Pergunte ao Ethan nº 59: Dobre a chama, metade do tempo?
Quando você joga mais combustível no fogo, por que ele queima em menos tempo?
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Fir000 dois.
A luz que queima duas vezes mais brilhante queima metade do tempo - e você queimou muito, muito brilhante, Roy. Olhe para você: você é o Filho Pródigo; você é um prêmio! – Dr. Eldon Tyrell, Blade Runner
À medida que as noites se alongam e o inverno se aproxima aqui no hemisfério norte, muitos de nós acenderemos velas, acenderemos fogueiras em nossas lareiras ou acenderemos combustível em nossos fogões a lenha. Mas se você quiser que o fogo dure mais – contra-intuitivamente – é melhor queimar menos disso de uma vez! É assunto de a pergunta Ask Ethan desta semana , que é cortesia de Pamela Peters, que pergunta:
Por que, quando tenho fogo no fogão a lenha, duas toras queimam muito mais rápido quando colocadas juntas, do que uma?
Em primeiro lugar, por mais contra-intuitivo que pareça, o que Pamela percebe é verdade .
Crédito da imagem: Fogo com um grande log nele, via http://www.itsjustanopinion.com/5/post/2014/04/spring-time.html .
Diga que você está em algum lugar (ou dentro em algum lugar) e você tem um incêndio. Pelo menos, está indo bem o suficiente para que você possa colocar um grande tronco nele, e esse tronco começará a pegar fogo e queimar por conta própria. Você pode razoavelmente esperar - dependendo do tamanho do seu tronco - uma ou duas horas (ou três) fora dele, enquanto o fogo lentamente come o seu caminho, consumindo o combustível da madeira à medida que avança.
Mas e se você colocar duas (ou mais) toras de tamanho semelhante no mesmo fogo?
O infame programa de TV Yule Log Christmas, 1956, WPIX. Através da http://blasphemes.blogspot.com/2009/12/yule-log.html .
As chamas vão queimar mais forte, a madeira (e o fogo) vai queimar mais quente e mais rápido, e – apesar de ter mais combustível à sua disposição – as toras não serão nada além de cinzas em um Muito de menor tempo.
Esse fenômeno é algo que muitos de vocês, quando criança, com algumas velas à sua disposição e uma leve predisposição à piromania, podem ter notado. (Só eu? Não, não poderia ser só eu!)
Crédito das imagens: James Brittin (L), de duas velas separadas por alguma distância, e Nevit Dilmen do Wikimedia Commons (R), de duas velas acesas se tocando.
Se você tem uma única vela acesa sozinha (ou duas velas bem separadas queimando separadamente), você tem uma série de auto-sustentável reações químicas catalisadas pelo calor. Vamos dar uma olhada no que são, em quatro etapas.
Crédito da imagem: Klaus Roth de ChemistryViews, via http://www.chemistryviews.org/details/ezine/1393371/Chemistry_of_the_Christmas_Candle__Part_2.html .
1.) Primeiro, o combustível à base de hidrocarbonetos, cadeias moleculares de átomos de carbono (com átomos de hidrogênio ligados) ligados a outros átomos de carbono são quebrados em cadeias menores e, eventualmente, dímeros e monômeros. Este processo na verdade absorve energia (é endotérmico), razão pela qual, contra-intuitivamente, a temperatura na fonte de combustível é não a parte mais quente de um incêndio!
Crédito da imagem: Klaus Roth de ChemistryViews, via http://www.chemistryviews.org/details/ezine/1393371/Chemistry_of_the_Christmas_Candle__Part_2.html .
dois.) Em seguida, essas pequenas cadeias, movendo-se um jeito da fonte de combustível e em direção a temperaturas mais altas, encontram moléculas de oxigênio, que são altamente reativas. A reação é simples: um hidrocarboneto combina-se com o oxigênio para produzir água e dióxido de carbono como produtos finais, com alguns monóxido de carbono e radicais livres produzidos como intermediários. (A propósito, os intermediários nem sempre queimam até o fim.) Esse processo emite energia (é exotérmico), o que significa que os locais onde essa reação ocorre com mais eficiência resultam na parte mais brilhante e mais quente da chama.
Crédito das imagens: Klaus Roth de ChemistryViews, via http://www.chemistryviews.org/details/ezine/1393371/Chemistry_of_the_Christmas_Candle__Part_2.html .
