Candle Science

Tutte le cere sono essenzialmente idrocarburi, il che significa che sono in gran parte composti da atomi di idrogeno (H) e carbonio (C).

Quando si accende una candela, il calore della fiamma scioglie la cera vicino allo stoppino. Questa cera liquida viene poi aspirata dallo stoppino per azione capillare.

Il calore della fiamma vaporizza la cera liquida (la trasforma in un gas caldo), e comincia a scindere gli idrocarburi in molecole di idrogeno e carbonio. Queste molecole vaporizzate sono attirate verso l’alto nella fiamma, dove reagiscono con l’ossigeno dell’aria per creare calore, luce, vapore acqueo (H2O) e anidride carbonica (CO2).

Circa un quarto dell’energia creata dalla combustione di una candela è emessa come calore irradiato dalla fiamma in tutte le direzioni.

Si crea abbastanza calore da irradiare indietro e fondere più cera per continuare il processo di combustione fino a quando il combustibile si esaurisce o il calore viene eliminato.

Quando si accende una candela per la prima volta ci vogliono alcuni minuti perché questo processo di combustione si stabilizzi. La fiamma può sfarfallare o fumare un po’ all’inizio, ma una volta che il processo si è stabilizzato, la fiamma brucia in modo pulito e costante in una tranquilla forma a goccia, emettendo anidride carbonica e vapore acqueo.

Una fiamma di candela che brucia tranquillamente è una macchina di combustione molto efficiente. Ma se la fiamma riceve troppo poca o troppa aria o combustibile, può sfarfallare o accendersi e le particelle di carbonio non bruciate (fuliggine) sfuggono dalla fiamma prima di poter bruciare completamente.

Il filo di fumo che a volte si vede quando una candela sfarfalla è in realtà causato da particelle di fuliggine non bruciate che sono sfuggite dalla fiamma a causa della combustione incompleta.

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I colori della fiamma di una candela

Se guardi attentamente la fiamma di una candela, vedrai un’area blu alla base della fiamma. Sopra c’è una piccola sezione arancione-marrone scuro, e sopra c’è la grande regione gialla che associamo alle fiamme delle candele.

La zona blu ricca di ossigeno è dove le molecole di idrocarburi si vaporizzano e iniziano a dividersi in atomi di idrogeno e carbonio. L’idrogeno è il primo a separarsi qui e reagisce con l’ossigeno per formare vapore acqueo. Parte del carbonio brucia qui per formare anidride carbonica.

La regione scura o arancione/marrone ha relativamente poco ossigeno. Qui è dove le varie forme di carbonio continuano a rompersi e cominciano a formarsi piccole particelle di carbonio indurito.

Quando salgono, insieme al vapore acqueo e all’anidride carbonica creati nella zona blu, vengono riscaldati a circa 1000 gradi centigradi.

Al fondo della zona gialla, la formazione delle particelle di carbonio (fuliggine) aumenta. Man mano che salgono, continuano a riscaldarsi fino a quando si incendiano fino all’incandescenza ed emettono l’intero spettro della luce visibile. Poiché la porzione gialla dello spettro è la più dominante quando il carbonio si accende, l’occhio umano percepisce la fiamma come giallastra. Quando le particelle di fuliggine si ossidano vicino alla parte superiore della regione gialla della fiamma, la temperatura è di circa 1200o C.

La quarta zona della candela (a volte chiamata il velo) è il debole bordo esterno blu che si estende dalla zona blu alla base della fiamma e sui lati del cono di fiamma. È blu perché incontra direttamente l’ossigeno dell’aria, ed è la parte più calda della fiamma, che tipicamente raggiunge i 1400o C (2552o F).

Perché la fiamma di una candela punta sempre verso l’alto

Quando una candela brucia, la fiamma riscalda l’aria vicina e comincia a salire. Mentre quest’aria calda sale, l’aria più fredda e l’ossigeno si precipitano sul fondo della fiamma per sostituirla.

Quando l’aria più fredda viene riscaldata, anch’essa sale e viene sostituita da aria più fredda alla base della fiamma.

Questo crea un ciclo continuo di aria in movimento verso l’alto intorno alla fiamma (una corrente di convezione), che dà alla fiamma la sua forma allungata o a goccia.

Poiché “su” e “giù” sono una funzione della gravità terrestre, gli scienziati si sono chiesti come sarebbe stata la fiamma di una candela nello spazio, dove la forza di gravità è minima e non c’è davvero un su o un giù.

Alla fine degli anni ’90, gli scienziati della NASA hanno fatto diversi esperimenti con lo space shuttle per vedere come si comportavano le fiamme delle candele in microgravità. Come si può vedere dalle foto della NASA qui sotto, la fiamma di una candela in microgravità è sferica invece della sua forma allungata sulla Terra. Senza gravità, non c’è una direzione “verso l’alto” per l’aria calda che sale e crea una corrente di convezione.