Свеча

Собрались как-то на даче учителя физики. Приготовили пять килограммов шашлыка, рассказали три анекдота про расщепление нейтрино и придумали четырнадцать реформ образования. Наступил поздний вечер — самое время отдохнуть на террасе. И тут появился Карл Саган. Точнее, не сам астрофизик, а его книга «Мир, полный демонов. Наука — как свеча во тьме». Один из гостей начал зачитывать поставленным педагогическим голосом:

«Всякий раз, когда в нас пробуждаются расовые и национальные предрассудки, когда приходится затянуть пояса, когда национальная гордость или мужество подвергаются испытанию, когда вокруг вспыхивает фанатизм, тут же оживают привычки, нажитые за тысячелетия. Трещит пламя свечи. Дрожит и сужается маленький круг света. Сгущается тьма. Во тьме шевелятся демоны…»

Ровно на этих словах что-то нехорошее случилось с поселковым трансформатором. На террасе погас свет. Учителя отложили книгу в сторону и зажгли свечку. Смотрят они на огонёк и, как положено педагогам, думают, чему учить школьников.

1-й учитель физики:

— Простота свечки кажущаяся. Если внимательно разглядывать её разноцветное пламя, можно понять важные законы физики. Сам Майкл Фарадей называл пламя свечи «окном в науку» — и прочитал по этому поводу не одну, а целых шесть рождественских лекций для молодёжи. Надо и мне попробовать.

2-й учитель физики:

— Точно! Я бы рассказал о капиллярном эффекте. Топливо, питающее пламя свечи, — расплавленный воск — поступает по капиллярам внутри фитиля. Точно так же, как вода проникает в волокна полотенца или путешествует по тканям дерева. Капиллярные силы преодолевают силу тяжести и поднимают жидкий материал свечи наверх.

3-й учитель физики:

— Но дело не только в капиллярном эффекте, коллега. Часть топлива поступает наверх без всяких капилляров, в потоке горячего газа. Это пары воска, которые образуются под пламенем в результате испарения лужицы расплавленного топлива. Можно провести эффектный эксперимент: если аккуратно задуть пламя и быстро пронести спичку над дымящимся фитилём, можно увидеть, как парящие над свечой горючие газы снова воспламенятся.

4-й учитель физики:

— Не забываем про силу тяжести. Пламя свечи нагревает воздух, тот 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 её нет, топливо сгорает и улетучивается во всех направлениях одновременно. Учёные из NASA проверили эту гипотезу: они зажгли свечу на борту космического корабля и увидели ровный шарик пламени вокруг фитиля.

5-й учитель физики:

— Давайте-ка вспомним и о братьях наших химиках. Тепло и свет свечи — это побочный результат реакции горения. Энергия, которая была заключена 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 вот в верхней части язычка присутствуют и промежуточные продукты: угарный газ и чистый углерод, образующий частицы сажи.

6-й учитель физики:

— Я бы обратил внимание школьников на цвет пламени. Почему вверху оно жёлтое? Те, кто видел опыты с солями разных металлов, окрашивающими пламя во все цвета радуги, обычно начинают искать в свечке натрий. Но в данном случае дело совсем не в нём! А в чём? Правильно: 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. Пламя свечи не слишком горячее — около тысячи градусов, — поэтому оно жёлтое.

7-й учитель физики:

— Но это не вся история. Стоит подумать, почему нижняя часть пламени окрашена иначе, в голубой цвет. Здесь много кислорода, и углеводороды сгорают полностью, превращаясь не в углерод, а в углекислый газ. И 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-зелёной части спектра, поэтому внизу мы видим голубоватое пламя. В отсутствие силы тяжести шарик пламени свечи будет окрашен в голубой почти целиком.

8-й учитель физики:

— И вот ещё что — плазма! Да-да, она здесь тоже замешана. В пламени постоянно образуются заряженные частицы: отдельные электроны, оторвавшиеся от своих молекул, и положительно заряженные молекулы. Газ из заряженных частиц и есть плазма. Пламя спички, свечи, зажигалки, костра и других не слишком горячих вещей называют низкотемпературной плазмой. Как это доказать? Поместите свечку в электрическое поле, и пламя будет отклоняться, как на ветру; чем больше напряжение, тем больше язычок будет сносить в сторону отрицательно заряженного электрода…

В этот момент электрики починили трансформатор, и на террасе загорелся свет. Гость с самым педагогическим голосом долистал книгу Сагана до конца и зачитал: «…когда-нибудь наука принесёт нам свой главный дар: объяснит наше место в мироздании, кто мы и где в пространстве и во времени». Ну, а после учителя физики отправились спать, и снилась им огромная восковая свеча, озаряющая тёмное пространство Вселенной на миллиарды световых лет.

Фото: https: mirkrasim.ru/images/artiklfot/2020-02-06_190024

Материал опубликован в журнале «Кот Шрёдингера» № 51 2022 г.