Encendemos una vela y, aunque la inclinemos con cuidado, la llama vuelve a orientarse hacia arriba. Puede parecer que el fuego tiene una dirección propia, pero detrás de esa forma existe una combinación de gravedad, diferencias de temperatura y movimiento del aire.
Cuando la vela arde, libera gases muy calientes. Al calentarse, esos gases se expanden y se vuelven menos densos que el aire más frío que los rodea. Debido a la gravedad, el aire más denso tiende a ocupar las posiciones inferiores y los gases calientes ascienden. Así se genera una corriente continua conocida como convección.
Ese movimiento hacia arriba estira la zona donde ocurre la combustión y produce la típica forma alargada o de lágrima.
¿Por qué la llama sube si el fuego no pesa menos?
En realidad, una llama no es un objeto sólido que “flota”. Es una región donde el combustible gaseoso reacciona con el oxígeno y produce nuevos gases, calor y luz.
En una vela, el proceso comienza cuando el calor derrite la cera cercana a la mecha. La cera líquida asciende por ella gracias a la capilaridad. Al acercarse a la zona caliente, se vaporiza. Son esos vapores de cera —y no principalmente la mecha sólida— los que reaccionan con el oxígeno del aire y mantienen la combustión.
Los productos calientes de esa reacción tienen menor densidad que el aire circundante y ascienden. Al hacerlo dejan espacio para que entre nuevo aire, con más oxígeno, desde los lados y desde abajo.
El proceso puede resumirse así:
- La cera se derrite y sube por la mecha;
- El calor la convierte en vapor combustible;
- Ese vapor reacciona con el oxígeno;
- Los gases calientes ascienden por convección;
- Aire más frío entra alrededor de la llama y aporta nuevo oxígeno.
¿Qué papel tiene la gravedad en la forma de la llama?
La gravedad es fundamental porque permite que aparezca la flotabilidad: cuando dos gases tienen distinta densidad, el menos denso tiende a elevarse respecto del más denso.
Por eso una vela encendida en una habitación tranquila desarrolla su conocida punta. NASA explica que, en la Tierra, la convección impulsada por la gravedad hace que los gases calientes asciendan y arrastren la llama hasta darle una forma similar a una lágrima.
Algo parecido ocurre en un globo aerostático. El aire calentado dentro del globo es menos denso que el aire exterior y experimenta una fuerza ascendente.
Sin embargo, decir que una llama apunta “siempre” hacia arriba requiere una aclaración. Una corriente de aire puede inclinarla hacia un costado. El viento puede dominar sobre la convección natural y cambiar la dirección del flujo de gases.
¿Cómo es una llama en el espacio?
Los experimentos en microgravedad ofrecen una demostración espectacular de este fenómeno.
En la Estación Espacial Internacional, los objetos continúan bajo la influencia de la gravedad terrestre, pero se encuentran en caída libre continua. En esas condiciones, la convección por flotabilidad prácticamente desaparece.
Entonces los gases calientes no ascienden como lo hacen en una habitación terrestre. El oxígeno llega lentamente hasta la zona de combustión principalmente mediante difusión, es decir, por el movimiento de las moléculas desde regiones de mayor concentración hacia otras de menor concentración.
Por eso, una pequeña llama en microgravedad puede adoptar una forma redondeada o casi esférica, en lugar de la clásica gota con punta. NASA también observó que estas llamas pueden ser más azuladas y producir menos hollín.
¿Por qué la llama de una vela es amarilla?
La forma tampoco es lo único que depende del movimiento del aire.
En una vela terrestre se forman pequeñas partículas de carbono u hollín en zonas donde el combustible todavía no dispone de suficiente oxígeno. Las corrientes ascendentes transportan esas partículas hacia zonas más calientes, donde brillan intensamente y producen buena parte del característico color amarillo.
En microgravedad, el combustible y el oxígeno se mezclan de otra manera. La ausencia de una fuerte corriente ascendente modifica tanto la forma como el color y la velocidad de la combustión.
La punta de una vela, entonces, no es una dirección elegida por el fuego. Es la consecuencia visible de un ciclo continuo: la combustión calienta gases, esos gases ascienden por efecto de la gravedad y, al hacerlo, permiten que nuevo aire frío y oxígeno lleguen a la zona donde la llama continúa ardiendo.
