كيف تحترق الشمعة؟ أي؛ كيف تستهلك وقودها؟ لماذا يغلب اللون الأصفر على الضوء الصادر من لهب الشمعة؟ ولماذا تتكون مناطق ذات لون أزرق عادةً على امتداد جانب اللهب (انظر شكل 1)؟ لماذا يوجد مخروط مظلم بين الفتيل والجزء الأصفر من اللهب؟ لماذا تُصدِر بعض الشموع الدخان؟ ولماذا يضطرب لهب بعضها الآخر؟ لماذا يكون السخام الناتج من اللهب أسود اللون، ومع ذلك، يصدر دخان أبيض اللون من الشمعة التي أُطفئت لتوها؟
شكل :1 تركيب لهب الشمعة.
الجواب: يتكون الوقود الشمعي للشمعة من البارافين أو الستيارين (حمض الستياريك الدهني) أو من مزيج منهما. يعترض الإشعاع الحراري الصادر من اللهب الشمع فيذيبه ويسيله. يُسحب السائل إلى أعلى الفتيل عن طريق الخاصية الشعرية (أي إن جزيئات الفتيل تجذب جزيئات السائل المتماسكة معًا بفعل التجاذب المتبادل). بينما يرتقي الشمع الفتيل، فإنه يتبخّر بفعل بيئة اللهب الساخنة، ثم يُحْمَلُ إلى أعلى وإلى الخارج أيضًا عبر تدفق الغازات الساخنة (الحمل الحراري).
تُحمل بعض الهيدروكربونات التي يُطلقها التبخير إلى المخروط المظلم فوق فتيل الشمعة مباشرة، ولكن درجة حرارتها على الأرجح لا تكون أسخن من نحو 600 إلى 800 درجة مئوية. تكون هناك حاجة إلى الأكسجين لحرق الهيدروكربونات، إلا أنه لا بد أن ينتشر داخل اللهب، ولكن لا يصل الكثير منه إلى منطقة المخروط المظلمة (يُقال إن لهب الشمعة نوع من أنواع اللهب المنتشر). ولذا، مع انخفاض درجة الحرارة وفي وجود القليل من الأكسجين، لا تبعث الهيدروكربونات الموجودة في المخروط المظلم الكثير من الضوء.
تُحمل بعض الهيدروكربونات إلى المناطق الزرقاء التي يُقال إنها «مناطق تفاعل». هناك، يتفاعل الأكسجين الوفير مع الهيدروكربونات ويُكسرها إلى جزيئات أصغر ويُكَوِّنُ المنطقة الأكثر سخونة من اللهب. تحتوي هذه الجزيئات الأصغر على جزيئات الكربون (C) والهيدروكربون (CH). عندما تُنتَج هذه الجزيئات في حالة استثارة، فإنها تسارع إلى فقدان حالة الاستثارة عن طريق إصدار الضوء في سلسلة من الأطوال الموجية المحددة. تقع معظم الانبعاثات الساطعة عند الطرف الأزرق من الطيف المرئي، وهكذا يُرى اللون الأزرق وهو ينبعث من جانب اللهب. في غرفة مظلمة قد يظهر وهج خافت يحيط بلهب الشمعة، إلا أن هذا الوهج يرجع إلى تشتت ضوء اللهب داخل العين. وغالبًا ما يصور.
الفنانون هذا الوهج عن طريق رسم خطوط قصيرة متموجة تمتد من لهب الشمعة. إن الهيدروكربونات التي ترتفع إلى الجزء الأصفر من اللهب من منطقة المخروط المظلمة، أو من المنطقة التي تتفاعل فيها، تشكل جزيئات صلبة صغيرة من الكربون تحترق في الأكسجين بعد ذلك تصبح الجسيمات شديدة السخونة؛ بحيث تكون ساطعة وهو ما يجعل الضوء الأصفر غالبًا على ضوء الشمعة.
إذا كان معدل دخول الهيدروكربونات إلى المنطقة الصفراء يتطابق مع المعدل الذي تستهلك به الجزيئات الصلبة، فلا يصدر اللهب دخانًا. ومع ذلك، إذا كان معدل الإمداد كبيرًا جدًّا (كما يمكن أن يحدث عندما يكون الفتيل عريضًا للغاية)، يمكن للهب أن يُصدر دخانًا؛ أي أن تصدر منه أدخنة مظلمة؛ ألا وهي جسيمات الكربون التي لم تحترق بشكل كامل في اللهب. إذا أدخلت مشبك ورق في لهب أي شمعة، فسيمكنك مقاطعة عملية الاحتراق؛ ومن ثم تحفيز إطلاق السُّخَام الذي يحيط بمشبك الورق من كل جانب. إذا لم يتطابق معدل تزويد الوقود مع معدل احتراقه، فيمكن أن ينطفئ اللهب أو أن يرتعش ينطفئ اللهب إذا أخفق في تسييل ما يكفي من الوقود، أو إذا فشلت الخاصية الشعرية في سحب ما يكفي من الوقود إلى الفتيل لإبقاء اللهب مشتعلا. بينما يحدث الارتعاش في حالة وجود آلية تغذية راجعة بين اللهب وإمدادات السائل. على سبيل المثال، لنفترض أن اللهب يتوهج؛ ومن ثَمَّ يزيد الإشعاع الحراري وكمية الشمع المسال، فإذا كان الفتيل بطيئًا في جلب هذا السائل الإضافي إلى اللهب يستهلك الوهج الوقود المتاح في الجزء العلوي من الفتيل ويخبو اللهب. عندما يصل السائل الإضافي أخيرًا إلى قمة الفتيل، يتوهج اللهب مرة أخرى، وتتكرر الدورة.
لإطفاء لهب الشمعة، لا بد أن تنفخ اللهب لفترة كافية، ليس لإزالة جسيمات الكربون المتوهجة في المنطقة الصفراء والهيدروكربونات المتفاعلة في المنطقة الزرقاء فحسب، ولكن أيضًا لإزالة الهيدروكربونات التي ستتبخّر من الفتيل الساخن أثناء النفخ. في الواقع، بعد أن تنطفئ الشمعة تظل الهيدروكربونات تتبخر من الفتيل، ولكنها لا تَعُد تُشكّل جزيئات كربون وتحترق. إذا بقيت جزيئات فردية، فمن المحتمل أنك لن تلاحظها، ولكنها إذا تجمعت معًا، فإن ذلك يزيد من تشتيتها للضوء بما يكفي لترى دفقة ناعمة بيضاء ترتفع من الفتيل.
