Una llama (del latín flamma ) es la parte gaseosa visible de un fuego . Es causada por una reacción química altamente exotérmica que tiene lugar en una zona delgada. [1] Cuando las llamas están lo suficientemente calientes como para tener componentes gaseosos ionizados de suficiente densidad, se consideran plasma . [ vago ] [2]
El color y la temperatura de una llama dependen del tipo de combustible involucrado en la combustión, como, por ejemplo, cuando se acerca un encendedor a una vela . El calor aplicado hace que las moléculas de combustible en la cera de la vela se vaporicen (si este proceso ocurre en una atmósfera inerte sin oxidante , se llama pirólisis ). En este estado, pueden reaccionar fácilmente con el oxígeno del aire, que desprende suficiente calor en la reacción exotérmica posterior para vaporizar aún más combustible, manteniendo así una llama constante. La alta temperatura de la llama hace que las moléculas de combustible vaporizadas se descompongan , formando diversos productos de combustión incompleta y radicales libres , y estos productos luego reaccionan entre sí y con el oxidante involucrado en la reacción de la siguiente llama (fuego). Se pueden investigar las diferentes partes de la llama de una vela con una cuchara de metal fría: [4] Las partes superiores son vapor de agua, resultado de la combustión; las partes amarillas en el medio son hollín; Justo al lado de la mecha de la vela hay cera sin quemar. Los orfebres utilizan las partes superiores de una llama con una cerbatana metálica para fundir oro y plata. Una energía suficiente en la llama excitará los electrones en algunos de los intermedios de reacción transitorios, como el radical metilidino (CH) y el carbono diatómico (C 2 ), lo que da como resultado la emisión de luz visible a medida que estas sustancias liberan su exceso de energía (ver espectro a continuación para obtener una explicación de qué especies radicales específicas producen qué colores específicos). A medida que aumenta la temperatura de combustión de una llama (si la llama contiene pequeñas partículas de carbono sin quemar u otro material), también aumenta la energía promedio de la radiación electromagnética emitida por la llama (ver Cuerpo negro ).
Se pueden utilizar otros oxidantes además del oxígeno para producir una llama. La quema de hidrógeno en cloro produce una llama y en el proceso emite cloruro de hidrógeno (HCl) gaseoso como producto de la combustión. [5] Otra de las muchas combinaciones químicas posibles es la hidracina y el tetróxido de nitrógeno , que es hipergólico y se usa comúnmente en motores de cohetes. Se pueden utilizar fluoropolímeros para suministrar flúor como oxidante de combustibles metálicos, por ejemplo en la composición de magnesio/teflón/vitón .
La cinética química que ocurre en la llama es muy compleja y típicamente involucra una gran cantidad de reacciones químicas y especies intermedias, la mayoría de ellas radicales . Por ejemplo, un esquema de cinética química muy conocido, GRI-Mech, [6] utiliza 53 especies y 325 reacciones elementales para describir la combustión de biogás .
Existen diferentes métodos para distribuir los componentes necesarios de la combustión a una llama. En una llama de difusión , el oxígeno y el combustible se difunden entre sí; la llama se produce donde se encuentran. En una llama premezclada , el oxígeno y el combustible se mezclan previamente, lo que da como resultado un tipo de llama diferente. Las llamas de las velas (una llama de difusión) funcionan mediante la evaporación del combustible que se eleva en un flujo laminar de gas caliente que luego se mezcla con el oxígeno circundante y se quema.
El color de la llama depende de varios factores, siendo los más importantes la radiación del cuerpo negro y la emisión de la banda espectral , mientras que tanto la emisión de la línea espectral como la absorción de la línea espectral desempeñan papeles menores. En el tipo más común de llama, las llamas de hidrocarburos , el factor más importante que determina el color es el suministro de oxígeno y el grado de premezcla de combustible y oxígeno, que determina la velocidad de combustión y, por tanto, la temperatura y las vías de reacción, produciendo así diferentes tonos de color. .
En un laboratorio, en condiciones normales de gravedad y con una entrada de aire cerrada, un mechero Bunsen arde con una llama amarilla (también llamada llama de seguridad) con una temperatura máxima de aproximadamente 2000 K (3100 °F). El amarillo surge de la incandescencia de partículas muy finas de hollín que se producen en la llama. Además, se produce monóxido de carbono y la llama tiende a absorber oxígeno de las superficies que toca. Cuando se abre la entrada de aire, se produce menos hollín y monóxido de carbono. Cuando se suministra suficiente aire, no se produce hollín ni monóxido de carbono y la llama se vuelve azul. (La mayor parte de este azul había sido oscurecido previamente por las emisiones de color amarillo brillante). El espectro de una llama de butano premezclado (combustión completa) a la derecha muestra que el color azul surge específicamente debido a la emisión de radicales moleculares excitados en la llama, que emiten la mayor parte de su luz muy por debajo de ≈565 nanómetros en las regiones azul y verde del espectro visible.
