Пламя свечи имеет четыре отдельные зоны, каждая из которых обладает уникальными свойствами, позволяющими пламени гореть. Понимание различных зон и того, как они взаимодействуют, дает представление о химии, стоящей за этим знакомым источником света.
Четыре зоны пламени свечи:
Каждая зона играет важную роль в поддержании пламени. Вот более подробный взгляд на то, что происходит в каждой области.
Зона воска — это нижняя область пламени, ближайшая к поверхности свечи. Здесь воск свечи плавится и испаряется из-за тепла пламени над ним. Воск выступает в качестве источника топлива для свечи — без расплавленного воска пламя быстро погаснет.
В этой области твердый воск поглощает тепло от фитиля свечи и окружающего воздуха. По мере нагревания до температуры плавления приблизительно 150–200 °F твердый воск переходит из твердого в жидкое состояние в процессе, называемом плавлением.
Затем расплавленный воск продолжает нагреваться до тех пор, пока не достигнет точки кипения, испаряясь в горячие пары воска. Это испарение происходит при температуре около 400 °F для типичных восков для свечей, таких как парафин или пчелиный воск.
Наличие жидкого воскового бассейна и паров воска поддерживает реакции горения, происходящие выше в зонах фитиля и пламени. Воск выступает в качестве топлива, которое поддерживает горение свечи.
Над зоной воска находится зона фитиля, центрированная на фитиле свечи. Фитиль обычно изготавливается из плетеных хлопковых нитей, обработанных средствами, помогающими регулировать горение.
Благодаря капиллярному эффекту расплавленный воск поднимается по фитилю, где он затем испаряется, превращаясь в газообразные молекулы из-за тепла. Испаренные молекулы воска смешиваются с кислородом в воздухе, окружающем фитиль. Между тем, тепло заставляет волокна фитиля начать пиролиз, расщепляя хлопковые нити на уголь, водяной пар и газообразные молекулы, такие как оксид углерода и водород.
Эта смесь пара воска, воздуха и газов фитиля нагревается примерно до 1100 °F. При этой температуре испаренные молекулы топлива из воска и фитиля смешиваются с кислородом и сгорают.
Реакция горения создает видимую внутреннюю зону пламени, центрированную на фитиле. Эта зона имеет ярко-желтый и голубоватый цвет из-за происходящих реакций.
Сгорание газообразных молекул воска и фитиля с кислородом выделяет энергию в виде тепла и света. Эта экзотермическая реакция достигает температур около 1400-1500 °F.
Желтый цвет возникает из-за светящихся частиц сажи, образующихся при неполном сгорании. Синий цвет возникает из-за промежуточных радикалов, таких как CH, C2 и OH, которые образуются в ходе реакций.
В этой богатой кислородом области полностью сгорают углеводородные молекулы из воска и фитиля. Основными побочными продуктами являются углекислый газ и водяной пар.
Слабая внешняя зона окружает яркое внутреннее пламя. Эта область имеет синий цвет из-за дополнительных реакций горения.
По мере смешивания с окружающим воздухом часть тепла от внутреннего пламени помогает воспламенить топливо, которое не было полностью сожжено. Эти остатки подвергаются здесь дополнительному окислению, в результате чего образуется больше водяного пара и углекислого газа.
Более низкая температура внешней зоны, около 900 °C, приводит к образованию следовых количеств частично окисленных соединений, таких как формальдегид и ацетальдегид, которые создают голубое свечение.
Более низкие уровни кислорода здесь также приводят к образованию мелких частиц сажи, которые при нагревании излучают желтый спектр. Но преобладающий синий цвет возникает из-за продолжающегося горения не полностью сгоревших углеродных соединений.
Чтобы пламя свечи горело, эти различные области должны работать вместе в самоподдерживающемся цикле:
Эта последовательность создает непрерывную реакцию горения, которая обеспечивает достаточно тепла для поддержания плавления и испарения воска. Пока есть достаточно воска и фитиля для его подпитки, пламя поддерживает себя в этом замкнутом цикле.
