Giải mã khoa học về ngọn nến: nến cháy thế nào?

Vẻ đẹp và ánh sáng của ngọn nến (đèn cầy) ẩn chứa rất nhiều kiến thức về hóa học và vật lý. Thực tế, hàng trăm năm qua, các nhà khoa học đã bị ngọn nến quyến rũ. Năm 1860, Michael Faraday đã thực hiện loạt bài giảng nổi tiếng về “Lịch sử hóa học của ngọn nến“, trình diễn hàng tá nguyên lý khoa học về ngọn nến thông qua những quan sát tỉ mỉ về ngọn nến cháy.

Vào cuối những năm 1990, NASA đã đưa nghiên cứu về nến lên một tầm cao mới bằng việc tiến hành các thí nghiệm trên tàu vũ trụ để tìm hiểu về hành vi của ngọn lửa nến trong môi trường vi trọng lực (microgravity). Các nhà khoa học tại các trường đại học và phòng thí nghiệm trên khắp thế giới vẫn tiếp tục thực hiện các thí nghiệm với nến để tìm hiểu thêm về ngọn lửa nến, khí thải và quá trình đốt cháy.

Và dĩ nhiên, hàng nghìn học sinh mỗi năm đều tìm hiểu về các nguyên lý nhiệt, ánh sáng và sự cháy thông qua các dự án khoa học ở trường liên quan đến nến. Để trả lời câu hỏi nến cháy thế nào thì ta phải tìm hiểu về cấu trúc của một cây nến.

Đọc thêm

• Từ ngọn lửa thiêng của sự sống đến ngọn lửa từ nến sáp ong.
• Sáp ong là gì? Sáp ong có tác dụng gì?
• Hệ thống phân loại nến (candles) dựa trên hình thức và ứng dụng.

Cấu trúc của một cây nến.

Một cây nến là một trong những vật mà thiết kế và cấu trúc của nó không có nhiều thay đổi trong lịch sử nhân loại. Một cây nến ở thời hiện đại về mặt cấu trúc sẽ giống với một cây nến trong các đền thờ Hy Lạp cách đây 3000 năm, nó cũng giống với cấu trúc của các cây nến trong các buổi tế lễ ở Ấn Độ hoặc phương Đông cổ đại. Cây nến dù ở thời nào cũng chỉ được cấu thành từ 2 phần chính: sợi bấc và sáp (hay nguyên liệu cháy)

Sợi bấc (wick).

Sợi bấc, tuy chỉ là một bộ phận nhỏ bé trong cấu trúc của nến, đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc duy trì ngọn lửa cháy sáng. Nó là cầu nối giữa nhiên liệu (sáp) và nguồn oxy trong không khí, tạo điều kiện cho phản ứng hóa học cháy diễn ra. Sợi bấc nến thường được bện thành nhiều sợi nhỏ để tăng diện tích tiếp xúc với sáp và oxy. Cấu trúc bấc cũng ảnh hưởng đến tốc độ cháy của sáp và độ sáng của ngọn lửa. Sợi bấc thường được làm từ sợi cotton, sợi vải lanh, sợi tổng hợp, sợi lụa hay các loại nến cao cấp còn dùng một thanh gỗ thơm để làm bấc.

Đọc thêm: Sợi bấc trong cây nến: cấu tạo, nguyên liệu và ảnh hưởng đến chất lượng nến.

Vai trò của sợi bấc trong cây nến:

