Ngọn nến không đốt sợi bấc, cũng không đốt sáp ở dạng rắn: thứ đang cháy là hơi sáp bốc lên quanh bấc. Ngọn lửa có hình giọt nước và luôn hướng lên vì khí nóng nhẹ hơn không khí xung quanh nên bốc lên, kéo theo không khí mát từ dưới tràn vào thay chỗ. Nếu không có trọng lực, như trên trạm vũ trụ, ngọn nến cháy thành một quả cầu mờ màu xanh.
Thấy nó ở đâu, lúc nào
Ai cũng từng nhìn một ngọn nến: lúc mất điện, trên bánh sinh nhật, trong đêm Trung thu, trên bàn thờ ngày giỗ. Nhìn lâu một chút sẽ thấy ngọn lửa không phải một khối đồng màu. Sát chân bấc có một vùng xanh mờ hình cái bát. Giữa ngọn là một lõi tối gần như trong suốt. Phần lớn ngọn lửa sáng vàng, và phía ngoài cùng có một lớp viền mỏng rất khó thấy.
Ngọn lửa cũng biết "phản ứng": cửa sổ mở thì nó chao, đậy chụp thuỷ tinh thì nó đứng yên, bấc dài quá thì nó bốc khói đen và cao lên. Mỗi chi tiết ấy đều có lý do.
Đường đi của sáp: từ rắn thành hơi
Nhà vật lý Michael Faraday đã dành cả loạt bài giảng Giáng sinh năm 1848 ở Viện Hoàng gia London chỉ để nói về cây nến; bản in sau này mang tên Lịch sử hoá học của một cây nến và đến nay vẫn được đọc. Câu chuyện ông kể đi theo đúng đường đi của sáp:
- Nóng chảy. Sức nóng của ngọn lửa làm chảy một vũng sáp nhỏ hình chén ở đầu cây nến. Mép chén vẫn rắn vì không khí lùa từ dưới lên làm nguội thành nến — chính nhờ vậy vũng sáp không tràn ra.
- Leo lên bấc. Sáp lỏng thấm ngược lên các sợi bấc theo kiểu mao dẫn, giống như nước leo lên mép khăn giấy.
- Bay hơi. Gần ngọn lửa, sáp lỏng trên bấc nóng tới mức bay hơi. Đó là lõi tối ở giữa ngọn lửa: một đám hơi sáp chưa cháy vì chưa gặp đủ ôxi.
- Cháy. Hơi sáp khuếch tán ra ngoài, ôxi khuếch tán vào trong. Chỗ hai dòng gặp nhau là mặt cháy. Sản phẩm cuối là khí CO₂ và hơi nước.
Sợi bấc vì thế chỉ là cái "ống hút". Bấc khô, không có sáp, châm lửa thì cháy rụi rất nhanh; có sáp bao quanh, nó được hơi sáp bảo vệ và chỉ cháy dần phần đầu.
Vì sao ngọn lửa hình giọt và luôn hướng lên
Khí trong ngọn lửa nóng cỡ hơn một nghìn độ C, loãng hơn không khí phòng nhiều lần. Chất khí nhẹ thì nổi, cũng như bọt khí nổi trong nước. Dòng khí nóng bốc lên thành cột, và chỗ nó vừa rời đi được không khí mát từ bên dưới, bên cạnh tràn vào lấp. Dòng đối lưu này làm hai việc cùng lúc:
- Kéo dài ngọn lửa theo chiều đứng. Hơi sáp và các hạt muội bị cuốn lên trên trước khi kịp cháy hết, nên ngọn lửa thuôn dài, nhọn ở đỉnh — hình giọt nước lộn ngược.
- Tiếp ôxi liên tục. Không khí mới luôn được hút vào chân ngọn lửa. Vì thế chân ngọn lửa, nơi gặp không khí sạch nhiều nhất, lại cháy xanh và gọn.
"Hướng lên" ở đây nghĩa là ngược chiều trọng lực, không phải hướng về bầu trời. Nghiêng cây nến, ngọn lửa vẫn dựng đứng. Lật ngược que đóm, ngọn lửa vẫn liếm lên trên — và liếm vào chính que, nên nó cháy mạnh hơn.
