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¿Por qué la llama de una vela es amarilla y apunta hacia arriba, y cómo sería en el espacio?

Category: Naturaleza

En la Tierra, la llama de una vela tiene forma de gota y brilla en color amarillo. Sin embargo, en estaciones espaciales o entornos de gravedad casi nula, se ha reportado que la llama se vuelve redonda y azul. Además, estudiantes de secundaria han logrado crear una llama similar en el aula simplemente extrayendo un poco del aire del recipiente. Qué determina el color y la forma de una llama La principal razón es que la luz amarilla proviene del hollín calentado, y la forma alargada se debe a que los gases calientes son más ligeros y suben (convección). En esta nota, entenderás la identidad de la luz amarilla, la luz azul y la razón por la que la llama se estira hacia arriba.

1. Experimento: con menos aire, la llama de la vela se volvió redonda y azul

Los estudiantes de la Escuela Secundaria Afiliada a la Universidad de Mujeres de Nara descubrieron que, al extraer un poco del aire de un recipiente que contenía una vela, la llama se volvía redonda y cambiaba a azul en unos pocos segundos [8]. Realizar un experimento de reducción de presión con un recipiente encendido requiere equipos especializados y estrictas medidas de seguridad. No intentes replicar esto en casa. Al observar el movimiento del aire usando humo de incienso, confirmaron que la convección se había detenido, lo cual explicaba la forma redonda de la llama [8]. Por otro lado, aunque sospecharon que el color azul se debía a una disminución de la temperatura, el estudio reportó que la causa exacta del color azul sigue siendo "desconocida" [8]. La llama terrestre se estira hacia arriba y es amarilla, mientras que al extraer el aire se vuelve redonda y azul. Este experimento demuestra que la forma alargada es creada por el flujo de aire (convección). Para explicar el color amarillo, debemos entender qué brilla dentro de la llama.

Nota de seguridad: Los experimentos que reducen la presión en un recipiente durante la combustión conllevan riesgos de incendio, quemaduras y rotura del recipiente.

2. Qué es una llama: el gas en combustión que emite luz y calor

Según la enciclopedia, una llama es la parte que emite luz y calor cuando un gas se quema. Incluso los sólidos y líquidos como la madera o el aceite se descomponen o evaporan con el calor, liberando gases combustibles que luego arden y forman la llama [1]. Se dice que el origen de la palabra "llama" proviene de "espiga de fuego" [1]. Quizás hayas visto explicaciones que dicen que la llama es "plasma". El plasma es un gas cargado eléctricamente donde los electrones han sido arrancados. Según la sección de preguntas y respuestas científicas de una universidad en Estados Unidos, las llamas comunes tienen temperaturas demasiado bajas para estar suficientemente cargadas como para actuar como plasma. La temperatura máxima de la llama de una vela es de aproximadamente 1500 °C, mientras que la llama de un combustible llamado acetileno alcanza unos 3100 °C, y según esa fuente, esta última puede considerarse plasma [4]. La luz roja o amarilla de la llama tampoco se debe a que sea plasma. Entonces, ¿qué es lo que brilla?

3. Por qué la llama de la vela se ve amarilla: el hollín caliente

La razón por la que la llama de la vela es amarilla y brillante es que las partículas de carbono que no se quemaron completamente, es decir, el hollín, se calientan y brillan [2]. Cuando los objetos se calientan, emiten luz; esto se llama radiación térmica. Según una columna del Museo de Ciencias de la Ciudad de Osaka, al calentar un objeto, este comienza a brillar en rojo y, a medida que aumenta la temperatura, el color cambia a naranja, amarillo y finalmente a un blanco apagado. Este color depende casi exclusivamente de la temperatura, más que del material [3]. Las bombillas con filamento de bambú tienen un tono anaranjado porque su temperatura es relativamente baja [3]. Michael Faraday, en una conferencia navideña para niños en 1860, demostró mediante experimentos que la luminosidad de la llama se debe a las partículas sólidas. Esta conferencia se publicó como el libro *The Chemical History of a Candle* [2]. La identidad del brillo de la llama es el hollín que no se quemó. Pero, ¿qué es la parte azul de la llama?

4. De dónde viene el color azul de la llama y en qué se diferencia del hollín

La llama de una vela se divide, desde afuera hacia adentro, en llama exterior, llama interior y núcleo de la llama. La llama exterior, donde hay suficiente oxígeno, es la de mayor temperatura y brilla en azul. Se explica que esto ocurre porque las moléculas en proceso de combustión reciben energía del calor y la emiten como luz [1]. En la zona interior de la llama llega menos oxígeno. Por ello, se forma hollín que brilla en color naranja [1]. Así, la luz de la llama proviene de dos fuentes: la luz amarilla a naranja del hollín calentado y la luz azul emitida por las moléculas en combustión. La siguiente pregunta es sobre la forma. ¿Por qué la llama se estira hacia arriba como una gota?

5. Por qué la llama se estira hacia arriba: el aire caliente sube por convección

Los gases calientes se vuelven más ligeros y suben. Este flujo de aire causado por la fuerza de flotación se llama convección. Según la explicación de la NASA, la forma de gota de la llama de una vela en la Tierra se debe a esta convección. La convección transporta el hollín hasta la punta de la llama, haciendo que parezca amarilla [5]. Debajo de la llama, el aire circundante es succionado y los gases calientes son empujados hacia arriba. Por eso, la llama se alarga verticalmente. Esta explicación coincide con el experimento de los estudiantes de secundaria: cuando se extrae el aire del recipiente y la convección se detiene, la llama se vuelve redonda [8]. Entonces, ¿qué pasa con la llama en lugares donde no hay convección?

