CPI (Curioso pero inútil)

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Consultorio CPI: Arder en ingravidez

Daniel nos pregunta:

¡¡¡Buenas!!! Primeramente, enhorabuena por el blog como se suele decir, me encanta. No es mi primera duda, aún sigo esperando una, pero puede aguantar xD.

Mi duda es sobre el fuego, y su tendencia de ir hacia arriba. Es por todos conocida esta tendencia, el fuego siempre sube, en el caso de un mechero, por mucho que lo gires, la llama siempre apuntará hacia arriba. Pero y en el espacio exterior, en una nave espacial donde no hay arriba o abajo, sé que la gravedad ahí arriba no es muy inferior a la de la superficie terrestre, pero en su órbita, da la sensación de tal. Y ahí va la duda, con un mechero Zippo, porque uno de gas no valdría para el experimento, puesto que el gas sale a propulsión, y hacia ahí iría el fuego.

¿Qué le pasará a la llama de un mechero Zippo ahí arriba? Podría ser una esfera de fuego como pasa con el agua, no?

En efecto, Daniel. No andas desencaminado. La combustión es un ejemplo clásico de estudio en condiciones de microgravedad. Para este artículo usaremos una vela en vez de un Zippo, que viene a ser lo mismo.

candle-convection.gifCuando se quema un combustible (una sufrida vela, por ejemplo) en aire bajo la acción de la gravedad, el aire alrededor de la llama se calienta, disminuyendo su densidad con respecto al aire frío lejos de ella. Esta diferencia de densidades bajo la acción del campo gravitatorio genera un movimiento, denominado convección natural o libre, en el que el aire caliente, menos denso, asciende, siendo reemplazado por aire más frío que vuelve a calentarse al acercarse a la llama. Esto origina los siguientes efectos:

— Los productos calientes de la reacción se alejan y oxígeno limpio es transportado hacia la llama.
— La combinación entre el anclaje de la llama a la mecha y el fluido que se dirige hacia arriba hace que la llama adquiera la forma de una lágrima. El sólo cálculo de esta forma de lágrima, que me ayuden nuestros aeronáuticos, es un infierno. Ya lo dijo Leonardo da Vinci: “Cuando se trate de agua [fluidos], primero haz el experimento y luego te metes con la teoría“.

En la convección forzada, en cambio, se obliga mediante, por ejemplo, un ventilador, a que el fluido se mueva.

La convección natural afecta a la propia combustión en sí, ya que continuamente está renovando el oxígeno en las proximidades de la llama, facilitando la combustión. En ausencia de gravedad la convección natural no existe, el aire menos denso no asciende, de modo que el aporte de combustible al mantenimiento de la llama por este medio desaparece y si la llama se mantiene, debe ser por otros mecanismos físicos que en presencia de la gravedad podrían ser, incluso, irrelevantes.

En un ambiente de microgravedad, la provisión de oxígeno y de vapor combustible se encuentra controlada por un proceso mucho más lento de difusión molecular. ¿Y qué es la difusión molecular? Pues simplemente, esperar a que los átomos de oxígeno vayan llegando, aleatoriamente, a las proximidades de la llama. El hecho de contar con menos oxígeno y combustible hace que la temperatura de la llama la velocidad de combustión disminuya, lo que la hace menos brillante, y también más azulada, al no elevarse por flotación los restos de la combustión incompleta, que son amarillos, naranjas y rojos. La llama queda anclada lejos de la mecha y tiende hacia la esfericidad, en efecto:

Una foto aún más bonita (cortesía de la NASA; claro está):

Y por último un vídeo, aunque compuesto de varias fotos tomadas en cortos intervalos, que los astronautas de la NASA hicieron en la vieja y querida MIR:

Para saber más:

1.- NASA Microgravity Combustion Science

2.- Can a candle burn in Zero Gravity?

3.- Why are flames Colored?

20 comentarios en “Consultorio CPI: Arder en ingravidez

  • fcasarra dice:

    Muy acertado el articulo pero discrepo de que la llama en microgravedad tiene menos temperatura. De hecho la luz azul tiene más energía que la amarilla o roja y por tanto es indicativo de una mayor temperatura.

    Y es lógico, aunque tenemos menos aporte de oxigeno y menos combustión al no haber convección que enfríe el gas este se mantiene muy caliente, de la misma forma que en la llama en gravedad, cerca de la zona de combustión la llama se ve azul y a medida que se aleja se torna amarilla y después roja indicativo de que el gas se va enfriando.