Ngọn nến trong không trọng lực
Trên tàu con thoi và trạm vũ trụ quốc tế, NASA đã nhiều lần đốt thử nến và giọt nhiên liệu. Không có trọng lực thì không có "nhẹ hơn", không có đối lưu. Ôxi chỉ đến được ngọn lửa bằng khuếch tán chậm chạp, nên ngọn lửa co lại thành hình cầu, nhỏ, mờ, phần lớn màu xanh vì ít muội. Thí nghiệm ấy cho thấy rõ: hình giọt nước không phải bản chất của lửa, mà là dấu vết của trọng lực.
Bản đồ ngọn lửa: các vùng và nhiệt độ
Các con số dưới đây là khoảng ước lượng hay gặp trong sách phổ biến khoa học; nhiệt độ thật thay đổi theo loại sáp, cỡ bấc và cách đo.
| Vùng | Trông thế nào | Chuyện gì đang xảy ra | Nhiệt độ (ước chừng) |
|---|---|---|---|
| Lõi trong | Tối, gần trong suốt, quanh bấc | Hơi sáp chưa cháy, thiếu ôxi | Thấp nhất, vài trăm °C |
| Chân ngọn lửa | Xanh lam mờ, hình bát | Hơi sáp gặp nhiều không khí, cháy gần trọn; các mảnh phân tử bị kích thích phát ánh xanh | Cao |
| Thân ngọn lửa | Vàng sáng | Hạt muội than li ti nung nóng phát sáng | Khoảng 1.000–1.400 °C |
| Viền ngoài | Mỏng, hầu như không thấy | Muội và khí còn sót cháy nốt khi gặp không khí | Nóng nhất |
Phần sáng nhất không phải phần nóng nhất. Ánh vàng là ánh sáng của muội — hàng tỉ hạt cacbon nhỏ như khói, nóng đỏ rực như dây tóc bóng đèn. Chúng sinh ra ở giữa ngọn lửa, nơi hơi sáp bị nung nóng mà thiếu ôxi, rồi cháy hết ở rìa. Nếu muội không kịp cháy hết, nó bay lên thành khói đen. Chuyện màu lửa sẽ được nói kỹ ở bài riêng về màu ngọn lửa; ở đây chỉ cần nhớ: vàng là muội, xanh là phản ứng cháy gọn.
Những chi tiết nhỏ mà ít người để ý
Vì sao bấc nến hiện đại tự cong
Nến ngày xưa dùng bấc xoắn thẳng; bấc cháy dở thành cục than dài, ngọn lửa bốc khói, người ta phải cắt bấc thường xuyên. Từ thế kỷ 19, bấc bện bắt đầu phổ biến. Bấc bện có xu hướng tự cong ra một bên khi cháy, đầu bấc thò ra lớp viền ngoài giàu ôxi và tự cháy rụi. Nhìn kỹ một cây nến đang cháy ổn định, đầu bấc thường có chấm đỏ cong về một phía — đó là nó đang tự "tỉa".
Bấc dài thì khói đen
Bấc dài hút lên nhiều sáp hơn mức không khí kịp đốt. Ngọn lửa cao, rung, và đầu ngọn nhả muội. Cắt bấc còn chừng nửa phân là ngọn lửa gọn lại.
Làn khói trắng sau khi thổi tắt
Thổi tắt nến, một sợi khói trắng bốc lên. Đó không phải muội mà chủ yếu là hơi sáp nguội đi, ngưng lại thành giọt li ti. Vì làn khói này chính là nhiên liệu, đưa que lửa vào nó cách bấc vài phân, ngọn lửa có thể "chạy" ngược xuống và thắp lại bấc. Faraday đã làm đúng thí nghiệm ấy trước khán giả.
Vì sao thổi thì tắt mà quạt nhẹ thì không
Thổi mạnh thổi bay hơi sáp và làm nguội vùng cháy dưới mức cần để phản ứng tự duy trì. Một luồng gió nhẹ chỉ làm ngọn lửa chao, thậm chí cho thêm ôxi. Cháy cần đủ ba thứ: nhiên liệu, ôxi và nhiệt; bớt mạnh một thứ là tắt.
Hiểu lầm thường gặp
- "Bấc là thứ cháy." Bấc chỉ dẫn sáp. Nhiên liệu là hơi sáp.
- "Lửa vàng là phần nóng nhất." Vàng là phần sáng nhất, không phải nóng nhất. Viền ngoài mờ mới nóng nhất.
- "Lửa hướng lên vì nó muốn bay về trời." Lửa hướng lên vì khí nóng nhẹ hơn khí lạnh; mất trọng lực là mất hướng.
