都接觸在炭火上，因此有技巧性地行走於炭火堆是可以避免燙傷的。 比熱和熱傳導性 下面有許多因素可以說明過火儀式的可行性： 1.        水是具有高比熱（1 cal/gž℃或4.184 J/gžK）的物質，而木炭的比熱是很低的，因此腳底（含有水）的溫度變化會比木炭來得小很多。 2.        水也是一種高熱傳導性的物質，與上一點結合說明，腳部的大量血液會帶走熱量並且傳遞散開來。從另一方面來說，木炭是低熱傳導性的物質，因此腳底部的皮膚只會接收到來自木炭的很少熱量。 3.        當炭火被降溫時，它的溫度就會低於閃火點（flash point），因此就會停止燃燒，也就不再有熱量產生了。 4.        過火時人們是不斷地在行走，並沒有在炭火上停留太長的時間。 萊頓弗羅斯特效應 在物理學中，有一個科學名詞「萊頓弗羅斯特效應（Leidenfrost effect）」，這是德國科學家Johann Gottlieb Leidentfrost在1756年發現的一種效應，當水滴落在溫度超過200℃滾燙的金屬板上時，水滴與金屬接觸的表面會瞬間蒸發產生蒸汽，蒸汽上浮的力量會托住水滴，使水滴懸空，讓水滴與金屬板之間產生隔熱效果（因水蒸汽的熱傳導率大約只有水的1/10），水滴反而不容易蒸散，大大地降低水滴沸騰的速率，如圖5和影片1所示。 圖5：萊頓弗羅斯特效應示意圖 影片1：The Leidenfrost Effect – Growing a droplet, YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=Kt1eRy8x_Us. 在民間的過火儀式中，人們可以跑過火紅的木炭堆有同樣的效應。燒得紅通通的炭火溫度（大約有六、七百度）遠遠超過水的沸點，過火者的腳底先保持潮濕，再快速地跑過炭火時，汽化的水會在腳底形成保護膜，使得熱量不容易傳到過火者的腳部，這樣就不會被燙傷了。萊頓弗羅斯特效應的原理，在探索頻道（Discovery）的「流言終結者」節目也做過類似的實驗，他們是拿香腸放入燒鎔的鉛中，當接觸時間控制得當時，香腸真的可放入高達454℃的熔鉛中而不會被煮熟。在日常生活中，廚師也常常利用這個原理來進行烹飪測試，就在炒鍋上灑了幾滴的水，如果會形成一顆顆的小水滴在炒鍋上跳來跳去，那麼表示溫度已經夠高了，可以開始炒菜囉。 炭火堆去水和紮實 […]