Come bruciano le candele e come consumano il combustibile?

Come bruciano le candele? Cioè, in che modo consumano il combustibile? Perché la luce della fiamma sulle candele in gran parte è gialla, e perché di solito ai suoi lati si formano zone blu? A queste e a numerose altre domande rispose il grande scienziato inglese Michael Faraday nel corso di sei memorabili lezioni tenute nel Natale del 1848, alla Royal Institution di Londra.

Lezioni che rimangono un capolavoro di divulgazione scientifica e che sono confluite in un libro, “Chemical history of a candle”, che ha incantato e ispirato moltissimi giovani (incluso il sottoscritto) per più di un secolo, che è stato tradotto in molte lingue e che viene tuttora pubblicato.

Come bruciano le candele: come avviene la combustione

Come bruciano le candele? Vediamo come funziona. Quando si accende lo stoppino, il cotone di cui è composto brucia e il calore fa fondere la cera. La cera liquida risale lo stoppino per capillarità e si vaporizza alla sua estremità superiore, dove si mescola con l’aria e prende fuoco. La combustione è appunto il risultato di una reazione chimica tra l’ossigeno dell’aria e il combustibile (la paraffina), reazione che genera calore e luce, nonché acqua e anidride carbonica.

Presso lo stoppino, per il poco ossigeno presente, la reazione chimica è molto quieta, per cui si ha una zona relativamente oscura e non molto calda, sugli 800 °C. Le particelle che si formano in tale zona migrano verso i bordi e la cima della fiamma, dove invece l’ossigeno è abbondante: è lì che avviene la vera e propria reazione di combustione, innalzando la temperatura a circa 1400 °C. Il colore della fiamma dipende sia dalla temperatura di combustione che dai particolari materiali che bruciano. In alto e ai bordi, la fiamma tende al blu.

Qui, infatti, c’è molto ossigeno che reagisce con gli idrocarburi, frantumandoli in molecole più piccole fra cui si trova il carbonio molecolare C₂ e l’idrocarburo CH. Quando vengono prodotte nello stato eccitato, queste molecole presto si diseccitano emettendo luce secondo una certa serie di lunghezze d’onda. Gran parte di queste emissioni di luce brillante si trovano all’estremo blu dello spettro visibile.

Il colore e la forma della fiamma

La parte interna della fiamma passa gradualmente dal giallo al rosso dal momento che la disponibilità di ossigeno è via via minore. C’è una zona arancione, con poco ossigeno, dove il carbonio inizia a bruciare e si combina con il vapore acqueo prodotto nella zona blu. La zona gialla, la più estesa, è quella in cui la concentrazione di carbonio è più alta, e la sua combustione si completa producendo la luce gialla che è la parte principale della luce emessa dalla candela.

La fiamma ha una forma allungata verso l’alto, anche a candela inclinata, a causa della gravità. La fiamma, infatti, riscalda l’aria circostante, la quale tende a salire trascinando con sé le particelle in combustione. Questo in virtù della spinta ascensionale di Archimede, dovuta al minor peso di un dato volume di aria calda rispetto ad un uguale volume di aria fredda.

Prima di spegnersi, la fiamma diventa instabile e ondeggia in maniera vistosa. Questo avviene quando lo stoppino diventa troppo lungo perché la cera fluidificata lo risalga abbastanza in fretta da ripristinare il combustibile consumato. La fiamma, allora, inizia ad affievolirsi; la richiesta di combustibile, pertanto, diminuisce e il flusso di cera fusa che risale lo stoppino torna ad essere sovrabbondante. La fiamma si ravviva e ciò rende nuovamente insufficiente l’arrivo di paraffina. Si viene in tal modo ad instaurare un regime di instabilità che, dopo alcuni cicli ripetitivi, porta allo spegnimento totale.