  • Remo dice:

    fcasarra: mil gracias. Metedura de pata interesante por mi parte. Corregido está.

  • cruzki dice:

    Una cosa que no mencionas en el artículo es si es posible un incendio en una nave espacial del tipo “película” de Hollywood.

  • meneame.net dice:

    Arder en ingravidez…

    Los chicos de CPI explican en su consultorio cómo arde una llama en el espacio y los princpios físicos tras ese fenómeno. Curioso e interesante, como siempre, con vídeos e imágenes. Relacionada: meneame.net/story/como-quema-llama-gravedad-cero-fot…

  • Daniel dice:

    Wa! Gracias por responder! Que ilusión!! xDDD

  • chemist dice:

    Siendo rigurosos con lo de los colores:

    “In a laboratory under normal gravity conditions and with a closed oxygen valve, a Bunsen burner burns with yellow flame (also called a safety flame) at around 1,000°C. This is due to incandescence of very fine soot particles that are produced in the flame. With increasing oxygen supply, less blackbody-radiating soot is produced due to a more complete combustion and the reaction creates enough energy to excite and ionize gas molecules in the flame, leading to a blue appearance. The spectrum of a premixed (complete combustion) butane flame on the right shows that the blue color arises specifically due to emission of excited molecular radicals in the flame, which emit most of their light well below ~565 nanometers in the blue and green regions of the visible spectrum.

    Flame temperatures of common items include a blowlamp at 1,300°C, a candle at 1,400°C [2], or a much hotter oxyacetylene combustion at 3,000°C.

    Generally speaking, the coolest part of a diffusion (incomplete combustion) flame will be red, transitioning to orange, yellow, and white the temperature increases as evidenced by changes in the blackbody radiation spectrum. For a given flame’s region, the closer to white on this scale, the hotter that section of the flame is. A blue-colored flame only emerges when the amount of soot decreases and the blue emissions from excited molecular radicals become dominant.”

  • chemist dice:

    Un párrafo más:

    Flame color depends on several factors, the most important typically being blackbody radiation and spectral band emission, with both spectral line emission and spectral line absorption playing smaller roles. In the most common type of flame, hydrocarbon flames, the most important factor determining color is oxygen supply and the extent of fuel-oxygen “pre-mixture”, which determines the rate of combustion and thus the temperature and reaction paths, thereby producing different color hues.

  • chemist dice:

    Y ya para terminar:

    In microgravity or zero gravity, such as an outer space environment, convection no longer occurs and the flame becomes spherical, with a tendency to become bluer and more efficient. There are several possible explanations for this difference, of which the most likely is the hypothesis that the temperature is sufficiently evenly distributed that soot is not formed and complete combustion occurs. [2] Experiments by NASA reveal that diffusion flames in microgravity allow more soot to be completely oxidized after they are produced than do diffusion flames on Earth, because of a series of mechanisms that behave differently in microgravity when compared to normal gravity conditions. [3][4] These discoveries have potential applications in applied science and industry, especially concerning fuel efficiency.

    Para más información, bibliografía y unas fotos que son una preciosidad:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Flame

  • Franco dice:

    Primero quería decirle a cruzki que me ha sacado las palabras de la boca. Justo estaba por decir que era una suerte para los astronautas, ya que disminuían las posiblidades de catastrofes por incendios.
    Por otra parte, mas alla de cuál color de llama sea el de “mayor energía”, es obio que el principo difusión hará que la vela se queme más lenta y por lo tanto, la “potencia calórica” será menor. Es decir, se estará produciendo menos cantidad de calor en la unidad de tiempo comparándolo con la vela encendida en un ambiente con gravedad. En total, no sé cuál de ambas velas emitirá más energía, supongo que la que arde con microgravedad.

    Por otro lado, y hablando de los colores la llama, les comento a modo de aportar algo, que el color rojo emite más radiación que el color azul. Es decir, que en el espacio se transportaría mejor la energía de una vela con llama de color rojo que azul, contrario a lo que sucede en la realidad.

    Saludos.

  • Outsider dice:

    El video de la NASA es la mayor demostración del dinero que se puede gastar para realizar un experimento CPI.

    No había posteado antes pero soy un fiel seguidor de la página, sencillamente genial.

  • Yahuan dice:

    Una cosa más aprendida, (quién sabe si luego todo esto no es tan inútil!!)

