Es steckt eine Menge Chemie und Physik hinter der Schönheit und dem Licht einer Kerzenflamme. Tatsächlich sind Wissenschaftler seit Hunderten von Jahren von Kerzen fasziniert.
Im Jahr 1860 hielt Michael Faraday seine heute berühmte Vortragsreihe über die chemische Geschichte einer Kerze, in der er Dutzende von wissenschaftlichen Prinzipien durch seine sorgfältigen Beobachtungen einer brennenden Kerze demonstrierte.
In den späten 1990er Jahren hat die NASA die Kerzenforschung auf ein neues Niveau gehoben und Experimente mit Space Shuttles durchgeführt, um mehr über das Verhalten von Kerzenflammen in der Schwerelosigkeit zu erfahren.
Wissenschaftler in Universitäten und Forschungslabors auf der ganzen Welt führen weiterhin Experimente mit Kerzen durch, um mehr über Kerzenflammen, Emissionen und Verbrennung zu erfahren.
Und natürlich erforschen jedes Jahr Tausende von Schülern die Prinzipien von Wärme, Licht und Verbrennung in wissenschaftlichen Schulprojekten mit Kerzen.
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Wie Kerzen brennen
Alle Wachse sind im Wesentlichen Kohlenwasserstoffe, das heißt, sie bestehen zum größten Teil aus Wasserstoff- (H) und Kohlenstoff- (C) Atomen.
Wenn Sie eine Kerze anzünden, schmilzt die Hitze der Flamme das Wachs in der Nähe des Dochts. Dieses flüssige Wachs wird dann durch Kapillarwirkung nach oben gezogen.
Die Hitze der Flamme verdampft das flüssige Wachs (verwandelt es in ein heißes Gas) und beginnt, die Kohlenwasserstoffe in Moleküle aus Wasserstoff und Kohlenstoff aufzuspalten. Diese verdampften Moleküle werden in die Flamme hochgezogen, wo sie mit dem Sauerstoff aus der Luft reagieren und Wärme, Licht, Wasserdampf (H2O) und Kohlendioxid (CO2) erzeugen.
Zirka ein Viertel der Energie, die bei der Verbrennung einer Kerze entsteht, wird als Wärme von der Flamme in alle Richtungen abgestrahlt.
Es entsteht genug Wärme, um zurückzustrahlen und mehr Wachs zu schmelzen, um den Verbrennungsprozess in Gang zu halten, bis der Brennstoff verbraucht ist oder die Hitze verschwindet.
Beim ersten Anzünden einer Kerze dauert es ein paar Minuten, bis sich dieser Verbrennungsprozess stabilisiert. Die Flamme kann anfangs ein wenig flackern oder rauchen, aber sobald sich der Prozess stabilisiert hat, brennt die Flamme sauber und gleichmäßig in einer ruhigen Tropfenform und gibt dabei Kohlendioxid und Wasserdampf ab.
Eine ruhig brennende Kerzenflamme ist eine sehr effiziente Verbrennungsmaschine. Bekommt die Flamme jedoch zu wenig oder zu viel Luft oder Brennstoff, kann sie flackern oder aufflackern und unverbrannte Kohlenstoffpartikel (Ruß) entweichen aus der Flamme, bevor sie vollständig verbrennen kann.
Die Rauchfahne, die man manchmal sieht, wenn eine Kerze flackert, wird tatsächlich durch unverbrannte Rußpartikel verursacht, die aufgrund einer unvollständigen Verbrennung aus der Flamme entwichen sind.
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Die Farben einer Kerzenflamme
Wenn Sie eine Kerzenflamme genau betrachten, sehen Sie einen blauen Bereich an der Basis der Flamme. Darüber befindet sich ein kleiner dunkler, orange-brauner Bereich und darüber der große gelbe Bereich, den wir mit Kerzenflammen assoziieren.