• Hút nhiên liệu: Bấc được làm từ các sợi vật liệu thấm hút tốt. Nó có chức năng chính là hút nhiên liệu (sáp) từ dưới lên và cung cấp nó cho ngọn lửa.
• Duy trì ngọn lửa: Bấc cung cấp một con đường cho nhiên liệu di chuyển lên ngọn lửa. Khi sáp tan chảy do nhiệt từ ngọn lửa, nó sẽ thấm vào bấc và di chuyển lên đỉnh. Tại đây, sáp sẽ bốc hơi và tạo thành hỗn hợp khí dễ cháy, cung cấp nhiên liệu cho ngọn lửa tiếp tục cháy.
• Ổn định ngọn lửa: Bấc giúp ổn định hình dạng và độ sáng của ngọn lửa. Khi ngọn lửa bùng cháy, nó sẽ làm tan chảy sáp ở đầu bấc, tạo thành một vũng nhỏ sáp lỏng. Vũng sáp này sẽ cung cấp nhiên liệu cho ngọn lửa một cách đều đặn, giúp ngọn lửa cháy đều và ổn định.
• Ảnh hưởng đến chất lượng ngọn lửa: Kích thước, chất liệu và cấu trúc của bấc ảnh hưởng đến độ sáng, hình dạng và màu sắc của ngọn lửa. Bấc dày hơn sẽ tạo ra ngọn lửa to hơn và sáng hơn, trong khi bấc mỏng hơn sẽ tạo ra ngọn lửa nhỏ hơn và mờ hơn. Chất liệu của bấc cũng có thể ảnh hưởng đến màu sắc của ngọn lửa. Ví dụ, bấc cotton thường tạo ra ngọn lửa màu vàng, trong khi bấc sợi tổng hợp có thể tạo ra ngọn lửa màu trắng hoặc xanh lam.

Sáp (wax).

Sáp là thành phần chính của ngọn nến, đóng vai trò cung cấp nhiên liệu cho ngọn lửa cháy. Nó là một chất rắn hoặc bán rắn được làm từ nhiều loại nguyên liệu khác nhau, phổ biến nhất là paraffin (từ dầu mỏ), sáp ong, sáp đậu nành, sáp cọ, v.v. Mỗi loại sáp có những đặc điểm riêng về độ cứng, độ tan chảy, độ sáng và mùi hương.

Đọc thêm: Các loại sáp (wax) trong cây nến: Tổng hợp và phân loại.

Vai trò của sáp trong cây nến:

• Cung cấp nhiên liệu: Sáp là nhiên liệu chính cho ngọn lửa cháy. Khi ngọn lửa đốt cháy sáp, nó sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt và ánh sáng.
• Tạo hình dạng cho cây nến: Sáp được đúc hoặc đổ vào khuôn để tạo thành hình dạng mong muốn cho ngọn nến. Hình dạng của ngọn nến có thể ảnh hưởng đến cách thức cháy của sáp và hình dạng của ngọn lửa.
• Tạo mùi hương: Mùi hương của nến chủ yếu đến từ sáp. Sáp tự nhiên như sáp ong và sáp đậu nành có mùi hương đặc trưng riêng. Hương liệu có thể được thêm vào sáp để tạo ra các mùi hương khác nhau.
• Ảnh hưởng đến chất lượng ngọn lửa: Chất liệu, độ cứng và độ tan chảy của sáp ảnh hưởng đến độ sáng, hình dạng và màu sắc của ngọn lửa. Sáp cứng hơn sẽ tạo ra ngọn lửa nhỏ hơn và mờ hơn, trong khi sáp mềm hơn sẽ tạo ra ngọn lửa lớn hơn và sáng hơn.

Ngoài 2 thành phần chính là bấc và sáp thì một cây nến còn có thể có rất nhiều thành phần phụ hoặc các phụ kiện đi kèm như: tinh dầu, màu sắc, đế kinh loại v.v… Tùy theo nhu cầu, vị trí và mục đích sử dụng. Nhưng chỉ cần có bấc và sáp là ta đã có một cây nến (đèn cầy) hoàn chỉnh.

Cây nến cháy thế nào?

Tất cả các loại sáp về cơ bản đều là hydrocarbon, nghĩa là chúng chủ yếu được cấu tạo từ các nguyên tử hydro (H) và carbon (C). Khi bạn thắp một ngọn nến, nhiệt từ ngọn lửa làm nóng chảy sáp gần bấc. Sáp lỏng này sau đó được hút lên bấc nhờ lực mao dẫn.

Nhiệt của ngọn lửa làm bay hơi sáp lỏng (biến nó thành khí nóng), và bắt đầu phân tách các hydrocarbon thành các phân tử hydro và carbon. Những phân tử bay hơi này được hút vào ngọn lửa, tại đó chúng phản ứng với oxy từ không khí tạo ra nhiệt, ánh sáng, hơi nước (H2O) và carbon dioxide (CO2).

