Il y a beaucoup de chimie et de physique derrière la beauté et la lumière d’une flamme de bougie. En fait, les scientifiques sont fascinés par les bougies depuis des centaines d’années.
En 1860, Michael Faraday a donné sa désormais célèbre série de conférences sur l’histoire chimique d’une bougie, démontrant des dizaines de principes scientifiques à travers ses observations minutieuses d’une bougie allumée.
À la fin des années 1990, la NASA a porté la recherche sur les bougies à de nouveaux sommets, en menant des expériences sur la navette spatiale pour connaître le comportement des flammes de bougies en microgravité.
Les scientifiques des universités et des laboratoires de recherche du monde entier continuent de mener des expériences avec des bougies pour en apprendre davantage sur les flammes, les émissions et la combustion des bougies.
Et, bien sûr, des milliers d’étudiants étudient chaque année les principes de la chaleur, de la lumière et de la combustion dans le cadre de projets scientifiques scolaires impliquant des bougies.
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Comment les bougies brûlent
Toutes les cires sont essentiellement des hydrocarbures, ce qui signifie qu’elles sont en grande partie composées d’atomes d’hydrogène (H) et de carbone (C).
Lorsque vous allumez une bougie, la chaleur de la flamme fait fondre la cire près de la mèche. Cette cire liquide est ensuite aspirée vers le haut de la mèche par capillarité.
La chaleur de la flamme vaporise la cire liquide (la transforme en un gaz chaud), et commence à décomposer les hydrocarbures en molécules d’hydrogène et de carbone. Ces molécules vaporisées sont aspirées dans la flamme, où elles réagissent avec l’oxygène de l’air pour créer de la chaleur, de la lumière, de la vapeur d’eau (H2O) et du dioxyde de carbone (CO2).
Approximativement un quart de l’énergie créée par la combustion d’une bougie est dégagée sous forme de chaleur rayonnant de la flamme dans toutes les directions.
Une quantité suffisante de chaleur est créée pour rayonner en retour et faire fondre davantage de cire afin de maintenir le processus de combustion jusqu’à ce que le combustible soit épuisé ou que la chaleur soit éliminée.
Il faut quelques minutes lorsque vous allumez une bougie pour la première fois pour que ce processus de combustion se stabilise. La flamme peut vaciller ou fumer un peu au début, mais une fois que le processus est stabilisé, la flamme brûle proprement et régulièrement en forme de larme tranquille, en dégageant du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau.
Une flamme de bougie qui brûle tranquillement est une machine à combustion très efficace. Mais si la flamme reçoit trop ou trop peu d’air ou de combustible, elle peut vaciller ou s’enflammer et des particules de carbone non brûlées (suie) s’échappent de la flamme avant de pouvoir brûler complètement.
Le filet de fumée que vous voyez parfois lorsqu’une bougie vacille est en fait causé par des particules de suie non brûlées qui se sont échappées de la flamme en raison d’une combustion incomplète.
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Les couleurs d’une flamme de bougie
Si vous regardez attentivement une flamme de bougie, vous verrez une zone bleue à la base de la flamme. Au-dessus, il y a une petite section orange-brun foncé, et au-dessus, la grande région jaune que nous associons aux flammes de bougie.
La zone bleue riche en oxygène est l’endroit où les molécules d’hydrocarbures se vaporisent et commencent à se séparer en atomes d’hydrogène et de carbone. L’hydrogène est le premier à se séparer ici et réagit avec l’oxygène pour former de la vapeur d’eau. Une partie du carbone brûle ici pour former du dioxyde de carbone.
La région sombre ou orange/brune contient relativement peu d’oxygène. C’est là que les différentes formes de carbone continuent à se décomposer et que de petites particules de carbone durci commencent à se former.
En montant, avec la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone créés dans la zone bleue, elles sont chauffées à environ 1000 degrés centigrades.
Au fond de la zone jaune, la formation des particules de carbone (suie) augmente. En s’élevant, elles continuent de chauffer jusqu’à ce qu’elles s’enflamment jusqu’à l’incandescence et émettent tout le spectre de la lumière visible. Comme la partie jaune du spectre est la plus dominante lorsque le carbone s’enflamme, l’œil humain perçoit la flamme comme jaunâtre. Lorsque les particules de suie s’oxydent près du sommet de la région jaune de la flamme, la température est d’environ 1200o C.
La quatrième zone de la bougie (parfois appelée le voile) est le faible bord bleu extérieur qui s’étend de la zone bleue à la base de la flamme et remonte sur les côtés du cône de flamme. Elle est bleue parce qu’elle rencontre directement l’oxygène de l’air, et constitue la partie la plus chaude de la flamme, atteignant généralement 1400o C (2552o F).
Pourquoi la flamme d’une bougie pointe toujours vers le haut
Lorsqu’une bougie brûle, la flamme chauffe l’air environnant et commence à s’élever. Au fur et à mesure que cet air chaud monte, de l’air plus frais et de l’oxygène s’engouffrent au bas de la flamme pour le remplacer.
Lorsque cet air plus frais est chauffé, il monte lui aussi et est remplacé par de l’air plus frais à la base de la flamme.
Ceci crée un cycle continu d’air se déplaçant vers le haut autour de la flamme (un courant de convection), qui donne à la flamme sa forme allongée ou en goutte d’eau.
Parce que le « haut » et le « bas » sont fonction de la gravité terrestre, les scientifiques se sont demandés à quoi ressemblerait une flamme de bougie dans l’espace, où l’attraction de la gravité est minimale et où il n’y a pas vraiment de haut ou de bas.
À la fin des années 1990, les scientifiques de la NASA ont réalisé plusieurs expériences sur des navettes spatiales pour voir comment les flammes de bougies se comportaient en microgravité. Comme vous pouvez le voir sur les photos de la NASA ci-dessous, une flamme de bougie en microgravité est sphérique au lieu de sa forme allongée sur Terre. Sans gravité, il n’y a pas de direction « vers le haut » pour que l’air chaud monte et crée un courant de convection.
Une flamme de bougie en gravité normale
Une flamme de bougie en microgravité
Lecture intéressante
L’histoire chimique des bougies
(série de conférences de Michael Faraday à Londres en 1860)
www.bartleby.com
Les bougies en microgravité
(Les recherches du programme spatial de la NASA sur les bougies)
www.microgravity.gov
La fusée à bougies
(Les expériences de la NASA utilisant la cire de paraffine comme carburant de fusée.)
www.science.nasa.gov
La physique et la chimie sous-jacentes au charme infini d’une flamme de bougie
(Par Jearl Walker. Imprimé à l’origine dans la colonne The Amateur Scientist, Scientific American, avril 1978.)
www.bashaar.org.il
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