La parte más fría de una llama de difusión (combustión incompleta) será roja y pasará a naranja, amarillo y blanco a medida que aumenta la temperatura, como lo demuestran los cambios en el espectro de radiación del cuerpo negro. Para una región de llama determinada, cuanto más cerca del blanco en esta escala, más caliente estará esa sección de la llama. Las transiciones son a menudo evidentes en los incendios, en los que el color emitido más cerca del combustible es el blanco, con una sección naranja encima y las llamas rojizas son las más altas de todas. [7] Una llama de color azul solo emerge cuando la cantidad de hollín disminuye y las emisiones azules de los radicales moleculares excitados se vuelven dominantes, aunque el azul a menudo se puede ver cerca de la base de las velas, donde el hollín en el aire está menos concentrado. [8]
Se pueden impartir colores específicos a la llama mediante la introducción de especies excitables con líneas brillantes del espectro de emisión . En química analítica, este efecto se utiliza en pruebas de llama (o espectroscopia de emisión de llama ) para determinar la presencia de algunos iones metálicos. En pirotecnia , los colorantes pirotécnicos se utilizan para producir fuegos artificiales de colores brillantes.
Al observar la temperatura de una llama, hay muchos factores que pueden cambiar o aplicarse. Una importante es que el color de una llama no determina necesariamente una comparación de temperaturas porque la radiación del cuerpo negro no es lo único que produce o determina el color visto; por lo tanto es sólo una estimación de la temperatura. Otros factores que determinan su temperatura son:
Esta es una guía aproximada de las temperaturas de la llama para diversas sustancias comunes (en aire a 20 °C (68 °F) a 1 atm. de presión):
El dicianoacetileno , un compuesto de carbono y nitrógeno con fórmula química C 4 N 2 , arde en oxígeno con una llama brillante de color blanco azulado a una temperatura de 5260 K (4990 °C; 9010 °F) y hasta 6000 K (5730 °F). C; 10,340 °F) en ozono . [10] Esta alta temperatura de la llama se debe en parte a la ausencia de hidrógeno en el combustible (el dicianoacetileno no es un hidrocarburo), por lo que no hay agua entre los productos de la combustión.
El cianógeno , de fórmula (CN) 2 , produce la segunda llama natural más caliente conocida con una temperatura de más de 4.525 °C (8.177 °F) cuando arde en oxígeno. [11] [12]
A temperaturas tan bajas como 120 °C (248 °F), las mezclas de aire y combustible pueden reaccionar químicamente y producir llamas muy débiles llamadas llamas frías. El fenómeno fue descubierto por Humphry Davy en 1817. El proceso depende de un fino equilibrio de temperatura y concentración de la mezcla reactiva y, si las condiciones son adecuadas, puede iniciarse sin ninguna fuente de ignición externa. Las variaciones cíclicas en el equilibrio de las sustancias químicas, particularmente de los productos intermedios de la reacción, producen oscilaciones en la llama, con una variación de temperatura típica de aproximadamente 100 °C (212 °F), o entre "frío" y encendido total. A veces la variación puede provocar una explosión. [9] [13]
En el año 2000, experimentos de la NASA confirmaron que la gravedad desempeña un papel indirecto en la formación y composición de las llamas. [14] La distribución común de una llama en condiciones normales de gravedad depende de la convección , ya que el hollín tiende a subir a la parte superior de una llama (como en una vela en condiciones normales de gravedad), volviéndola amarilla. En entornos de microgravedad o gravedad cero , como en órbita, la convección natural ya no se produce y la llama se vuelve esférica, con tendencia a volverse más azul y más eficiente. Hay varias explicaciones posibles para esta diferencia, de las cuales la más probable es la hipótesis de que la temperatura está distribuida de manera suficientemente uniforme como para que no se forme hollín y se produzca una combustión completa. [15] Experimentos de la NASA revelan que las llamas de difusión en microgravedad permiten que se oxide completamente más hollín después de su producción que las llamas de difusión en la Tierra, debido a una serie de mecanismos que se comportan de manera diferente en microgravedad en comparación con las condiciones de gravedad normales. [16] Estos descubrimientos tienen aplicaciones potenciales en la ciencia aplicada y la industria privada, especialmente en lo que respecta a la eficiencia del combustible .
Las llamas no necesitan ser impulsadas únicamente por la liberación de energía química. En las estrellas, los frentes de combustión subsónica impulsados por la combustión de núcleos ligeros (como el carbono o el helio) hasta núcleos pesados (hasta el grupo del hierro) se propagan como llamas. Esto es importante en algunos modelos de supernovas de Tipo Ia . En las llamas termonucleares, la conducción térmica domina sobre la difusión de especies, por lo que la velocidad y el espesor de la llama están determinados por la liberación de energía termonuclear y la conductividad térmica (a menudo en forma de electrones degenerados ). [17]