Za pięknem i światłem płomienia świecy kryje się wiele chemii i fizyki. W rzeczywistości naukowcy są zafascynowani świecami od setek lat.
W 1860 roku Michael Faraday wygłosił swój słynny już cykl wykładów na temat chemicznej historii świecy, demonstrując dziesiątki zasad naukowych poprzez uważne obserwacje płonącej świecy.
W późnych latach 90-tych NASA podniosła badania nad świecami na nowe wyżyny, przeprowadzając eksperymenty na promach kosmicznych, aby poznać zachowanie płomieni świec w mikrograwitacji.
Naukowcy na uniwersytetach i w laboratoriach badawczych na całym świecie nadal przeprowadzają eksperymenty ze świecami, aby dowiedzieć się więcej o płomieniach świec, emisji i spalaniu.
I oczywiście, tysiące studentów każdego roku bada zasady ciepła, światła i spalania poprzez szkolne projekty naukowe z udziałem świec.
Click Here for Science Project Ideas & Porady
Jak palą się świece
Wszystkie woski są w zasadzie węglowodorami, co oznacza, że w dużej mierze składają się z atomów wodoru (H) i węgla (C).
Kiedy zapalasz świecę, ciepło płomienia topi wosk w pobliżu knota. Ciekły wosk jest następnie wciągany do knota przez działanie kapilarne.
Ciepło płomienia powoduje odparowanie ciekłego wosku (zamienia go w gorący gaz) i zaczyna rozkładać węglowodory na cząsteczki wodoru i węgla. Te odparowane cząsteczki są wciągane do płomienia, gdzie reagują z tlenem z powietrza, tworząc ciepło, światło, parę wodną (H2O) i dwutlenek węgla (CO2).
Prawie jedna czwarta energii powstałej w wyniku spalania świecy jest oddawana jako ciepło promieniujące z płomienia we wszystkich kierunkach.
Powstaje wystarczająco dużo ciepła, aby wypromieniować z powrotem i stopić więcej wosku, aby proces spalania trwał do momentu zużycia paliwa lub wyeliminowania ciepła.
Po pierwszym zapaleniu świecy proces spalania stabilizuje się po kilku minutach. Płomień może migotać lub dymić trochę na początku, ale gdy proces jest ustabilizowany, płomień będzie palił się czysto i stabilnie w spokojnym kształcie łezki, wydzielając dwutlenek węgla i parę wodną.
Cicho paląca się świeca jest bardzo wydajną maszyną do spalania. Ale jeśli płomień dostaje zbyt mało lub zbyt dużo powietrza lub paliwa, może migotać lub rozbłyskać i niespalone cząsteczki węgla (sadza) uciekną z płomienia zanim zdołają się w pełni spalić.
Wisielnica dymu, którą czasami widzisz, gdy świeca migocze, jest w rzeczywistości spowodowana niespalonymi cząsteczkami sadzy, które uciekły z płomienia z powodu niepełnego spalania.
Kliknij tutaj, by zapoznać się z badaniami nad świecami
Kolory płomienia świecy
Jeśli przyjrzysz się uważnie płomieniowi świecy, zobaczysz niebieski obszar u podstawy płomienia. Powyżej znajduje się mała ciemnopomarańczowo-brązowa sekcja, a powyżej duży żółty region, który kojarzymy z płomieniami świec.
Błękitna strefa bogata w tlen to miejsce, w którym cząsteczki węglowodorów parują i zaczynają się rozpadać na atomy wodoru i węgla. Wodór oddziela się tu jako pierwszy i reaguje z tlenem tworząc parę wodną. Część węgla spala się tutaj, tworząc dwutlenek węgla.
Ciemny lub pomarańczowy/brązowy region ma stosunkowo mało tlenu. To tutaj różne formy węgla nadal się rozpadają i zaczynają się tworzyć małe, utwardzone cząsteczki węgla.
Jak się wznoszą, wraz z parą wodną i dwutlenkiem węgla powstałym w strefie niebieskiej, są podgrzewane do temperatury około 1000 stopni Celsjusza.
Na dnie strefy żółtej wzrasta tworzenie się cząsteczek węgla (sadzy). W miarę wzrostu, nadal się ogrzewają, aż do momentu zapalenia się do żarzenia i emitowania pełnego spektrum światła widzialnego. Ponieważ podczas zapłonu węgla dominuje żółta część widma, ludzkie oko postrzega płomień jako żółtawy. Kiedy cząsteczki sadzy utleniają się w pobliżu szczytu żółtego obszaru płomienia, temperatura wynosi około 1200o C.
Czwarta strefa świecy (czasami nazywana zasłoną) to słaba, zewnętrzna niebieska krawędź, która rozciąga się od niebieskiej strefy u podstawy płomienia do boków stożka płomienia. Jest ona niebieska, ponieważ bezpośrednio styka się z tlenem z powietrza i jest najgorętszą częścią płomienia, zazwyczaj osiągając 1400o C (2552o F).
Dlaczego płomień świecy zawsze wskazuje w górę
Gdy świeca się pali, płomień ogrzewa pobliskie powietrze i zaczyna się unosić. Gdy ciepłe powietrze unosi się w górę, chłodniejsze powietrze i tlen wdzierają się do dolnej części płomienia, aby je zastąpić.
Gdy chłodniejsze powietrze jest ogrzewane, również unosi się w górę i jest zastępowane przez chłodniejsze powietrze u podstawy płomienia.
Tworzy to ciągły cykl wznoszącego się powietrza wokół płomienia (prąd konwekcyjny), który nadaje płomieniowi jego wydłużony lub łezkowaty kształt.
Ponieważ „w górę” i „w dół” są funkcją ziemskiej grawitacji, naukowcy zastanawiali się, jak płomień świecy wyglądałby w przestrzeni kosmicznej, gdzie siła grawitacji jest minimalna i tak naprawdę nie ma „w górę” ani „w dół”.
Pod koniec lat 90-tych naukowcy NASA przeprowadzili kilka eksperymentów na promach kosmicznych, aby zobaczyć, jak płomienie świec zachowują się w mikrograwitacji. Jak można zobaczyć na zdjęciach NASA poniżej, płomień świecy w mikrograwitacji jest kulisty zamiast jego wydłużonego kształtu na Ziemi. Bez grawitacji, nie ma kierunku „w górę” dla ciepłego powietrza, aby wznieść się i stworzyć prąd konwekcyjny.
Płomień świecy w warunkach normalnej grawitacji
Płomień świecy w mikrograwitacji
Interesująca lektura
The Chemical History of Candles
(seria wykładów Michaela Faradaya z 1860 roku w Londynie)
www.bartleby.com
Świece w mikrograwitacji
(Badania NASA nad świecami w ramach programu kosmicznego)
www.microgravity.gov
Podręczny statek rakietowy
(Eksperymenty NASA z wykorzystaniem parafiny jako paliwa rakietowego.)
www.science.nasa.gov
Fizyka i chemia leżąca u podstaw nieskończonego uroku płomienia świecy
(Autor: Jearl Walker. Oryginalnie wydrukowano w The Amateur Scientist Column, Scientific American, kwiecień 1978 r.)
www.bashaar.org.il
The Physics and Chemistry Underlying Infinite Charm of Candle Flame
(Autor: Jearl Walker.