הנר כפלא מדעי

אנשים מיוחדים, כימיה, פיזיקה הוספת תגובה

מה כבר אפשר ללמוד מנר? אילו תובנות יכול מדען לקבל מלהבה מרצדת על פתיל תקוע בגוש שעווה? כמה מפתיע, שהפיזיקאי האנגלי הדגול  מייקל פאראדי קבע שכמעט את כל העקרונות החשובים בפיזיקה וכימיה אפשר ללמד בהקשר של נר.  פאראדי לא השאיר את הקביעה הגורפת הזו באוויר, אלא התיישב (לאור נרות?) וכתב ספר בשם "טבעו של הנר" (The chemical history of a candle) שהפך לקלאסיקה בהוראת מדעים. אמנם המדע במאה ה-19 היה הרבה פחות מורכב ומסועף מהמדע של היום, אבל אין הדבר מבטל את מה שפארדיי טען, שכן הדרך אל המדע המודרני עוברת דרך יסודות המדע הקלאסי. אגב, פאראדיי נודע ביכולתו הנפלאה להסביר מדע לקהל הרחב – הרצאותיו במכון המלכותי היו המופע הטוב בעיר. ננסה ללכת קמעה בעקבותיו.

מייקל פארדיי

ברמה הבסיסית, מתקיימים בנר בו זמנית שלושה מצבי צבירה: הנר עצמו (שעווה מוצקה),  ה'בריכה' שממנה בוקע הפתיל (שעווה נוזלית) והלהבה (שעווה גזית בוערת). 'ליבו' של הנר הוא הפתיל שדרכו זורמת השעווה הנוזלית במנגנון של נימיות עד לאזור הלהבה שם היא מתאדה לגז שמתרכב עם החמצן. את השעווה אפשר להחליף בכל סוג של שמן או שומן, למשל, חמאת בוטנים, מרגרינה, שמן זית (ואז קיבלנו מנורת שמן) ועוד. הפתיל יכול להיות כל חומר בעל יכולת של נימיות: החל מחבלים שונים וכלה בנייר טואלט מגולגל!  כאן מודגם איך להכין נר מבוטן המשמש גם כפתיל וגם כחומר בערה.

כאשר השריפה של גז השעוה היא מלאה – וזה קורה באזור הלהבה הבא במגע עם שפע של חמצן – מתקבלים פחמן דו-חמצני ואדי מים חמים (קיטור) – זהו גם האיזור שבו הטמפרטורה היא הגבוהה ביותר. בחלקים הפנימיים של הלהבה, השריפה אינה מלאה ולכן משתחרר משם פיח שחור שהוא למעשה פחמן שלא זכה להתרכב עם חמצן. ניתן לאשר זאת בניסוי פשוט: נכניס כפית לתוך פנים הלהבה ועד מהרה היא תתכסה בציפוי שחור משחור – זהו הפחמן שלא נשרף. מהאמור, ניתן להבין שהלהבה אינה הומוגנית, יש בה אזורים שונים שצבעם מעיד טמפרטורה אופיינית ועל התהליכים הכימיים המתרחשים בהם.

מתוך Explain this stuff

העשן הלבן שמתקבל כאשר נושפים על נר הוא פשוט אדי השעווה שהתמצקו (עשן מכל סוג הוא בעצם מוצק). מנגנון זה מזכיר את אופן היווצרותו של פופקורן: תחת  טמפרטורה ולחץ גבוהים,העמילן שבגרגר התירס הופך לנוזלי, ולאחר התפקעות המעטפת, בשבריר שניה, אותו רסס-נוזל מתקרר ומתמצק באוויר לקבלת מבנה תלת ממדי אופייני – פופקורן. מה יקרה אם נדליק את העשן הלבן? הוא פשוט יתכלה במהירות וב-'רוורס' עד לפתיל. לא ייאמן:

מדוע ללהבת הנר יש צורה מחודדת?  משום שהחום הנפלט מהלהבה מחמם את הגזים שסביבה ובכך מקטין את צפיפותם. חומר בעל צפיפות נמוכה נוטה לעלות למעלה ולכן מתקיימת זרימה מתמדת של גז חם בהיקף הלהבה במנגנון של  קונווקציה (הסעת חום). באופן זה, חמצן 'טרי' נכנס מהחלק התחתון של הלהבה (אזור 2 באיור) ומעלה שם את טמפרטורת הבעירה.

ובאותו עניין:  כיצד היתה נראית להבה בתנאים של חוסר כבידה (מיקרו-גרוויטציה)? ובכן, היות ותופעת הקונווקציה נגזרת מקיום כוח כבידה (כוח הציפה, על פי חוק ארכימדס, כולל את תאוצת הכובד g), הלהבה אמורה להיות סימטרית לחלוטין: הגזים החמים במצב זה לא יעלו כלל למעלה, והלהבה תקבל צורה כדורית. זאת ועוד, הדרך היחידה שבה חמצן יכול להגיע ללהבה במצב זה היא בדיפוזיה איטית, מה שייתן לנו להבה קטנטנה, קרה, אך יפהיפיה! אין לי ספק שהתצלום של NASA היה מסב לפאראדיי קורת רוח רבה.

קישורים:
הסבר מרתק על הכימיה של הנר – וידאו
איך להגביר את להבת הנר?  וידאו
אם הזכרנו אנגלים ונרות, איך אפשר בלי candle in the wind ?

15 תגובות ל “הנר כפלא מדעי”

  1. התגובה של אריאל:

    נהניתי מאוד! והתמונה האחרונה של נר בחלל – פשוט מיוחדת. תודה.

