Условие задачи

Чем объяснить тот факт, что пламя природного газа практически бесцветно, а пламя свечи – светящееся?

Решение

Дисциплина, к которой относится данная задача, – физика (в частности, физика горения и излучения) с элементами химии горения.

Рассмотрим подробное решение.

1. Основное отличие пламени природного газа от пламени свечи связано с процессом горения и образованием частиц.

а) Природный газ (основной компонент – метан CH₄) сгорает почти полностью по реакции

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

при этом не образуются значительные количества твердых частиц. Из-за полного сгорания энергия выделяется в виде тепла, и пламя имеет синий цвет, обусловленный, например, молекулярным электрическим излучением и высокими температурами, однако оно существенно не светится за счет отсутствия горячей асфальтовой частицы или углеродного дыма.

б) В пламени свечи горение протекает несколько иначе. Воск (смесь углеводородов) при нагревании испаряется, а затем происходит его неполное горение, в результате которого образуются микроскопические углеродные частицы (сажа). Эти частицы нагреваются до высоких температур и начинают излучать свет по закону Планка (излучение абсолютно черного тела). Именно их инканденсное (светящееся) излучение делает пламя ярким и желтоватым.

2. Физический механизм свечения:

Когда в пламени свечи образуются сажа и углеродные частицы, они нагреваются до температур T, при которых начинают светиться по закону Стефана–Больцмана:

I ∝ σT⁴,

где I – интенсивность излучения, σ – постоянная Стефана–Больцмана. При этом распределение излучения по длинам волн определяется законом Планка, и максимум излучения смещается к видимому спектру (жёлтый окрас). Таким образом, пламя свечи оказывается светящимся.

3. Завершая рассуждения:

– Природный газ, сгорая полностью, не образует значительного количества сажи, поэтому его пламя почти бесцветно (имеет синий оттенок, который трудно увидеть при ярком освещении).

– Свеча содержит вещества, которые при горении дают углеродные частицы, нагретые до высоких температур, поэтому пламя свечи светится ярко за счет инканденсного излучения этих частиц.

Таким образом, отличие яркости пламени вызвано различиями в составе топлива и режимах горения: чистое горение природного газа без образования частиц против неполного горения в свечах, приводящего к образованию инканденсно светящихся частиц сажи.