Khoảng một phần tư năng lượng tạo ra bởi quá trình đốt cháy của nến được giải phóng dưới dạng nhiệt bức xạ từ ngọn lửa theo mọi hướng. Nhiệt lượng tạo ra đủ để bức xạ ngược lại và làm tan chảy thêm sáp để duy trì quá trình đốt cháy cho đến khi nhiên liệu được sử dụng hết hoặc nhiệt lượng bị loại bỏ.

Phải mất vài phút sau khi bạn thắp nến lần đầu để quá trình đốt cháy này ổn định. Ngọn lửa có thể nhấp nháy hoặc hơi có khói lúc đầu, nhưng một khi quá trình ổn định, ngọn lửa sẽ cháy sạch và đều đặn theo hình giọt nước mắt, giải phóng carbon dioxide và hơi nước.

Một ngọn nến cháy lặng lẽ là một cỗ máy đốt cháy rất hiệu quả. Nhưng nếu ngọn lửa nhận quá ít hoặc quá nhiều không khí hoặc nhiên liệu, nó có thể nhấp nháy hoặc bùng lên và các hạt carbon không cháy (muội than) sẽ thoát ra khỏi ngọn lửa trước khi chúng có thể cháy hoàn toàn. Vệt khói mà bạn đôi khi nhìn thấy khi nến nhấp nháy thực chất là do các hạt muội than không cháy thoát ra khỏi ngọn lửa do quá trình đốt cháy không hoàn toàn.

Khi một cây nến cháy hết thì sáp nến biến đi đâu?

Khi bạn thắp một ngọn nến, ngọn nến sẽ từ từ ngắn lại, sáp nến không thực sự biến mất. Nó trải qua một quá trình biến đổi hóa học. Khi đốt cháy, sáp nến phản ứng với oxy trong không khí và chuyển đổi thành carbon dioxide và hơi nước. Carbon dioxide được giải phóng là khí ở nhiệt độ phòng, và hơi nước ở nhiệt độ ngọn lửa nến. Đây là lý do tại sao không còn gì sót lại của ngọn nến sau khi nó cháy trong vài giờ.

Cụ thể hơn, quá trình đốt cháy sáp nến diễn ra như sau:

1. Nhiệt từ ngọn lửa làm nóng chảy sáp nến gần bấc. Sáp lỏng này sau đó được hút lên bấc nhờ lực mao dẫn.
2. Nhiệt từ ngọn lửa tiếp tục làm bay hơi sáp lỏng, biến nó thành khí nóng. Khí nóng này bốc lên ngọn lửa.
3. Tại ngọn lửa, khí nóng từ sáp nến phản ứng với oxy trong không khí. Phản ứng này tạo ra nhiệt, ánh sáng, hơi nước (H2O) và carbon dioxide (CO2).
4. Hơi nước và carbon dioxide thoát ra khỏi ngọn lửa dưới dạng khí. Đây là những sản phẩm cuối cùng của quá trình đốt cháy sáp nến.

Như vậy, sáp nến không thực sự biến mất mà thay vào đó, nó được chuyển đổi thành hơi nước và carbon dioxide. Hơi nước thường ngưng tụ thành những giọt nước nhỏ trên bề mặt nến hoặc tan vào không khí. Carbon dioxide cũng hòa tan vào không khí.

Ngoài ra, một lượng nhỏ sáp nến có thể bị đốt cháy không hoàn toàn, tạo ra muội than (những hạt carbon nhỏ màu đen) thoát ra khỏi ngọn lửa dưới dạng khói.

Màu sắc của ngọn lửa nến.

Nếu bạn nhìn kỹ vào ngọn lửa nến, bạn sẽ thấy một tổ hợp nhiều màu sắc từ vàng, cam đến xanh bao gồm: Một vùng màu xanh lam ở phía dưới. Phía trên vùng xanh là một dải nhỏ màu cam nâu sẫm, và phía trên cùng là vùng màu vàng lớn mà chúng ta thường liên kết với ngọn lửa nến.

