Простота свечки кажущаяся. Если внимательно разглядывать ее разноцветное пламя можно понять важные законы физики. Личность мировой величины в истории науки, величайший исследователь в области электричества – Майкл (Михаил) Фарадей (22.09.1791 – 27.08.1867 гг.), про которого А.Г. Столетов отметил: «Никогда со времен Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы» называл пламя свечи «окном в науку» – и прочитал по этому поводу целых шесть рождественских лекций для молодежи. Поясним ниже эти физические процессы на примере пламя восковых свечей (рис.1).
Капиллярный эффект. Топливо, питающее пламя свечи, – расплавленный воск – поступает по капиллярам внутри фитиля. Аналогичным образом, вода проникает в волокна полотенца или путешествует по тканям дерева. Капиллярные силы преодолевают силу тяжести и поднимают жидкий материал свечи наверх.
Кроме этого, часть топлива поступает наверх без всяких капилляров, в потоке горючего газа. Это пары воска, которые образуются под пламенем в результате испарения лужицы расплавленного топлива. Для подтверждения адекватности данной гипотезы можно провести следующий эксперимент: если аккуратно задуть пламя и быстро пронести спичку над дымящимся фитилем, можно увидеть, как парящие над свечой горючие газы снова воспламенятся.
Сила тяжести. Пламя свечи нагревает воздух, который поднимается вверх, а кислород из него расходуется в реакции горения. На освободившееся место поступает прохладный и богатый кислородом воздух снаружи. Но «вверх» и «вниз» существуют только там, где действует гравитация. Если ее нет, топливо сгорает и улетучивается во всех направлениях одновременно. Ученые из МКС и NASA проверили эту гипотезу: они зажгли свечу на борту космического корабля и увидели ровный шарик пламени вокруг фитиля.
Тепло и свет – это побочный результат реакции горения. Энергия, заключенная в химических связях между атомами в молекулах углеводородов, при их разрушении выделяется в форме тепла и света. На разной высоте химический состав пламени разный: внизу больше кислорода, поэтому топливо сгорает полностью, до воды и углекислого газа. А в верхней части языка пламени присутствуют и промежуточные продукты: угарный газ и чистый углерод, образующий частицы сажи.
Верхняя часть цвета пламени. Дело не в натрии! А в саже и копоти – частичках углерода, которые образуются в процессе горения углеводородов при нехватке кислорода. Эти частицы излучают сплошной спектр, цвет которого зависит не от химического состава, а от температуры. Температура пламя свечи – около тысячи градусов, – поэтому оно желтое.
Нижняя часть цвета пламени. Почему она окрашена в голубой цвет? Здесь много кислорода, и углеводороды сгорают полностью, превращаясь не в углерод, а в углекислый газ. Тут нет частиц сажи, обеспечивающих сплошной спектр излучения, а есть лишь отдельные молекулы, которые дают дискретные спектры. Самые яркие из них – так называемые полосы Свана, характерные для свободных радикалов углерода. Полосы Свана расположены в сине-зеленой части спектра, поэтому внизу мы видим практически голубое пламя. В отсутствии силы тяжести шарик пламени свечи будет окрашен в голубой цвет почти целиком.
Плазма! Она тоже здесь замешана. В пламени постоянно образуются заряженные частицы: отдельные электроны, оторвавшиеся от своих молекул, и положительно заряженные молекулы. Этот электрон ионизирует молекулу, что приводит к образованию положительного иона и двух электронов. Газ из заряженных частиц и есть плазма. Пламя спички, свечи, зажигалки, костра и других не слишком горячих вещей называют низкотемпературной плазмой. Это доказывается путем того, что свечку помещают в электрическое поле с заданной величиной напряженности и пламя будет отклоняться, как на ветру; чем больше прикладывается напряжение, тем больше язык будет сносить в сторону отрицательно заряженного электрода.
Термоионизация. Температура есть мера кинетической энергии хаотического (теплового) движения молекул и свободных электронов в газе. Величина этой кинетической энергии определяется для молекулы простым выражением:
W = 1.5 * k*T,
где W – кинетическая энергия теплового движения молекулы, Дж;
T – температура, °К;
k – постоянная Больцмана, равная 1, 37·10-16эрг/°К≈0,86·10-4эВ/°K.
Очевидно, что при достаточно высокой температуре становится возможной ионизация в результате столкновения молекул с электронами.
Процесс термоионизации играет, в частности, определяющую роль в столбе электрической дуги, температура которого составляет от 4000 до 15000°К, которая детально изучается в курсе дисциплины: «Техника высоких напряжений».
В конце приведенной статьи хочется привести изречение, с которым невозможно не согласиться: «Наука – это огромная восковая свеча, озаряющая темное пространство Вселенной на миллиарды световых лет! И технологический суверенитет Отечества!».
Материалы собраны и подготовлены, доцентом кафедры электроэнергетики ФГБОУ ВО «ЛГУ им. В. Даля» к.т.н. Парсентьевым О.С.