- "Nến cháy hết thì sáp biến mất." Sáp không biến mất: nó thành CO₂ và hơi nước bay vào không khí. Úp một cốc thuỷ tinh lạnh lên trên ngọn nến một giây (cầm bằng kẹp, không bằng tay) sẽ thấy thành cốc mờ hơi nước.
Tự quan sát / tự thử an toàn
Mọi thử nghiệm với lửa dưới đây làm cùng người lớn, đặt nến trên đĩa sứ hoặc khay kim loại, trên mặt bàn không có giấy, vải, rèm gần đó, và để sẵn một cốc nước. Buộc gọn tóc dài. Không làm khi trong phòng có quạt thổi mạnh.
- Đọc bản đồ ngọn lửa. Tắt bớt đèn, đặt nến trước một tấm bìa đen. Nhìn chân ngọn lửa tìm vùng xanh, nhìn giữa tìm lõi tối. Chụp ảnh điện thoại với chế độ chỉnh phơi sáng thấp, các vùng hiện ra rõ hơn mắt thường.
- Xem bóng của ngọn lửa. Chiếu đèn pin mạnh hoặc ánh nắng xuyên qua ngọn nến lên tường trắng. Bóng ngọn lửa không phải chỗ ánh sáng, mà là chỗ khí nóng làm ánh sáng bị bẻ lệch: bạn sẽ thấy cả cột khí nóng rung rinh bốc lên cao hơn ngọn lửa nhiều.
- Bằng chứng hơi nước. Dùng kẹp gắp một cốc thuỷ tinh khô, đã để tủ lạnh, giữ trên ngọn lửa một hai giây rồi rút ra. Thành cốc mờ hơi nước — một trong hai sản phẩm của sự cháy.
- Thắp lại từ khói. Người lớn thổi tắt nến, rồi đưa ngay que đóm đang cháy vào làn khói trắng, cách bấc chừng ba bốn phân. Ngọn lửa nhảy xuống bấc. Làm xa mặt, xa tóc.
- So bấc dài – bấc ngắn. Quan sát ngọn lửa trước và sau khi người lớn tắt nến, cắt bấc ngắn lại rồi thắp lại. Ghi chiều cao ngọn lửa và có khói đen hay không.
Muốn đọc tiếp, cuốn The Chemical History of a Candle của Faraday có bản điện tử miễn phí, câu chữ giản dị, hợp với học sinh cấp 2–3. Phần "Sự cháy" trong SGK Hoá học cũng giải thích vai trò của ôxi và nhiệt đúng như những gì ngọn nến cho thấy.
Câu hỏi thường gặp
Ngọn nến cháy cái gì, bấc hay sáp?
Thứ cháy là hơi sáp. Sức nóng làm sáp chảy, sáp lỏng leo lên bấc nhờ mao dẫn rồi bay hơi; hơi ấy gặp ôxi mới cháy. Bấc chỉ làm nhiệm vụ dẫn sáp lên và cháy dần ở đầu.
Vì sao ngọn lửa luôn hướng lên trên?
Khí trong ngọn lửa rất nóng nên nhẹ hơn không khí xung quanh và bốc lên, kéo không khí mát từ dưới vào thay chỗ. Dòng đối lưu ấy kéo ngọn lửa dài theo chiều đứng. Trên trạm vũ trụ không có trọng lực, ngọn nến cháy thành hình cầu.
Phần nào của ngọn nến nóng nhất?
Lớp viền ngoài mỏng, gần như không nhìn thấy, là nơi nóng nhất vì ở đó nhiên liệu gặp nhiều ôxi nhất. Phần vàng sáng nhất là muội than đang phát sáng, không phải chỗ nóng nhất. Lõi tối quanh bấc là chỗ nguội nhất.
Vì sao ngọn nến có phần màu xanh ở dưới?
Ở chân ngọn lửa, hơi sáp gặp nhiều không khí nên cháy gần như trọn vẹn, không kịp sinh muội. Các mảnh phân tử bị kích thích trong phản ứng cháy phát ra ánh sáng xanh lam. Lên cao hơn, muội nhiều dần và ánh vàng lấn át.
Vì sao thổi tắt nến lại có khói trắng?
Làn khói trắng chủ yếu là hơi sáp nguội đi, ngưng thành giọt rất nhỏ. Vì đó là nhiên liệu, đưa lửa vào làn khói có thể thắp lại bấc từ xa vài phân. Khói đen lúc nến đang cháy thì khác: đó là muội than chưa cháy hết.
