בקטנה: בני אדם נמשכו לאש מאז ומעולם. לכולנו יצא בשלב כזה או אחר לבהות בלהבה מרצדת מבלי בכלל להבין למה. ביהדות אוהבים במיוחד מנהגי הדלקת אש; נרות שבת וחג, נרות נשמה, בל"ג בעומר וכמובן – בחנוכה! לכבוד החג שבו מדליקים אש כל יום במשך שמונה ימים, הגיע הזמן שנספר לכם על הצד המדעי שמאחורי היופי.
שיר מומלץ: https://goo.gl/sRCWBj
מהי בעצם אש?
אש היא למעשה תגובה כימית, המערבת שלושה מרכיבים: דלק (חומר הבעירה), מחמצן ואנרגיה. הדלק יכול להיות כמעט כל חומר, לרוב אורגני (חומר אשר עשוי מתרכובות המכילות אטומי פחמן ומימן – כמו עץ, שעווה או פלסטיק). הדלק והחומר המחמצן מגיבים, בנוכחות אנרגיה מספקת, ויוצרים חומרים חדשים – תוצרי הבעירה. כאשר אפילו אחד משלושת המרכיבים שהוזכרו אינם קיימים, הבעירה אינה יכולה להימשך, או להתרחש כלל.
במקרה של נרות, הדלק הוא השעווה החמה שמתאדה מגוף הנר בשל הטמפרטורה הגבוהה שמייצרת הבעירה, ומחומצנת על-ידי החמצן שבאוויר. אותה טמפרטורה מעידה על אנרגיית החום המאפשרת לתגובת הבעירה להמשיך – וכמובן שהדלק (השעווה) מספק לבעירה כל עוד הנר לא סיים לבעור (החמצן, לשמחתנו, נמצא באטמוספירה בכמויות עצומות). באופן כללי, התוצרים של בעירה של חומרים אורגניים בחמצן הם מים (מהמימן בחומר האורגני), פחמן דו-חמצני ופחמן חד-חמצני (מהפחמן בחומר האורגני). ככל שהבעירה של החומר מלאה יותר (או "נקייה" יותר), כך כמות הפחמן הדו-חמצני שייפלט מהתגובה תהיה גדולה יותר מהפחמן החד-חמצני. לרוב, דרגת הבעירה מושפעת מטמפרטורת הבעירה, אך גם מהרכב החומרים. בעירה חלקית מספקת אטומי פחמן חופשיים, המתגבשים ליצירת חלקיקי פחם גדולים יחסים (בקוטר של כמה מיקרונים) – זהו הפיח הנפלט מהבעירה.
אך מדוע התגובה הכימית המספקת בעירה בכלל מפיקה טמפרטורה גבוהה? נתחיל עם זה שטמפרטורה היא למעשה מדד של כמות האנרגיה שאצורה בחומר, בצורת אנרגיה קינטית של המולקולות המרכיבות אותו. כלומר, ככל שהמולקולות אנרגטיות יותר, כך הן נעות מהר יותר, ובעלות טמפרטורה גבוהה יותר. האנרגיה המופקת מבעירה, מקורה בתהליך הכימי שעובר על המערכת; תחילה פירוק של קשרים מולקולריים בין אטומי הדלק והחמצן (בעיקר קשרי פחמן-מימן ופחמן-פחמן בדלק, וקשר חמצן-חמצן במולקולת החמצן), לאחר מכן, הרכבתם לכדי מולקולות חדשות, יציבות יותר מבחינה כימית. יציבות כימית היא מדד לאנרגיית הקשר בין האטומים במולקולה – ככל שהיא גבוהה יותר, כך הקשר פחות יציב. לכן, כאשר נשברים קשרים פחות יציבים על-מנת ליצור קשרים יציבים יותר (קשרי החמצן-מימן במולקולת מים, למשל, לרוב יציבים יותר מקשרי החמצן-חמצן במולקולת חמצן, וקשרי הפחמן-מימן במולקולה אורגנית), ישנו שחרור של אנרגיה (שכן האנרגיה הכוללת בתוך המערכת נשמרת), בצורת אנרגיה קינטית של המולקולות – כלומר, טמפרטורה.
מהיכן מגיעים הצבעים השונים של הלהבה?
שני מנגנונים שולטים בצבע הנראה של הלהבה. האחד הוא קרינת גוף שחור, והשני הוא עירור אלקטרוני (נשמע קצת מפחיד ולא ברור, אנחנו הולכים לפשט את זה).