Однако несколько вещей могут нарушить взаимодействие зон и привести к тому, что свеча погаснет:
Избежание этих проблем позволяет четырем зонам непрерывно генерировать тепло, источники топлива и реакции горения, необходимые для поддержания пламени.
Химия, происходящая в пламени свечи, включает в себя сложные механизмы реакций. Вот некоторые из ключевых процессов:
Молекулы углеводородов в расплавленном воске испаряются в газообразные алканы и алкены. Например, парафиновый воск содержит в основном алканы с прямой и разветвленной цепью, такие как октадекан (C18H38). Основные компоненты пчелиного воска включают эфиры пальмитовой кислоты (кислоты C15 - C36 с четным числом гидроксильных спиртов) и некоторые моноэфиры.
Целлюлоза и другие материалы в хлопковом фитиле термически разлагаются с образованием горючих газов, таких как водород, метан, оксид углерода и ароматические углеводороды, такие как бензол и толуол. Следы нитратов в фитиле также могут образовывать газы NOx.
Во внутреннем пламени углеводородное топливо полностью сгорает с кислородом, образуя углекислый газ и водяной пар. Некоторые промежуточные продукты, такие как оксид углерода и формальдегид, могут выделяться, сгорая дальше во внешней зоне. Частицы сажи от неполного сгорания излучают желтый цвет.
В областях с ограниченным содержанием кислорода образуются небольшие частицы нечистого углерода, называемые сажей. Это придает внутреннему пламени желтое свечение. Сажа опасна при вдыхании, это одна из причин, по которой не стоит задувать свечи.
Структура зон пламени имеет характерную каплевидную форму с закругленным кончиком:
Эта форма поддерживает итерационный процесс зоны. Она подает свежий кислород и топливо через центр, одновременно позволяя горячим продуктам выходить наружу. Такие факторы, как поток воздуха в помещении, могут слегка исказить форму, отклонив пламя от фитиля.
Высота и яркость пламени свечи зависят от нескольких факторов:
| Фактор | Влияние на пламя |
|---|---|
| Состав воска | Более мягкие, более летучие воски дают более высокое и яркое пламя. Более твердые воски, такие как пчелиный воск, делают пламя короче и тусклее. |
| Диаметр фитиля | Более широкие фитили позволяют сгореть большему количеству воска, увеличивая размер пламени и яркость. |
| Плетение фитиля | Более плотно сплетенные фитили поддерживают более яркое пламя, уменьшая грибовидность на конце. |
| Потоки воздуха | Ветерок или сквозняк заставляют пламя мерцать и танцевать, влияя на его форму и яркость. |
Правильно горящее пламя свечи обычно имеет каплевидную форму, около 1-3 дюймов в высоту и ярко-желтое во внутренней зоне. Пламя не должно выделять дым или излишнюю сажу, если фитиль и воск правильно подобраны.
Пламя свечи, хотя и красивое, может быть опасным, если с ним неправильно обращаться. Вот несколько важных советов по безопасности:
При соблюдении некоторых основных мер предосторожности можно безопасно наслаждаться пламенем свечей. Но всегда проявляйте осторожность рядом с открытым огнем.
Пламя свечей обеспечивает достаточное очарование благодаря своей сложной, но знакомой химии. Четыре зоны работают сообща, поддерживая тепло и реакции горения.
Зона воска разжижает и испаряет топливо. Зона фитиля действует как точка воспламенения и источник топлива. Внутреннее пламя обеспечивает основное видимое горение. А внешнее пламя сжигает любые оставшиеся остатки.
Понимание того, как эти области позволяют свечам гореть, дает представление о физике и химии, лежащих в основе этого базового источника света. В следующий раз, когда вы зажжете свечу, уделите минутку, чтобы понаблюдать за отдельными зонами пламени, которые делают возможным пленительное свечение.