Die sauerstoffreiche blaue Zone ist der Ort, an dem die Kohlenwasserstoffmoleküle verdampfen und beginnen, in Wasserstoff- und Kohlenstoffatome aufzuspalten. Der Wasserstoff trennt sich hier als erstes und reagiert mit dem Sauerstoff zu Wasserdampf. Ein Teil des Kohlenstoffs verbrennt hier zu Kohlendioxid.
Der dunkle oder orange/braune Bereich hat relativ wenig Sauerstoff. Hier zersetzen sich die verschiedenen Formen des Kohlenstoffs weiter und es bilden sich kleine, gehärtete Kohlenstoffpartikel.
Während sie aufsteigen, werden sie zusammen mit dem Wasserdampf und dem Kohlendioxid, die in der blauen Zone entstanden sind, auf etwa 1000 Grad Celsius erhitzt.
Am Boden der gelben Zone nimmt die Bildung der Kohlenstoffpartikel (Ruß) zu. Während sie aufsteigen, erhitzen sie sich weiter, bis sie sich zur Glut entzünden und das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts aussenden. Da der gelbe Anteil des Spektrums bei der Entzündung des Kohlenstoffs am dominantesten ist, nimmt das menschliche Auge die Flamme als gelblich wahr. Wenn die Rußpartikel in der Nähe der Spitze des gelben Bereichs der Flamme oxidieren, beträgt die Temperatur etwa 1200o C.
Die vierte Zone der Kerze (manchmal als Schleier bezeichnet) ist der schwache äußere blaue Rand, der sich von der blauen Zone an der Basis der Flamme und an den Seiten des Flammenkegels nach oben erstreckt. Er ist blau, weil er direkt auf den Sauerstoff der Luft trifft, und ist der heißeste Teil der Flamme, der typischerweise 1400o C (2552o F) erreicht.
Warum eine Kerzenflamme immer nach oben zeigt
Wenn eine Kerze brennt, erwärmt die Flamme die Luft in der Nähe und beginnt zu steigen. Während sich diese warme Luft nach oben bewegt, strömen kühlere Luft und Sauerstoff an den Boden der Flamme, um sie zu ersetzen.
Wenn diese kühlere Luft erwärmt wird, steigt sie ebenfalls nach oben und wird durch kühlere Luft an der Basis der Flamme ersetzt.
Dadurch entsteht ein ständiger Kreislauf sich aufwärts bewegender Luft um die Flamme (ein Konvektionsstrom), der der Flamme ihre längliche oder tropfenförmige Form verleiht.
Da „oben“ und „unten“ eine Funktion der Schwerkraft der Erde sind, fragten sich die Wissenschaftler, wie eine Kerzenflamme im Weltraum aussehen würde, wo die Anziehungskraft der Schwerkraft minimal ist und es eigentlich kein „oben“ oder „unten“ gibt.
In den späten 1990er Jahren führten NASA-Wissenschaftler mehrere Space-Shuttle-Experimente durch, um zu sehen, wie sich Kerzenflammen in der Schwerelosigkeit verhalten. Wie Sie auf den NASA-Fotos unten sehen können, ist eine Kerzenflamme in der Mikrogravitation kugelförmig, anstatt ihrer länglichen Form auf der Erde. Ohne Schwerkraft gibt es keine Richtung „nach oben“, in der warme Luft aufsteigen und eine Konvektionsströmung erzeugen könnte.
Eine Kerzenflamme in normaler Schwerkraft
Eine Kerzenflamme in der Schwerelosigkeit
Interessante Lektüre
Die chemische Geschichte der Kerze
(Michael Faradays Vortragsreihe von 1860 in London)
www.bartleby.com
Kerzen in der Schwerelosigkeit
(Die Forschung der NASA im Weltraumprogramm zu Kerzen)
www.microgravity.gov
Kerzen-Raketenschiff
(Die Experimente der NASA mit Paraffinwachs als Raketentreibstoff.)
www.science.nasa.gov
Die Physik und Chemie, die dem unendlichen Charme einer Kerzenflamme zugrunde liegen
(Von Jearl Walker. Ursprünglich abgedruckt in der Kolumne The Amateur Scientist, Scientific American, April 1978.)
www.bashaar.org.il