La física detrás de una llama

Fotografía de las Fallas de Valencia aparecida en el periódico El Mundo el 20/03/2012

¿Quién no se ha quedado hipnotizado delante de una chimenea observando un fuego?

Desde que se conoce, el fuego nos ha fascinado. Sin embargo, y a pesar de ser un hecho tan cotidiano y usual, no fue hasta el siglo XX hasta que pudimos comenzar a entenderlo. ¿Te has parado a pensar en qué es realmente el fuego? ¿Por qué nos ilumina? ¿De qué está formado? Piensa por un momento en ello, la cuestión no es tan sencilla como podría parecer en un primer momento… Y es que, como suele suceder con multitud de hechos cotidianos, cuanto más intentas profundizar en ellos, más complicados y sorprendentes resultan.

En esta entrada intentaremos dar respuesta a estas preguntas, intentaremos adentrarnos en la estructura íntima de las llamas de un fuego para entender su realidad más profunda. Vamos allá!

En la antigüedad el fuego se consideraba como uno de los cuatro elementos de los que se creía que estaba formado todo los que nos rodea: agua, tierra, aire y fuego. Se pensaba en el fuego como una parte material contenida en algunas sustancias que se manifestaba en determinadas circunstancias. Por ejemplo, se consideraba que un trozo de madera contenía en su interior fuego, y éste era liberado al hacer arder la madera. Aunque esta idea fue abandonada en el siglo XVIII, tenemos que esperar hasta el siglo XX, cuando se avanzó en el entendimiento de la naturaleza atómica de la materia gracias al nacimiento de la física cuántica, para poder comprender realmente las características del fuego, cómo y por qué se produce.

El fuego se produce en los procesos de combustión, es decir, en reacciones químicas en las que los reactivos: combustible (por ejemplo gas natural) y comburente (normalmente oxígeno), reaccionan entre sí para formar unos productos, (siguiendo el ejemplo, dióxido de carbono y vapor de agua), desprendiendo en el proceso cierta cantidad de energía.

Reacción de combustión del metano: el metano reacciona con el oxígeno para producir dióxido de carbono y vapor de agua, con un desprendimiento de energía.

Veamos el proceso de combustión de nuestro ejemplo desde un punto de vista energético: todo en el Universo tiende a estar en su mínimo de energía, pues bien, en la reacción de combustión los reactivos (en el ejemplo anterior metano y oxígeno) se encuentran en un cierto nivel de energía, nivel éste con un valor más alto que el nivel al que se encuentran los productos (dióxido de carbono y agua). Por tanto, al producirse la reacción el sistema ha pasado de un nivel de energía mayor a otro menor. Como la energía no puede crearse ni destruirse, esta diferencia de energía en el sistema es la que se desprende en la reacción. Por otro lado, todos sabemos que si tenemos gas metano, en condiciones habituales no comienza su combustión. Necesitamos aplicar un cierto valor de energía para que el proceso comience: es la energía de activación (ésta podría ser por ejemplo una chispa, para el ejemplo que estamos viendo). Eso sí, una vez la combustión comienza, la energía producida "retroalimenta" a la misma produciéndose la reacción en cadena. 

Así pues, en las reacciones de combustión se desprende una cantidad de energía, que recordamos, es una magnitud física capaz de producir un trabajo. Podríamos hacernos la siguiente composición mental del proceso de combustión: moléculas de reactivos chocan con la velocidad suficiente para romper sus enlaces, quedando los átomos "libres" y produciéndose una recombinación entre los mismos formando de esta manera nuevas moléculas. Como el nivel energético de los nuevas moléculas es menor que el de los reactivos, se desprende una gran cantidad de energía.

La siguiente pregunta que debemos plantearnos ahora es: ¿Y a dónde va a parar esa energía? Bien, pues básicamente la energía desprendida es absorbida por las sustancias presentes en el medio, y esta absorción de energía es la responsable de la aparición de llamas en un fuego, son la causa de que se produzcan las mismas. Vamos ya a adentrarnos en los fenómenos físicos que provocan las llamas.

La energía que se va desprendiendo en la reacción de combustión es absorbida por las especies presentes en el medio provocando los dos fenómenos responsables de la llama: la incandescencia y la luminiscencia.

