¿Por qué las llamas en la microgravedad son diferentes?

Las llamas en microgravedad difieren de la luz de una vela situada en la tierra (como se muestra en la figura de la pregunta) por dos medios: forma, color y velocidad de combustión

La forma de la luz de las velas o cualquier llama se define por tres fenómenos básicos de movimiento de partículas, independientemente de si la observación se realiza en la Tierra, Marte, la Luna o la EEI. Estos fenómenos se llaman convección, radiación y conducción. La convección es un fenómeno que proviene de la fuerza de flotabilidad debido a la diferencia de densidad. Esta fuerza hace que las cosas más ligeras vayan hacia arriba (obligan a las partículas, las moléculas a moverse) y las cosas más pesadas a ir hacia abajo. Como una piedra produce menos flotabilidad en comparación con una madera, así la piedra se hunde en el agua mientras flota un tronco. La conducción ocurre a través de moléculas que transfieren energía y no implica el movimiento de moléculas. Por lo tanto, no es una fuerza muy fuerte. La radiación (calor) o difusión (masa) es un proceso muy lento y actúa en todas las direcciones.

En la tierra, la convección es la más fuerte de las tres, por lo que definir la forma es principalmente convección, como se muestra en la figura a continuación.

En microgravedad no existe fuerza de flotabilidad. Esto se puede entender por el hecho de que no hay peso en la microgravedad, por lo tanto, el concepto de diferencia de densidad para la flotabilidad no está presente. Elimine la convección de la imagen de arriba y obtendrá una fuerza en todas las direcciones, una llama en gravedad cero. Una forma esférica, como se muestra en la imagen a continuación.

Esta difusión se define por la diferencia de concentración de productos de combustión y oxígeno. Los productos de combustión se alejan de la llama y el oxígeno se mueve hacia la llama. La tasa de difusión es mucho más baja en comparación con las tasas de convección. Por lo tanto, una llama en microgravedad a menudo arderá con menos fuerza.

Ahora sabemos que el color rojo significa temperaturas más bajas, seguido por el amarillo un poco alto y el azul representa temperaturas más altas. Además, el color de la llama depende de cuán limpiamente quememos el combustible y cuán rica sea la mezcla de aire y combustible. En la microgravedad, donde la temperatura se distribuye de manera uniforme y el combustible de la vela se oxida lo suficiente como para quemar muy limpio. Las llamas de difusión en microgravedad permiten que se oxide más hollín después de su producción que las llamas de difusión en la Tierra. Por lo tanto, las llamas premezcladas en microgravedad se queman a una velocidad mucho más lenta y más eficiente y producen un color azul.

¿No es hermoso?

Las llamas en la Tierra son flotantes, lo que significa que la gravedad atrae preferentemente materia de mayor densidad sobre la de menor densidad, lo que da como resultado que la materia de baja densidad sea desplazada ‘hacia arriba’; se desplaza por encima del material más denso.

Para gases y líquidos, una mayor densidad generalmente equivale a una temperatura más baja, por lo que las cosas más frías levantan las cosas más cálidas. Ergo, convección. Elimine la gravedad (más o menos) de la ecuación, como en el entorno de caída libre dentro de la EEI, y el gradiente de densidad desaparece, al igual que la clásica llama en forma de flauta.

La física de la quema se vuelve completamente diferente. La convección revuelve las mezclas y, por lo tanto, trae un oxidante nuevo para mezclar con el combustible y puede producirse quemaduras en toda la mezcla; sin convección, el oxidante nuevo solo está disponible en la superficie del volumen que contiene combustible.

Del mismo modo, los productos de combustión como las partículas de hollín que tenderían a caerse de la zona de combustión ya no lo hacen y reducen aún más la mezcla de combustible y oxidante. Son estas partículas de hollín en llamas las que dan a las llamas de las velas su cálido color amarillo en relación con, por ejemplo, la llama de gas en una cocina.

Y así.

Entre los resultados están el globo azul de quemaduras que ves en tu foto.

Comprender que la física de la combustión en microgravedad no se entiende bien. Por otra parte, tampoco lo son todos los misterios de las llamas de las velas.

Porque, en la Tierra, el aire caliente sube y el aire frío cae, produciendo corrientes que llamamos “convección”. Cuando algo arde, la convección ayuda a mover el CO2 hacia arriba y lejos de la llama, y ​​mantiene la llama llena de O2 desde abajo. (La convección también es la causa de la aparición “ascendente” de las llamas con las que estamos familiarizados). En la microgravedad, no hay convección para mover el oxígeno a la llama, solo la difusión, que es mucho más lenta. Por lo tanto, las llamas tienden a carecer de oxígeno, produciendo la pequeña llama redonda que se muestra en la imagen.

Veamos cuáles son las diferencias en el entorno en cada uno de los casos. En la Tierra, hay gravedad; mientras que cuando usamos el término ‘microgravedad’, significa que todo no tiene peso, es decir, hay una gravedad insignificante.

Como hay gravedad en la Tierra, el aire frío más denso (o más pesado) se deposita en el fondo; y sube el aire caliente. Cuando la llama arde, el aire es obviamente caliente. Por lo tanto, se eleva y la llama parece elevarse y tiene una apariencia recta y larga.

En microgravedad, no hay gravedad. ¿Y qué? Por lo tanto, el aire más frío no se asentará y el aire caliente no se elevará.
Cuando la llama arde, el aire está caliente, pero el aire caliente no se eleva debido a la microgravedad.
Por lo tanto, la llama parece ser justo lo contrario de la llama en la Tierra.

Hablando sobre el color de la llama, tengo poco conocimiento de por qué los colores de las llamas en la imagen son diferentes. Lo siento…

Espero que haya ayudado 🙂