4.78. Пламя свечи

Как горит свеча? Откуда поступает к ней горючее? Почему пламя свечи в основном желтое, а по краям оно обычно голубое (рис. 4.12)? Почему между фитильком и желтой частью пламени имеется темный конус? Почему сажа от свечи черная, хотя от догорающей свечи поднимается белый пар?

Рис. 4.12 / Задача 4.78. Структура пламени свечи.

ОТВЕТ • Твердым горючим для свечи является либо парафин, либо стеарин (стеариновая кислота), либо смесь того и другого. Тепло от пламени поглощается материалом свечи (положим, это парафин). Парафин плавится и превращается в жидкость. Под действием капиллярных сил жидкость движется по фитилю вверх. Поднимаясь по фитилю и нагреваясь от пламени свечи, жидкий парафин переходит в газообразное состояние, а затем уносится вверх и от свечи потоком горячих газов (конвекция).

Некоторые углеводороды, выделяющиеся при переходе в газообразное состояние, поднимаются и образуют темный конус непосредственно над фитильком, но их температура, вероятно, не превышает 600–800°C. Для горения этих углеводородов необходим кислород, но кислород должен диффундировать в пламя (распространиться по пламени), а в область темного конуса его попадает недостаточно. Итак, углеводороды в темном конусе интенсивно свет не испускают.

Некоторые углеводороды попадают в область, окрашенную в голубой цвет. Ее называют зоной реакции. Это самая горячая часть пламени, где имеется в избытке кислород. Молекулы углеводородов разделяются на более мелкие, в том числе на молекулярный углерод C₂ и углеводород CH. В момент образования эти молекулы находятся в возбужденном состоянии. Они быстро переходят в невозбужденное состояние, испуская яркий свет с длинами волн главным образом в синей части видимого спектра. Именно поэтому мы видим голубое свечение по краю пламени свечи. В темной комнате, где горит только свеча, иногда можно заметить слабое свечение, окружающее пламя. Это свечение — результат рассеяния света пламени внутри глаза. Художники часто изображают такое свечение, рисуя короткие волнистые линии, отходящие от пламени свечи.

Углеводороды, попадающие из темного конуса и зоны реакции в светящуюся желтым часть пламени, образуют крохотные частички твердого углерода, которые затем сгорают в кислороде. Температура этих частиц такова, что они светятся желтым цветом. Это основной цвет пламени свечи.

Если скорость, с которой углеводороды попадают в желтую область, совпадает со скоростью образования твердых частиц, пламя не коптит. Однако, когда скорость подачи углеводородов слишком велика (так бывает, если фитилек слишком широкий), свеча начинает дымить: над пламенем поднимается темный дым. Это не полностью сгоревшие частички углерода. Если поместить в пламя скрепку для бумаги, образуется копоть, которая покроет скрепку.

Если скорость подачи горючего не согласуется со скоростью его сгорания, пламя либо потухнет, либо начнет мигать. Свеча тухнет, если пламя не настолько сильное, чтобы растопить достаточно парафина (горючего), или капиллярные силы не поставляют нужное количество горючего для поддержания пламени. Мигание происходит, когда имеется механизм обратной связи между пламенем и подачей жидкого горючего. Предположим, пламя ярко вспыхнуло, что привело к увеличению теплового излучения и количества растопленного парафина. Если фитилек медленно поставляет в пламя эту добавочную жидкость, когда горючего на кончике фитилька становится мало, пламя ослабевает. Но когда избыточное жидкое горючее достигает верхнего конца фитилька, пламя вспыхивает опять, и цикл повторяется.

Чтобы задуть свечу, надо дуть достаточно долго. Надо избавиться не только от несгоревших частиц углерода в желтой части пламени и от вступающих в реакцию углеводородов в его голубой области, но и от углеводородов из горячего фитилька, переходящих в газообразное состояние, пока вы дуете. На самом деле, когда свеча уже потухла, из фитилька продолжают выходить газообразные углеводороды, но из них уже не образуются твердые частицы и не горят. Если эти углеводороды представляют собой просто отдельные молекулы, вы их просто не заметите. Однако когда эти углеводороды конденсируются, они рассеивают свет, и мы видим слабый беловатый дымок, поднимающийся от фитилька.