Hay mucha química y física detrás de la belleza y la luz de la llama de una vela. De hecho, los científicos han estado fascinados por las velas durante cientos de años.
En 1860, Michael Faraday dio su ahora famosa serie de conferencias sobre la Historia Química de una Vela, demostrando docenas de principios científicos a través de sus cuidadosas observaciones de una vela encendida.
A finales de la década de 1990, la NASA llevó la investigación de las velas a nuevas cotas, realizando experimentos en el transbordador espacial para conocer el comportamiento de las llamas de las velas en microgravedad.
Científicos de universidades y laboratorios de investigación de todo el mundo siguen realizando experimentos con velas para aprender más sobre las llamas, las emisiones y la combustión de las velas.
Y, por supuesto, miles de estudiantes investigan cada año los principios del calor, la luz y la combustión a través de proyectos científicos escolares con velas.
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Cómo arden las velas
Todas las ceras son esencialmente hidrocarburos, lo que significa que están compuestas en gran parte por átomos de hidrógeno (H) y carbono (C).
Cuando se enciende una vela, el calor de la llama funde la cera cerca de la mecha. Esta cera líquida sube por la mecha por acción capilar.
El calor de la llama vaporiza la cera líquida (la convierte en un gas caliente), y empieza a descomponer los hidrocarburos en moléculas de hidrógeno y carbono. Estas moléculas vaporizadas son arrastradas hacia la llama, donde reaccionan con el oxígeno del aire para crear calor, luz, vapor de agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2).
Aproximadamente una cuarta parte de la energía creada por la combustión de una vela se desprende en forma de calor que se irradia desde la llama en todas las direcciones.
Se crea suficiente calor para irradiar hacia atrás y derretir más cera para mantener el proceso de combustión hasta que se agote el combustible o se elimine el calor.
Se necesitan unos minutos cuando se enciende una vela por primera vez para que este proceso de combustión se estabilice. La llama puede parpadear o humear un poco al principio, pero una vez que el proceso se estabiliza, la llama arderá de forma limpia y constante en forma de lágrima tranquila, desprendiendo dióxido de carbono y vapor de agua.
Una llama de vela que arde tranquilamente es una máquina de combustión muy eficiente. Pero si la llama recibe muy poco o demasiado aire o combustible, puede parpadear o arder y las partículas de carbono no quemadas (hollín) se escaparán de la llama antes de que puedan combustionar completamente.
La brizna de humo que a veces se ve cuando una vela parpadea es en realidad causada por las partículas de hollín no quemadas que se han escapado de la llama debido a la combustión incompleta.
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Los colores de la llama de una vela
Si mira de cerca la llama de una vela, verás una zona azul en la base de la llama. Por encima de ella hay una pequeña sección de color marrón anaranjado oscuro, y por encima de ella está la gran región amarilla que asociamos con las llamas de las velas.
La zona azul rica en oxígeno es donde las moléculas de hidrocarburo se vaporizan y comienzan a separarse en átomos de hidrógeno y carbono. El hidrógeno es el primero en separarse aquí y reacciona con el oxígeno para formar vapor de agua. Parte del carbono se quema aquí para formar dióxido de carbono.
La región oscura o naranja/marrón tiene relativamente poco oxígeno. Aquí es donde las diversas formas de carbono continúan descomponiéndose y comienzan a formarse pequeñas partículas de carbono endurecidas.
A medida que ascienden, junto con el vapor de agua y el dióxido de carbono creados en la zona azul, se calientan hasta alcanzar aproximadamente 1000 grados centígrados.
En la parte inferior de la zona amarilla, aumenta la formación de las partículas de carbono (hollín). A medida que suben, continúan calentándose hasta que se inflaman hasta la incandescencia y emiten todo el espectro de luz visible. Como la parte amarilla del espectro es la más dominante cuando el carbono se enciende, el ojo humano percibe la llama como amarillenta. Cuando las partículas de hollín se oxidan cerca de la parte superior de la región amarilla de la llama, la temperatura es de aproximadamente 1200o C.
La cuarta zona de la vela (a veces llamada velo) es el tenue borde azul exterior que se extiende desde la zona azul en la base de la llama y hacia arriba por los lados del cono de la llama. Es azul porque se encuentra directamente con el oxígeno del aire, y es la parte más caliente de la llama, que suele alcanzar los 1400o C (2552o F).
Por qué la llama de una vela siempre apunta hacia arriba
Cuando una vela arde, la llama calienta el aire cercano y comienza a subir. A medida que este aire caliente se mueve hacia arriba, el aire más frío y el oxígeno se apresuran en la parte inferior de la llama para reemplazarlo.
Cuando ese aire más frío se calienta, también se eleva y es reemplazado por aire más frío en la base de la llama.
Esto crea un ciclo continuo de aire en movimiento hacia arriba alrededor de la llama (una corriente de convección), que da a la llama su forma alargada o de lágrima.
Como el «arriba» y el «abajo» están en función de la gravedad terrestre, los científicos se preguntaron cómo sería la llama de una vela en el espacio exterior, donde la atracción de la gravedad es mínima y realmente no hay un arriba o un abajo.
A finales de la década de 1990, los científicos de la NASA realizaron varios experimentos en el transbordador espacial para ver cómo se comportaban las llamas de las velas en microgravedad. Como se puede ver en las fotos de la NASA a continuación, la llama de una vela en la microgravedad es esférica en lugar de su forma alargada en la Tierra. Sin gravedad, no hay una dirección «hacia arriba» para que el aire caliente suba y cree una corriente de convección.
La llama de una vela en gravedad normal
La llama de una vela en microgravedad
Lectura interesante
La historia química de las velas
(serie de conferencias de Michael Faraday de 1860 en Londres)
www.bartleby.com
Velas en microgravedad
(La investigación del programa espacial de la NASA sobre las velas)
www.microgravity.gov
La nave cohete de las velas
(Los experimentos de la NASA utilizando cera de parafina como combustible para cohetes.)
www.science.nasa.gov
La física y la química que subyacen al encanto infinito de la llama de una vela
(Por Jearl Walker. Publicado originalmente en The Amateur Scientist Column, Scientific American, abril de 1978). r00