קרינת גוף שחור היא קרינה אלקטרומגנטית (כלומר אור, בין אם בטווח הנראה או מחוץ לטווח זה), שנפלטת מכל גוף בעל טמפרטורה גבוהה מהאפס המוחלט (0 מעלות קלווין, או כ-273.15- מעלות צלזיוס). ככל שגוף נמצא בטמפרטורה גבוהה יותר, כך האנרגיה אשר תיפלט ממנו תהיה גבוהה יותר גם היא. לאורכי גל שונים של אור, שהם למעשה הצבעים שלו, יש אנרגיות שונות. למשל, בספקטרום האור הנראה, האור האדום הוא בעל האנרגיה הנמוכה ביותר, בעוד האור הכחול-סגול הוא בעל האנרגיה הגבוהה יותר. מכיוון שכך, ככל שגוף נמצא בטמפרטורה גבוהה יותר, הוא יפלוט יותר אור בעל אנרגיה גבוהה יותר. מדוע אם כן אנו לא רואים אור נפלט מחפצים יום-יומיים או מעצמנו, אלא רק כאשר אנו מחממים אותם? זאת מכיוון שבטמפרטורות הרגילות בחיי היום-יום שלנו (0-100 מעלות צלזיוס), האור הנפלט מגופים הוא בעל אנרגיה מתחת לזו של אור נראה, בדרך-כלל באזור האינפרה-אדום (מה שהופך מצלמות אינפרה-אדום לאמצעי מעולה לראייה בחושך). עם זאת, בסביבות 480 מעלות צלזיוס, רוב האור הנפלט הוא כבר בספקטרום הנראה – בצבע אדום. לכן, בטמפרטורה זו עצמים מתחילים "ללהוט" באדום. בסביבות 730 מעלות צלזיוס הצבע כבר הופך לכתום, וב-930 מעלות צלזיוס הוא כתום בהיר מאד. בין 1100 ו-1300 מעלות צלזיוס הגוף החם יפלוט צבע צהוב זוהר עד לבן. כלומר, על סמך צבע הבעירה, אנו יכולים להסיק את הטמפרטורה של הלהבה! (ראו כאן דיאגרמה של צבע הבעירה כפונקציה של הטמפרטורה).
המנגנון הנוסף הוא עירור אלקטרוני. בקצרה, אלקטרונים נמצאים סביב גרעיני האטומים ברמות אנרגיה מוגדרות היטב, ואינם יכולים להיות בעלי אנרגיה בין רמות אלה. כאשר אנו מחממים חומר מספיק, לעיתים אלקטרונים בחומר יכולים "לקפוץ" לרמה אנרגטית גבוהה יותר, ולאחר זמן קצר "ליפול" בחזרה לרמת אנרגיה נמוכה יותר, תוך שחרור פוטון (חלקיק אור). האור המשתחרר יהיה בעל אנרגיה זהה להפרש בין האנרגיה של הרמות הללו. עבור רוב החומרים, מדובר באנרגיות גבוהות בהרבה מאלו אשר קיימות בטמפרטורות הבעירה המעניקות את הצבע הכתום-צהוב הידוע מלהבות, ולכן הצבע של להבה רגילה הוא לרוב באזור האדום-כתוב-צהוב. עם זאת, במרכז הבעירה, באזור המפגש בין הפתיל לנר – הטמפרטורה היא גבוהה מספיק בשביל "להקפיץ" אלקטרונים לרמות אנרגיה גבוהות יותר, ובנפילתם – לפלוט אור באורך-גל מתאים. זוהי הסיבה שאזור זה של הלהבה צבוע לרוב באור כחול.
מה נותן לנר את צורת הבעירה שלו?
מכיוון שנרות דולקים בכדור הארץ (רובם המוחלט, בכל אופן), כוח הכבידה שלו משפיע על צורת הבעירה שלהם. ככל שחומר חם יותר, כך הוא נוטה להיות בעל צפיפות נמוכה יותר. ידוע כי אוויר חם נוטה לעלות מעלה, וזאת בשל צפיפותו הנמוכה יותר. כך גם בלהבה; מכיוון שהיא חמה יותר מהאוויר הסובב אותה, היא תמיד תבער לכיוון המנוגד לכוח המשיכה, כלומר מעלה. תנועה זו של האוויר גורמת לאוויר קר יחסית לנשוב אל מתחת ללהבה, מה שמספק עוד חמצן לבעירה, ועוזר להשאירה קיימת, ויוצר את הצורה המוכרת של הלהבה.
* יש להדליק אש בזהירות ואחריות - כולנו מודעים לפוטנציאל ההרס שהיא מסוגלת לו *

מקורות:

1.  Black-body radiation wikipedia
2. The colours of fire
3. Candle Science
4. כתמונת עזר מוצלחת: http://goo.gl/UUJ7uE
5. Fire in space
6. Blackbody Radiation
7. Nice Blackbody simulation

עריכה לשונית: לנה קלמיקוב