  2. התגובה של אדוה:

    מרתק! תודה 🙂
    אגב, הלינק השני (איך להגביר את להבת הנר) מוביל לגוגל מפות – כנראה טעות.

  3. התגובה של עידן:

    מעניין ויפה. לא לגמרי הבנתי את הסבר הקונווקציה. למה מהעובדה שגז חם עולה במעלה הלהבה נובע שצורתה תהיה מחודדת (ולא, נגיד, גליל סימטרי?).

    ותיקון קל: פארדיי פעל במאה ה-19, לא ה-18.

  4. התגובה של המחסנאית:

    תודה על הבאת ההסבר והתמונות. קיבלתי תשובות מוארות ומובנות לשאלות שהיו לי .
    אני אוהבת ניסויים כאלה ומיד אלך לבדוק אם במקום בוטן אפשר להשתמש גם באגוז קשיו כנר.
    ויש מצב צבירה נוסף. זאת אני יודעת מדוקטורנטית צעירה לפיזיקה שמתעסקת בכך וכדי להבהיר לי במה מדובר המליצה לי לקנות "איחס" .כך ביקשתי בחנות צעצועים: "יש לכם איחס" ומיד ידעו במה מדובר. – מין ג'ילה כזה דביק ומעורר רתיעה בתוך מיכל שילדים אוהבים לשחק אתו ולראות הבעת פנים של גועל בסביבה. אולי גם הוא מתקיים בנר בשעווה המותכת. מצב שהוא לא נוזל ולא מוצק ומתנהג קצת אחרת .

  5. התגובה של אורן (admin):

    אריאל ואדוה – תודה. הלינק המוזר תוקן.
    עידן – כרגיל אתה שואל את השאלות הטובות 🙂
    ההסבר שלי הוא זה: אדי השעווה הנפלטים מהפתיל נסחפים בזרם הקונווקציה כלפי מעלה, אבל הם לא מפוזרים הומוגנית אלא בעיקר במרכז, דהיינו מעל הפתיל. באופן זה, חוד הלהבה, הנמצא מעל הפתיל, מקבל כמות גדולה יותר של שעווה מאשר נקודות אחרות באותו גובה, מה שנותן ללהבה צורה מחודדת ולא גלילית. (וגם – החזרתי את פארדיי למאה ה-19. תודה)
    למחסנאית – מצב הצבירה הרביעי הוא פלזמה המתקבלת כאשר מחממים גז. מאוד אפשרי שמצב זה קיים גם בלהבת הנר. אין לי מושג מה הקשר בין זה לבין האיכס שקנית…. 🙂

  6. התגובה של עידן:

    אהה, הבנתי. תודה.

  7. התגובה של יוסי:

    אחלה מאמר , נהניתי לקרוא!

  8. התגובה של המחסנאית:

    לא התכוונתי לפלזמה. משהו צמיג – בין נוזל למוצק שהתנועה בתוכו שונה מזו שבנוזל . אבל אני הדיוט גמור בתחום ולא יודעת להבהיר. אמשיך לקרוא אצלך ולהחכים.

  9. התגובה של המחסנאית:

    וכששוב שאלתי וביקשתי הבהרות אמרו שזה קשור לפאזה של מוצק או של נוזל – מצב מעובה שמשתנה לפי תדירות הכוח המופעל עליו.
    מודגם בניסוי הקורנפלור ( משעשע למדי) שאולי העלית כאן בעבר. מתנצלת אם כן.
    למשל כאן

    http://www.youtube.com/watch?v=vCHPo3EA7oE

  10. התגובה של אורן (admin):

    למחסנאית – עכשיו הבנתי. קוראים לזה נוזל לא ניוטוני. כאשר מפעילים עליו לחץ הוא מתמצק – קורנפלור זה דוגמא טובה. האם גם החלב של הנר הוא כזה? יכול להיות.

  11. התגובה של ליבי:

    הסרטונים מגניבים לאללה. אם ממשיכים לחפש בלמטה עוד סרטונים יש כאלה שנראים כמו קסמים אבל הם אמיתיים.

  12. התגובה של שולמית:

    לגבי צבע הלהבה:
    בד"כ טמפ' נמוכות הן אדומות ולפי טמפ' עולה מתקבלים הצבעים הבאים:כתום-צהוב-לבן-כחול.
    אם כך ,מדוע הנר של נאסא,שנאמר שהוא קר יחסית,מתקבל בכחול?

  13. התגובה של שולמית:

    מדוע האזור העליון ביותר מסומו כהכי חם?זה אמנם איזור שיש בו הרבה חמצן אבל פחות שעווה מבאזור 2.הצבע שם יותר צהוב,מה שמעיד על טמפ' נמוכה יותר מהאזור הלבן-כחול (ראה שאלתי הקודמת)

  14. התגובה של אורן (admin):

    שולמית – מסתבר שמה שקובע את צבע הלהבה הוא בעיקר פליטת תדרי אור אופייניים לריאקציות כימיות, ופחות מה שנקרא 'קרינת גוף שחור', שבה אורך הגל – דהיינו הצבע – תלוי בטמפרטורה. בכל פעם שאלקטרון עובר ממסלול למסלול נפלטת אנרגיה ספציפית הניתנת לצפיה בספקטרומטר כאורך גל. אם הצבע הכחול היה מייצג טמפרטורה, היה מדובר באלפי מעלות, מה שלא אפשרי בלהבת נר.
    ראי פירוט – http://chemistry.about.com/od/analyticalchemistry/a/flametest.htm

  15. התגובה של דניאל:

    מעולה!! כל כך מעניין ומעשיר!!

הוספת תגובה