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martes, 19 de abril de 2011

Física a la luz de las velas






¿Alguna vez has observado detenidamente una vela? Pues yo lo hice un día de estos, y mientras disfrutaba de la relajante sensación que suele proporcionar, no pude evitar preguntarme ¿de dónde viene la luz? ¿por qué la llama tiene diferentes colores? ¿de qué sirve la mecha, por qué no se quema de un solo ? ¿qué sucede con la parafina, se evapora y por eso la vela se apaga? (Nota: sí, así somos los y las físicas, siempre preguntando, hasta en los momentos de descanso :) )  Desde ese día he querido escribir al respecto. Investigando un poco sobre el asunto, me di cuenta que no fui la primera en preguntarse estas cosas, como suele suceder. De hecho Faraday, físico muy famoso por sus descubrimientos en electricidad y magnetismo, estudió detalladamente la física y la química de las velas. Incluso, en 1860 dio una serie de 6 charlas dirigidas a jóvenes, titulada la "La historia química de la vela". La transcripción de estas lecciones se pueden encontrar en este enlace.
A continuación les ofrezco algunas explicaciones que estoy segura les parecerán muy interesantes.

Encendiendo la vela
Empecemos del principio. Una vela o candela, puede estar hecha de diferentes materiales como por ejemplo parafina y cera de abejas. Lo importante es que este material debe ser sólido a temperatura ambiente y derretirse al calentarse. Por simplicidad, yo voy a considerar una vela de parafina para este texto.
Cuando encendemos la vela, se produce luz y calor al quemarse la mecha. La vela empieza a derretirse y el material líquido sube por capilaridad por las fibras de la mecha (en esta publicación podés leer sobre capilaridad). Una vez que llega al tope, donde está la llama, sufre un proceso de descomposición que es el responsable por la emisión de luz, los colores y la forma de la llama. Esto explica porqué la mecha no se consume de una sola vez: lo que se consume es el combustible que viene de la vela derretida. Y también explica porqué la vela se acaba: la parafina se consume en la misma llama.

La zona de reacción
Seguramente habrás observado la llama de una vela en alguna ocasión y te habrás dado cuenta que no es homogénea en color.  Por ejemplo,  más o menos a la altura de la mecha y en la región exterior de la llama, vemos una luz azulada. En este caso, las moléculas de la parafina derretida, la cual esencialmente es una molécula compuesta por otras moléculas menores, se evaporada de la mecha y se descompone en moléculas más pequeñas que reaccionan entre ellas y con el  oxígeno del aire. Como resultado producen otras moléculas pequeñas como CH y C2. Al ocurrir esta descomposición se libera también energía (la energía que estaba contenida en los enlaces químicos que formaban la molécula grande de parafina) y como consecuencia las moléculas se encuentran en estado excitado. Esto significa que los electrones alrededor de los núcleos tienen una energía por encima de su nivel mínimo. Moléculas excitadas emiten energía para poder regresar a su estado no excitado o estado basal, pues una de las reglas de la Naturaleza es que todo tiende a su estado de mínima energía. Esa energía emitida la vemos en forma de luz, predominantemente en tonos azulados para este caso. Esto es lo que se conoce como emisión molecular.

El cono oscuro
La región cercana a la mecha en el interior de la llama es oscura. Aquí no hay mucho oxígeno que pueda reaccionar con el vapor de parafina y  la temperatura es relativamente baja, así que la emisión de luz en esta región es muy poca o casi nula. Es en esta región donde se encuentra la menor temperatura en la llama, aproximadamente 600 grados centígrados. Es por eso que cuando uno juega a pasar la mano por la llama sin quemarse el secreto está en hacerlo lo más cerca posible de la mecha (dicho sea de paso, en este blog no recomendamos jugar con fuego ;) )

Amarillo luminoso
Finalmente, la parte más sobresaliente de la llama es la de color amarillo. Esta región está formada por un gas de partículas nanométricas  de carbono. Pero a diferencia del cono oscuro, las moléculas están lo suficientemente calientes como para volverse incandescentes. Esto es  como cuando observamos carbón en brasas: sabemos que está realmente caliente cuando lo vemos rojo o incluso blanco. De hecho las temperaturas en esta región superan los 1000 grados centígrados.
La demostración de que en realidad se trata de partículas sólidas de carbono suspendidas en el aire es muy sencilla como dedujeron Faraday y su mentor Davy. Basta con tomar una vela y observar su llama contra la luz del sol. La región amarilla de la que estamos hablando aparecerá opaca debido a la presencia de estas nanoparticulas.  Sin embargo el mecanismo mediante el cual se producen dichas nanopartículas todavía no está muy claro.
Estas partículas de carbono son las responsables por el color negro que adquieren algunos objetos cuando los acercamos a la llama, por ejemplo una cuchara.



La forma de la llama
Entre más se calienta el aire, menos denso es. Por lo tanto, el aire caliente tiene a subir por encima del aire que está menos caliente. De esta manera se crea una corriente de convección alrededor de la llama: el aire en contacto con ella se calienta, sube y es remplazado por aire menos caliente. Este constante fluir del aire es el responsable por la forma de gota  de la llama. Pero no olvidemos que la noción de hacia donde es arriba y hacia donde es abajo depende en realidad de la gravedad terrestre: abajo es hacia donde caen los objetos. Entonces cabe preguntarse, qué sucedería en un ambiente sin gravedad? Científicos de la NASA han realizado experimentos al respecto a bordo de transbordadores y de la estación espacial. El resultado es una llama semi-esférica alrededor de la cual no hay corrientes de convección, como se muestra en la foto tomada directamente de la página de los experimentos. Por lo tanto el calor se concentra durante más tiempo cerca de la vela y la parafina se derrite más rápido. Una vela en la estación espacial se gasta más rápido que en la Tierra.

En realidad estas líneas son un resumen bastante corto de la física de las llamas de las velas. Mucho más puede ser dicho, incluyendo también la parte química, tanto así que Faraday hizo todo un curso de 6 sesiones sobre este tema. Lo importante es que de ahora en adelante, cuando el o la lectora de este post observe la llama de una vela, recordará que existen por lo menos dos fenómenos físicos diferentes responsables por la luz y su color: emisión molecular e incandescencia.  Por cierto, a propósito evité poner la foto de una vela para ilustrar los colores de la llama, pues la idea es incentivarlos a uds. a observar bien la llama la próxima vez que se topen con una vela encendida.

(La información para este post fue tomada en gran parte del texto publicado por J. Walker en la sección "The amateur scientist" de Scientific American en abril de 1978 )

3 comentarios:

  1. Gracias por el tema- A mí también me fascinó el asunto desde la perspectiva de la luz ¿Qué produce la luz? Afortunadamente tomé el curso de Jackson y...¡La luz la produce la aceleración de cargas eléctricas: Bremsstrahlung! Cierto, la aceleración de una carga nace a costa de su cambio de energía, pero hay luz cada vez que una carga se acelera. Por cierto puede verse la luz acelerada muy uniformemente en un sincrotron, tan uniforme es su aceleración, que de esa luz se pueden conocer muy bien sus propiedades: intensidad y estado de polarización.

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  2. Definitivamente es un tema muy interesante, gracias por su comentario. Sí, una de las formas de producir luz es la aceleración de cargas, como en el caso del síncrotron. Solo que en ese ejemplo recordemos que la radiación producida es principalmente rayos x y no luz visible, o sea a longitudes de onda más cortas.

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  3. Soy gran admirador de este blog y me impresionó ese aspecto de las moléculas incandescentes de carbono y el porque se oscurecen los objetos al exponerlos a una llama, gracias por el aporte.

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