* l.J.F. (Jo) Hermans * Leiden University, The Netherlands *

hermans@physics.leidenuniv.nl * DOI: 10.1051/epn/2010404

Doduše: plamen svijeće je loš izvor svjetlosti. Za svijeću kao potrošača energije od oko 100 W, njena proizvodnja svjetlosti nije ni blizu nijednom modernom izvoru svjetlosti. Ali i pored toga, predstavlja genijalan komad tehnologije. Prije nego što uđemo u detalje, trebali bismo shvatiti da, kada govorimo o plamenu, govorimo o kemijskim reakcijama u plinskoj fazi. To čak možemo ilustrirati na jednostavan način gašenjem svijeće puhanjem i ponovnim paljenjem unošenjem goruće šibice u stup dima iznad vrućeg fitilja. Dakle, ne možemo šibicom jednostavno zapaliti komad voska, jer je tlak pare daleko prenizak. Uzmimo parafin, daleko najčešće gorivo koje se danas koristi u proizvodnji svijeća. Sastoji se od mješavine ugljikovodika, na primjer CnH2n+2 gdje je n obično oko 22 do 25. Takve molekule imaju tlak pare na temperaturi okoline daleko ispod 10-6 bara, mnogo prenizak da bi se zapalio i – srećom – dovoljno nizak da se svijeće mogu čuvati gotovo neograničeno. Dakle, za paljenje parafina moramo se približiti njegovom vrelištu, koje je negdje u rasponu od 350 do 430 ℃. Upravo to postižemo impregniranjem fitilja s malo parafina. Njegov toplinski kapacitet je toliko mali da mu se temperatura u sekundi može podići gorućom šibicom. Stijenj je srž svijeće. Ne samo da topi vosak neposredno ispod sebe, već djeluje i kao crpka za gorivo kapilarnim dizanjem tekućeg voska, čime se održava plamen. Ako pažljivo pogledamo paljenje svijeće, primjećujemo da je plamen isprva velik, zatim se smanjuje zbog nedostatka goriva, a punim sjajem gori tek kada uspije otopiti dovoljan sloj voska. Stijenj je obično izrađen od upredenih pamučnih niti, impregniranih nekim anorganskim spojem kako bi se spriječilo naknadno tinjanje nakon gašenja plamena. Njegova građa ima presudan utjecaj na performanse svijeće, uključujući krutost fitilja i njegovu sposobnost samoskraćivanja.

Može sadržavati cinkovu ili kositrenu jezgru koja mu pomaže da stoji uspravno kada se okolni vosak ukapljuje. Rad svijeće nas usput uči da je toplina izgaranja mnogo veća od topline taljenja i topline isparavanja zajedno. To je jedna od osnovnih lekcija fizike skrivena u svijeći. Očito je da rad svijeće ovisi o prirodnoj konvekciji za uklanjanje produkata izgaranja i dobavu svježeg kisika. Doista, u mikrogravitaciji (bestežinskom stanju) svijeća gori samo kratko prije nego što se ugasi zbog nedostatka kisika. Evo još jedne lekcije iz fizike: difuzija pri tlaku okoline vrlo je spor proces. Sam plamen čini niz koraka: isparavanje voska, piroliza u plinovite fragmente ugljikovodika i čvrste čestice ugljika ('čađa') i, konačno, sagorijevanje čestica ugljika u svjetlećem konusu što je za početak cijela svrha svijeće. U slučaju nepotpunog izgaranja ovih C-čestica – na primjer, ako nedostaje kisika ili ako nalet vjetra smanji temperaturu plamena ispod 1000 ℃ – plamen će emitirati čađu i pokvariti ugođaj. Temperatura u svjetlećem stošcu je oko 1200 ℃. Sada postaje jasno zašto je svijeća tako neučinkovit izvor svjetlosti. Ne samo da se više od 80% topline konvekcijom uzdiže prema gore i zrači dalje od plamena. Preostalih 20% također ne pruža baš učinkovito osvjetljenje za čitanje u mraku. Ako pretpostavimo da se goruće čestice ugljika na 1200 ℃ ponašaju poput Planckovog zračenja crnog tijela, Wienov zakon nam govori da je njegov vrhunac emisije na valnoj duljini od približno 2 μm. S obzirom na usku krivulju osjetljivosti oka sa središtem od oko 0,5 μm, zaključak je neizbježan. Svijeće pružaju zanimljivu fiziku, ali jedva da daju dovoljno svjetla.