• Vùng xanh giàu oxy: Đây là nơi các phân tử hydrocarbon bay hơi và bắt đầu phân tách thành các nguyên tử hydro và carbon. Hydro là thành phần đầu tiên tách ra ở đây và phản ứng với oxy tạo thành hơi nước. Một phần carbon cũng cháy ở đây tạo thành carbon dioxide.
• Vùng tối hoặc cam/nâu: Vùng này có tương đối ít oxy. Đây là nơi các dạng carbon khác nhau tiếp tục phân hủy và các hạt carbon nhỏ, cứng bắt đầu hình thành.
• Vùng vàng: Cùng với hơi nước và carbon dioxide được tạo ra ở vùng xanh, các hạt carbon này bốc lên cao và được đốt nóng đến khoảng 1000 độ C.
  • Ở phần dưới cùng của vùng vàng, quá trình hình thành các hạt carbon (muội than) tăng lên. Khi chúng bốc lên cao hơn, chúng tiếp tục nóng lên cho đến khi bắt lửa và phát sáng, bức xạ toàn bộ dải ánh sáng khả kiến.
  • Do phần màu vàng của quang phổ chiếm ưu thế nhất khi carbon bắt lửa, nên mắt người nhìn thấy ngọn lửa có màu vàng. Khi các hạt muội than oxy hóa gần đỉnh của vùng vàng, nhiệt độ xấp xỉ 1200°C.
• Vùng Lam/Cam ngoài: Vùng thứ tư của ngọn nến (đôi khi được gọi là “vỏ”) là rìa ngoài màu xanh lam mờ nhạt kéo dài từ vùng xanh lam ở đáy ngọn lửa lên các mặt bên của hình chóp ngọn lửa. Nó có màu xanh lam vì tiếp xúc trực tiếp với oxy trong không khí và là phần nóng nhất của ngọn lửa, thường đạt đến 1400°C

Tại sao ngọn lửa nến luôn hướng lên trên?

Khi một ngọn nến cháy, ngọn lửa làm nóng không khí xung quanh và không khí nóng này bắt đầu bốc lên. Khi không khí nóng di chuyển lên trên, không khí lạnh hơn và oxy sẽ tràn vào phía dưới ngọn lửa để thay thế.

Không khí lạnh hơn này khi được đốt nóng cũng sẽ bốc lên và được thay thế bởi không khí lạnh hơn ở đáy ngọn lửa. Quá trình này tạo ra một chu trình liên tục của luồng không khí chuyển động lên trên xung quanh ngọn lửa (dòng đối lưu), giúp ngọn lửa có hình dạng dài hoặc hình giọt nước.

Vì “lên” và “xuống” phụ thuộc vào lực hấp dẫn của Trái đất, các nhà khoa học tự hỏi ngọn lửa nến sẽ trông như thế nào trong vũ trụ, nơi lực hấp dẫn rất nhỏ và thực sự không có hướng lên hay xuống.

Vào cuối những năm 1990, các nhà khoa học NASA đã thực hiện một số thí nghiệm trên tàu vũ trụ để xem ngọn lửa nến hoạt động như thế nào trong môi trường vi trọng lực. Như bạn có thể thấy từ hình ảnh của NASA bên dưới, ngọn lửa nến trong điều kiện vi trọng lực có hình dạng hình cầu thay vì hình dài như trên Trái đất. Bởi vì không có trọng lực, không khí nóng không có hướng “lên” để bốc lên và tạo ra dòng đối lưu. [Nguồn]

Kết Luận – Khoa học về ngọn nến.

Ngọn lửa nến tưởng chừng đơn giản nhưng ẩn chứa nhiều điều kỳ diệu của khoa học. Nhờ quá trình đốt cháy sáp nến, chúng ta có được nguồn sáng và hương thơm ấm áp. Vô số yếu tố như oxy, nhiệt độ, lực hấp dẫn,… đã góp phần tạo nên ngọn lửa nến lung linh, huyền ảo mà ta thường thấy. Hiểu biết về khoa học đằng sau ngọn lửa nến giúp chúng ta trân trọng vẻ đẹp của nó và sử dụng nến một cách an toàn, hiệu quả.

Bên cạnh những kiến thức khoa học về ngọn nến được chia sẻ trong bài viết, hãy dành thời gian quan sát và cảm nhận ngọn lửa nến một cách trọn vẹn. Ánh sáng và hương thơm của nến có thể mang đến cho bạn cảm giác thư giãn, bình yên và lãng mạn.