3.) E finalmente - e esta é a parte que é importante para a chama você vê — a fuligem é produzida. Você pode ter pensado, como a maioria das pessoas, que as chamas amarelas brilhantes que você vê são simplesmente o resultado do brilho do plasma ionizado e quente. Não exatamente! As moléculas de fuligem podem ser bastante complexas, consistindo em mais de um milhão átomos em muitos casos. Se você expô-los a uma temperatura quente o suficiente, e estamos falando de temperaturas de 1.200 ° C ou acima, eles começarão a converter essa energia térmica em luz visível, e essa luz visível atinge o pico em comprimentos de onda amarelos. Você notará, a propósito, que se você iluminar uma chama com uma luz forte o suficiente para produzir uma sombra (canto superior direito), você ver um onde está a chama; isso é por causa da fuligem!
A razão pela qual não há fuligem subindo acima é que - na presença de oxigênio e em temperaturas acima de 1.000 ° C - a fuligem queima até o fim. Uma vez que você sai da região pobre em oxigênio ao redor da chama, a combustão ocorre mais uma vez e você não pode ver a fuligem. Somente se você desviar a fuligem (canto superior esquerdo) para temperaturas mais baixas você poderá vê-la, um experimento brilhante idealizado por Faraday em 1800!
Então é assim que funciona para uma única fonte de chama de praticamente qualquer tipo. Então, por que a fusão de duas chamas de vela ou a adição de toras adicionais em um incêndio faria com que o processo fosse mais rápido?
Crédito da imagem: adição de snap-on de imagem térmica da FLIR para seu iPhone, via http://thinblueflorida.com/?p=8026 .
Porque o fator limitante para a rapidez com que um incêndio queima – que é, lembre-se, a taxa de reação para combustão – normalmente não é a quantidade de combustível disponível, nem a quantidade de oxigênio disponível. Em vez disso, é o volume dessa região do espaço que tem energia/temperatura suficiente para a combustão ocorrer, e com que rapidez que a combustão prossegue nessa região.
E este é um processo autossustentável, lembre-se: o mais rápido ocorre a combustão, quanto mais altas forem as temperaturas alcançadas e, portanto, o mais eficientemente e mais rapidamente outras reações prosseguem! Portanto, se você colocar duas velas juntas, as chamas combinadas atingem uma temperatura mais alta, queimam o combustível mais rapidamente e fazem com que você queime seu combustível significativamente mais rápido do que faria separadamente. Se você colocar o dobro de toras no fogo (e não estiver limitado pelo oxigênio), atingirá temperaturas mais altas e aumentará a taxa de reação da queima do combustível na madeira, queimando todo o suprimento mais rapidamente. E se você jogar o dobro de carvões em seu motor a carvão, seu motor produzirá mais do que o dobro de energia, mas ficará sem combustível mais rapidamente.
Crédito da imagem: Modesto Bee, dos 2013 California Wildfires, via http://www.fresnobee.com/2014/03/31/3852695/cal-fire-adding-firefighters-this.html .
É por isso que, em no meio de um incêndio violento , tanto quanto dezenas de milhares de hectares de terras florestadas podem ser completamente destruídas em questão de dias. Aumente as temperaturas e a taxa de reação, e sua reação prossegue até a conclusão ainda mais rapidamente.
Não são apenas as reações químicas, veja bem, como o fogo, que estão sujeitas a esse mesmo efeito. Em qualquer reação onde energia é um catalisador para sua reação auto-sustentável, adicionando mais energia ou trazendo quantidades adicionais de material reativo para ajudar a reação a se completar mais rapidamente. Incluindo em estrelas !
Crédito da imagem: Recuperado de Margaret Murray Hanson na Universidade de Cincinnati.
Uma estrela do tipo G como o nosso Sol atinge temperaturas de 15 milhões Kelvin em seu núcleo e queimará todo o seu combustível nuclear em cerca de 12 bilhões de anos. Mas uma estrela com apenas 8% da massa do nosso Sol - uma estrela do tipo M - ainda sofrerá fusão nuclear em seu núcleo a temperaturas de apenas 4 milhões Kelvin. Mas essas estrelas vão levar mais de 1.000 vezes contanto que nosso Sol queime seu combustível, mesmo que eles tenham apenas 8% do combustível do Sol!
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons LucasVB.
Por outro lado, existem estrelas por aí com dezenas ou até centenas a massa do nosso Sol, mas o mais massivo entre eles viverá menos de 0,01% da quantidade de tempo , apesar de ter muito mais combustível. Para as estrelas, um objeto com o dobro do combustível vive apenas um oitavo contanto, fazendo com que o nosso problema do log-on-the-fire pareça um amendoim!
Obrigado por uma ótima pergunta, Pamela, e pela oportunidade de explorar a ciência por trás de um fenômeno que muitos de nós notamos, mas que desafia nossa intuição. Se você tiver uma pergunta que gostaria de ver em destaque no Ask Ethan, mande o seu aqui , e nos vemos na próxima semana para mais maravilhas do Universo aqui no Começa com um estrondo !
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