Научное объяснение: почему свеча горит пламенем, а твердые тела – нет?

Явление, которое будет рассмотрено далее, вероятно, знакомо многим читателям: пламя свечи содержит в себе горючий газ. Основываясь на определении природы пламени, изложенном в предыдущем разделе, становится очевидным, что способностью гореть с образованием пламени обладают исключительно газообразные вещества. Твердые и жидкие субстанции самостоятельно этого делать не могут. В качестве примера можно привести опыт с раскаленным железным порошком, который сгорал, соединяясь с кислородом воздуха и излучая свет, однако это свечение было следствием накала твердых частиц, а не наличия раскаленных газов, поэтому о пламени в данном случае речь не шла.

Существует заметное различие между горением железа и, например, тлением древесного угля. В первом случае продуктом реакции является твердое вещество, во втором — газообразная углекислота, которая улетучивается, оставляя лишь несгораемую золу. Утверждение, что только газы могут гореть с образованием пламени, противоречит житейскому опыту: мы ежедневно наблюдаем, как дрова, каменный и бурый уголь, торф, свечи, сера, керосин и спирт, будучи твердыми или жидкими, горят именно с пламенем. Разгадка этого парадокса заключается в том, что все перечисленные материалы предварительно переходят в газообразную фазу, после чего образовавшиеся пары или газы вступают в реакцию горения.

Подтвердить этот тезис можно с помощью двух наглядных экспериментов со свечой. Если ввести изогнутую стеклянную трубку непосредственно в пламя над фитилем, как показано на рис. 56, то вскоре можно наблюдать, как по ней начинают двигаться густые пары. Часть их конденсируется на холодных стенках в виде твердого налета, а выходящую из трубки струю газа можно поджечь, получив отдельное пламя. Еще более убедительным является опыт по сбору газа в газометр, изображенный на рис. 22, для чего отверстие трубки С вводится в середину пламени вплотную к фитилю.

Рис. 56. Демонстрация образования горючего газа в пламени свечи с помощью изогнутой стеклянной трубки.

Принцип работы установки основан на всасывании: когда бутылка А опускается, бутылка В заполняется водой и создает разрежение, затягивающее газообразные продукты из пламени свечи. В процессе отбора газа пламя заметно уменьшается из-за непрерывного удаления горючего вещества. Важно соблюдать осторожность и не допускать длительного нахождения отверстия трубки вне пламени, чтобы избежать подсоса воздуха и образования взрывчатой смеси. Собранный газ, очищенный от примесей воздуха, можно поджечь на выходе из трубки, и он будет гореть ровным пламенем, характерным для газа.

Таким образом, свеча представляет собой миниатюрную газовую фабрику. Любознательный читатель может даже использовать этот газ для временного освещения комнаты, хотя его светосила будет невелика из-за частичной конденсации паров в твердые частицы до момента сгорания. Несмотря на потерю энергии света при таком преобразовании и незначительную яркость, сам процесс доставляет несомненное удовольствие своей оригинальностью и наглядностью демонстрации физико-химических принципов.

Резюмируя, можно выделить последовательные этапы возникновения и поддержания пламени свечи. Инициирующим фактором является теплота зажженной спички, от которой стеарин или парафин фитиля начинает плавиться. Далее расплавленное вещество под воздействием высокой температуры переходит в газообразное состояние, образуя преимущественно соединения углерода и водорода. Затем у фитиля возникает пламя по механизму, описанному ранее, и выделяющееся тепло служит для плавления новых слоев горючего материала, формируя вокруг фитиля впадину, заполненную жидкой массой. Наконец, фитиль, действуя по принципу капиллярности, всасывает жидкое топливо в зону горения, восполняя его убыль.

В заключение стоит кратко объяснить причину яркого свечения пламени свечи в отличие от бледного пламени водорода. Это явление обусловлено наличием в составе свечи углеводородов, которые под воздействием высокой температуры частично разлагаются с выделением частиц углерода. Эти раскаленные добела частицы успевают дать яркое свечение до того, как вступят в реакцию с кислородом. Чтобы убедиться в присутствии углерода, достаточно поднести к пламени холодный предмет, например фарфор или стекло: резкое охлаждение приведет к осаждению углерода в виде слоя сажи, при этом сила света пламени заметно упадет. Даже легкое дуновение на пламя свечи вызывает достаточное охлаждение для образования сажи, что еще раз подтверждает эту теорию.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.