6. Cómo es la llama de una vela en el espacio: redonda y azul

Los informes de experimentos realizados en el transbordador espacial (USML-1) resumen aproximadamente 70 pruebas con velas. En microgravedad, la llama muestra hollín solo durante un breve instante inicial, después se convierte en una llama azul con forma de hemisferio. El hollín desaparece de la vista y la distancia entre la llama y la mecha aumenta considerablemente. Se concluye que, si hay suficiente aire y espacio, la llama puede seguir ardiendo [6]. La explicación de la NASA también indica que, en microgravedad, no hay convección, por lo que la llama es esférica, sin hollín y azul [5]. En 2023, se transmitió en vivo una clase en la estación espacial china donde un astronauta encendió una vela. Se informó que la llama no era vertical, sino casi esférica [7]. En la estación espacial, se realizan experimentos utilizando llamas redondas para investigar cómo se forma el hollín. Según la Universidad de Washington en St. Louis, el objetivo es encontrar formas de crear llamas azules sin hollín [9]. Las llamas sin hollín podrían ser útiles para futuros estudios de combustión. Sin embargo, los materiales disponibles aún no concluyen si la llama azul en el espacio y la llama azul en el recipiente del aula se deben a la misma razón [8].

Nota de seguridad: En 2023, se transmitió en vivo una clase en la estación espacial china donde se encendió una vela y la llama fue reportada como casi esférica [7].

7. Actividad: compara los colores y la forma de la llama con el fuego de tu casa

Observa la llama de una vela desde el lado junto con un adulto. ¿Dónde están las partes azules y las partes que parecen amarillas o naranjas? A continuación, pide a un adulto que encienda la vela y pide a un adulto que acerque el dorso de una cuchara de metal a la parte amarilla de la llama y que la manipule mientras esté caliente durante solo 2 o 3 segundos. Observa si se forma algo negro. Si se forma, se cree que es carbono no quemado, es decir, hollín. La cuchara se calienta rápidamente, así que pide al adulto que sostenga el mango largo y coloca un vaso con agua cerca. Ten cuidado de que el cabello y la ropa no se acerquen a la llama. Si puedes ver la llama de una estufa de gas, compárala con la de la vela para buscar diferencias en color y forma. Las razones de estas diferencias no se tratan en los materiales de esta nota, por lo que quedan como una pregunta para que investigues por tu cuenta. Si te interesa la fuente original, el libro de Faraday *The Chemical History of a Candle* está disponible en inglés en Project Gutenberg [2]. También existen traducciones al japonés. Las imágenes comparativas de llamas de la NASA [5] están en inglés, pero permiten ver la diferencia entre la llama terrestre y la de microgravedad.

Nota de seguridad: Si observas, hazlo con un adulto, mirando la llama de la vela desde el lado para confirmar la posición de las partes azules y amarillas/naranjas. Como la cuchara se calienta, pide al adulto que sostenga el mango largo, coloca agua cerca y evita que el cabello o la ropa se acerquen a la llama.

Fuentes

  1. Wikipedia (edición en japonés), "Llama" https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%82%8E (Definición de llama y estructura de llama exterior, interior y núcleo.)
  2. Michael Faraday, *The Chemical History of a Candle* (Project Gutenberg) https://www.gutenberg.org/cache/epub/14474/pg14474.txt (Explica que la luminosidad de la llama se debe a partículas sólidas.)
  3. Museo de Ciencias de la Ciudad de Osaka, columna "Termografía" https://www.sci-museum.jp/wp-content/themes/scimuseum2021/pdf/study/universe/2018/11/201811_12-13.pdf (Relación entre la temperatura y el color de la luz emitida por objetos calientes.)
  4. West Texas A&M University, "¿Contienen las llamas plasma?" https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2014/05/28/do-flames-contain-plasma/ (Explica que las llamas comunes no son plasma debido a su baja temperatura.)
  5. NASA, "Llama de vela: 1g vs microgravedad" https://www.nasa.gov/image-article/candle-flame-1g-vs-microgravity/ (Explica la convección, la forma de la llama y la ausencia de convección en microgravedad.)
  6. NASA Technical Reports Server, "Llamas de vela USML-1" https://ntrs.nasa.gov/citations/20030075810 (Resultados de experimentos con velas en el transbordador espacial.)
  7. Nazology, "Encender una vela en microgravedad" https://nazology.kusuguru.co.jp/archives/135647 (Reporte sobre una clase en la estación espacial china con llama casi esférica.)
  8. Escuela Secundaria Afiliada a la Universidad de Mujeres de Nara, "Investigación de la llama azul" https://nwuss.nara-wu.ac.jp/media/sites/11/ssh14_03.pdf (Experimento de extracción de aire que cambia la forma y color de la llama.)
  9. Universidad de Washington en St. Louis, "El diseño de llamas en el espacio puede llevar a fuegos sin hollín" https://source.washu.edu/2019/05/flame-design-in-space-may-lead-to-soot-free-fire/ (Investigación sobre la creación de llamas sin hollín en el espacio.)