  • Cabezón dice:

    El color de una llama es indicativo de su temperatura; esto se sabe en física desde hace más de un siglo, y de hecho es el criterio que se emplea para determinar la temperatura superficial de las estrellas. Una llama azul está a más alta temperatura que una llama roja. Por otro lado, una cosa es la temperatura y otra la cantidad de calor que se produce. No hay más que comparar la llama de un mechero, por muy azul que sea, con toda una hoguera de llamas rojas. El hecho de que la llama sea esférica y no en forma de aguja (como ocurre en gravedad), indica que los gases se dispersan en todas direcciones, y lo mismo ocurrirá con el calor. Una característica típica de la llama en aguja es que en la punta es donde más calor se produce; colocando un objeto directamente sobre la punta de la llama, éste se calienta más; y eso lo sabe cualquier químico que caliente un tubo de ensayo en un mechero Bunsen. En microgravedad, al no haber punta de llama, el calor producido por la llama será menor. Supongo que para calentar tubos de ensayo en el espacio habrá que usar un dispositivo que dirija la llama (léase, soplete); aparte de que no se pueden calentar líquidos en un tubo abierto, evidentemente… La química puede ser muy interesante en el espacio…

  • Davidmh dice:

    Eso mismo pregunté (y fui respondido) en el fórum. Ahora no puedo entrar porque tendría que leerlo todo o perdérmelo, pero se puede buscar el enlace. Lo siento. :( ¿Pip?

    Una duda que me queda. Se lograría una llama en forma de lágrima aplicándole un chorro de aire por debajo, ¿no?

  • Val dice:

    Si la frecuencia de radiación azul es mayor (espectro de frecuencias) y según la teoria cuantia la energia es directamente proporcional a la frecuencia (la de un cuanto) entonces la radiación emitiada por la llama azul es mayor, y como es radiaicón de cuerpo negro (proporcional a T a la cuarta) debería tener mas temperatura no?

  • Cabezón dice:

    ¡Exacto, Val, exacto! La frecuencia del pico de emisión (recuerda que se emite en un espectro continuo) y la temperatura estás relacionadas a través de una cuarta potencia. Esa es la fórmula. Una llama azul está a mayor temperatura que una llama roja. Pero una cosa es que esté a más temperatura y otra que emita más calor.
    A mí me gusta comparar la temperatura con el nivel de un líquido en un depósito; mientras que el calor sería la cantidad de líquido. Podemos tener un enorme depósito de agua de forma aplanada, por lo tanto con un nivel pequeño, y podemos tener el mismo depósito con forma de tubo fino y alto, con lo que el nivel será muy elevado. Hay propiedades que dependen del nivel del agua, como por ejemplo la fuerza con la que cae un chorro, pero otras dependen más de la cantidad del líquido total. En termodinámica es igual, hay cosas que dependen del nivel del calor (temperatura) y otras que dependen de la cantidad del calor. Una llama roja puede hacer cosas que no puede una llama azul si es mucho más grande: considera un bosque ardiendo, con llama roja se entiende. Y que ningún pirómano aproveche la idea para hacer un experimento con estos calores :-(

  • Daniel dice:

    Yo tuve la oportunidad de poder experimentar precisamente con combustión en gravedad cero con la Agencia Espacial Europea, en el Airbus 300 Zero-G de Novespace.

    El experimento trataba de ver si los métodos actuales de extinción de incendios en órbita (agua, agua con jabón, polvo abc) eran efectivos. La conclusión: no lo son. Era increíble ver cómo la llama se apartaba o incluso se abría en dos para dejar pasar las gotas de agua.

    En cambio, a veces la llama se apagaba ella sola al comportarse la distribución de oxígeno y el CO2 de la combustión caóticamente: el CO2 a veces envolvía a la llama y la apagaba.

    Otras veces, el fuego parecía haberse extinguido y rebrotaba a un centímetro de la base… no se había apagado, sino que como se vuelve plasmático, es muy, muy difícil de ver.

    Espero que el comentario os haya resultado de interés.

    Daniel
    (Experimento “Firefighers”, 5th Student Parabolic Flight Campaign)

  • Muy interesante,
    muchas gracias 😉

  • AdriT dice:

    Me gustaría ver como arde una esfera de combustible en microgravedad. Debe ser interesante…

  • Airelav dice:

    umm… creo que aquí hay algo raro…
    ¿seguro que esto deberia ir en la categoría de citas?

  • MiKelo Gómez dice:

    Que bien explicao hijo!

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