Vì sao khi chúng ta thắp nến, ngọn lửa có hình giọt nước?

Điều thú vị là, ngọn lửa nến có dạng hình giọt nước khi ở Trái đất, nhưng lại có dạng hình cầu trong không gian vũ trụ.

Theo Hiệp hội Nến Quốc gia (trụ sở tại Washington D.C, Mỹ), có rất nhiều thuyết hóa học và vật lý đằng sau vẻ đẹp, cũng như ánh sáng của ngọn lửa nến. Trên thực tế, giới khoa học đã bị "mê hoặc" bởi những ngọn nến trong hơn 100 năm qua và luôn đi tìm kiếm lời giải thích về những hiện tượng liên quan đến nó.

Năm 1860, nhà khoa học Michael Faraday đã đưa ra loạt bài giảng (hiện nay trở nên nổi tiếng) về lịch sử hóa học của nến, chứng minh hàng chục nguyên tắc khoa học thông qua những quan sát cẩn trọng của ông về ngọn nến đang cháy.

Tới cuối những năm 1990, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) đã đưa những nghiên cứu về nến lên một tầm cao mới khi tiến hành thí nghiệm trên tàu con thoi để tìm hiểu về ngọn lửa nến trong môi trường trọng lực.

Các nhà khoa học ở nhiều trường đại học và nghiên cứu trên khắp thế giới cũng tiếp tục tiến hành các thí nghiệm với nến để tìm hiểu thêm về ngọn lửa, khí thải và quá trình đốt cháy của nến.

Nến cháy như thế nào?

Tất cả các loại sáp về cơ bản đều là hydrocacbon, có nghĩa là chúng được cấu tạo phần lớn từ các nguyên tử hydro (H) và carbon (C).

Khi bạn thắp một ngọn nến, sức nóng của ngọn lửa sẽ làm tan chảy lớp sáp gần bấc nến. Sáp lỏng này sau đó được đưa lên phía trên bấc qua tác động của hiện tượng mao dẫn.

Sức nóng của ngọn lửa làm bốc hơi sáp lỏng (biến nó thành khí nóng) và bắt đầu phân hủy hydrocacbon thành các phân tử hydro và carbon. Các phân tử này được đưa lên ngọn lửa, nơi chúng phản ứng với oxy từ không khí để tạo ra nhiệt, ánh sáng, hơi nước (H₂O) và carbon dioxide (CO₂).

Mất vài phút kể từ khi bạn thắp nến để quá trình đốt cháy trở nên ổn định. (Ảnh: pixels)

Một lượng nhiệt đủ lớn sẽ được tạo ra để làm tan chảy nhiều sáp hơn, nhằm giữ cho quá trình đốt cháy tiếp tục.

Phải mất vài phút kể từ khi bạn thắp nến để quá trình đốt cháy trở nên ổn định. Lúc đầu ngọn lửa có thể bập bùng hoặc bốc khói một chút nhưng khi quá trình này ổn định, ngọn lửa sẽ tạo thành hình giọt nước.

Nếu nhận được quá ít hoặc quá nhiều không khí/nhiên liệu cháy, ngọn lửa có thể trở lại trạng thái bập bùng hoặc cháy bùng lên, các hạt carbon chưa cháy (muội than) sẽ thoát ra khỏi ngọn lửa trước khi chúng có thể cháy hết.

Những làn khói mà đôi lúc bạn nhìn thấy khi ngọn nến cháy bập bùng thực chất là do các hạt muội than chưa cháy hết thoát ra khỏi ngọn lửa do quá trình đốt cháy không hoàn toàn.

Màu sắc của ngọn lửa nến

Nếu quan sát kỹ ngọn lửa nến, bạn sẽ thấy nó chia thành 3 vùng màu sắc cơ bản: Vùng màu xanh lam ở gốc ngọn lửa. Tiếp theo là vùng nhỏ màu cam/nâu sẫm và cuối cùng là vùng lớn màu vàng mà chúng ta thường liên tưởng tới khi nói đến "ngọn lửa nến".

Vùng màu xanh giàu oxy là nơi các phân tử hydrocacbon hóa hơi và bắt đầu phân tách thành các nguyên tử hydro và carbon. Hydro là nguyên tử đầu tiên tách ra ở đây và phản ứng với oxy để tạo thành hơi nước. Một số nguyên tử carbon cháy để tạo thành carbon dioxide.

Ngọn lửa nến chia thành 3 vùng màu sắc cơ bản. (Ảnh: Pinterest)

Vùng màu cam/nâu sẫm có tương đối ít oxy. Đây là nơi các dạng carbon khác nhau tiếp tục phân hủy, đồng thời các hạt carbon nhỏ và cứng bắt đầu hình thành.

Ở phần chân của vùng màu vàng, sự hình thành các hạt cacbon (muội than) tăng lên. Khi các hạt này bay lên phía trên, chúng tiếp tục nóng lên cho tới khi bắt lửa cháy và phát ra quang phổ ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy.

Do phần màu vàng của quang phổ chiếm ưu thế nhất nên khi cacbon bốc cháy, mắt người sẽ cảm nhận ngọn lửa có màu hơi vàng.

Ngoài 3 vùng màu sắc cơ bản trên, ngọn lửa nến còn có vùng màu thứ 4. Đây là viền màu xanh nhạt bên ngoài ngọn lửa nến, kéo dài từ vùng màu xanh ở gốc ngọn lửa lên phía trên.

Lý do ngọn lửa nến có hình giọt nước

Khi nến cháy, ngọn lửa sẽ làm nóng không khí gần đó và bắt đầu bốc lên. Khi luồng không khí nóng này di chuyển lên trên, không khí mát hơn và oxy sẽ tràn vào gốc ngọn lửa để thay thế. Cứ như vậy, chu kỳ liên tục của không khí chuyển động xung quanh ngọn lửa (dòng đối lưu) khiến cho ngọn lửa có hình dạng thuôn dài hoặc hình giọt nước.

Ngọn lửa nến có dạng hình cầu trong không gian vũ trụ. (Ảnh: Pinterest)

Do chuyển động "lên" và "xuống" của luồng không khí ở đây xuất phát từ tác động của lực hấp dẫn trên Trái đất nên các nhà khoa học đã tự hỏi ngọn lửa nến sẽ trông như thế nào trong không gian vũ trụ, nơi lực hấp dẫn ở mức nhỏ nhất.

Cuối những năm 1990, các nhà khoa học NASA đã tiến hành một số thí nghiệm trên tàu con thoi để xem ngọn lửa sẽ hoạt động như thế nào trong môi trường vi trọng lực. Như chúng ta có thể thấy từ bức ảnh của NASA ở phía  trên, ngọn lửa nến trong môi trường vi trọng lực sẽ có dạng hình cầu, thay vì hình dạng thuôn dài trên Trái đất. Nói cách khác, ở Trái đất, ngọn lửa bốc lên theo chiều đứng nhưng trong vũ trụ, chúng tỏa ra tất cả các hướng.

• Vì sao chúng ta dễ buồn chán vào cuối thu, đầu đông?
• Tại sao nhiệt độ không có giới hạn trên nhưng lại có giới hạn dưới là độ không tuyệt đối?
• Vì sao cá biển sâu chịu được môi trường áp lực cao?