Por un lado, el aumento de energía de las especies presentes en el medio de reacción de combustión no puede producirse indefinidamente, es decir, la energía no puede aumentar hasta el infinito. La energía que van adquiriendo las sustancias, por otro lado es devuelta al medio en forma de radiación térmica. Explicaremos esto mejor. Piensa en el siguiente ejemplo: imagina un objeto que colocamos al sol durante una semana. Cuando el objeto va absorbiendo ondas que le llegan del sol, se produce un aumento de su energía y con esta, de su temperatura. Pero resulta obvio que la temperatura no aumenta indefinidamente día tras día, por lo que la energía que va adquiriendo por otra parte debe ser devuelta al medio, y es devuelta en forma de radiación térmica. Esto quiere decir que todo cuerpo que se encuentra por encima del cero absoluto de temperatura emite una radiación electromagnética, una radiación que depende de la temperatura a la que se encuentre. Todo cuerpo con temperatura emite radiación térmica. Todo lo que nos rodea está emitiendo radiación, porque está a cierta temperatura, pero normalmente emite una radiación que no corresponde con las ondas del espectro visible visible, por lo que no podemos verla. Sin embargo, si la temperatura alcanza valores lo suficientemente altos, esa radiación comienza a corresponder con el espectro visible. Todos lo hemos visto cuando se calienta un metal "al rojo", o por ejemplo en los filamentos de wolframio de las antiguas bombillas: es el fenómeno de la incandescencia.

Vaya, pues esto se parece bastante al fuego… Y tanto que se parece! La incandescencia es el principal fenómeno físico que hace que las llamas de un fuego "brillen". 

En los procesos de combustión hay partículas que no completan el proceso de combustión: son los inquemados. Pues en concreto, estas pequeñas partículas inquemadas presentes en el medio, y que formarán las cenizas o el humo del fuego, se encuentran a altas temperaturas en suspensión en el interior de las llamas, produciendo el  típico color amarillo y naranja de las llamas por ejemplo de una hoguera. 

De esta manera, dependiendo de la temperatura a la que se encuentran esas partículas incandescentes, la radiación emitida es de un color diferente.

Color de la radiación emitida por el fenómeno de incandescencia en función de la temperatura medida en grados Kelvin.

Así pues, en un fuego en una chimenea donde quemamos madera por ejemplo, la llamas están formadas por miles de pequeñas partículas que se van formando en la reacción pero no terminan de completar la combustión y que debido a la temperatura emiten luz principalmente en el amarillo y naranja. Estas pequeñas partículas, van ascendiendo en la masa de gas caliente, disminuyendo su temperatura en el ascenso, hasta un valor en el que ya no produce emisión de radiación térmica en el espectro visible y cesa el fenómeno de luminiscencia, conformando de esta manera los límites de las llamas.

Así pues, las llamas de un fuego son principalmente la manifestación del conjunto de partículas incandescentes en movimiento caótico en el seno del mismo, emitiendo luz en el espectro visible. Los límites de la llama se conforman cuando las partículas dejan de estar a la temperatura suficiente como para emitir luz en el visible. Por tanto, en una llama habitualmente el tiempo durante el cual una partícula se encuentra en estado incandescente suele ser corto, sin embargo, el proceso de combustión va generando nuevas partículas incandescentes lo que hace que la llama se mantenga "viva". Es decir, la llama no está formada por un mismo conjunto de partículas que permanecen ahí, sino que está formada por el flujo continuo de nuevas partículas incandescentes.

Hasta aquí con la incandescencia, pero además de este fenómeno, hay otro que también puede producirse en la combustión, y que al igual que anterior también produce la emisión de luz: la luminiscencia.

Seguro que has observado alguna vez fuegos de diversos colores, sin ir mas lejos todos lo hemos visto en los fuegos artificiales. 

Pues estos colores son producidos por el fenómeno de luminiscencia, y para poder entenderlo tenemos que adentrarnos en la estructura electrónica de los átomos:

Los electrones de un átomo se organizan situándose en diferentes regiones del espacio en lo que denominamos orbitales atómicos (regiones del espacio donde hay una mayor probabilidad de encontrar a los electrones). A cada orbital le corresponde un nivel de energía diferente, mayor cuanto más alejado se encuentra del núcleo atómico. Pues bien, si un electrón situado en un orbital recibe una cierta cantidad de energía, puede producirse un "salto cuántico" del electrón a un orbital superior, de energía mayor. Pero claro, hemos dicho que todo en el Universo tiende a estar en su estado de mínima energía, por lo que el electrón vuelve a caer al orbital original, de menor energía, emitiendo ahora una onda electromagnética con una energía que correspondiente a la diferencia de energía entre los dos orbitales. Esta onda se emite en forma de luz con un color específico que depende precisamente del valor de esa diferencia de energía. Como la distribución de electrones, la configuración electrónica, es diferente para cada elemento de la tabla periódica, diferentes elementos darán lugar a diferentes ondas absorbidas y emitidas, es decir, luz de diferente energía que se traduce en distintos colores. 

Los espectros atómicos son las diferentes ondas electromagnéticas que pueden ser absorbidas y emitidas por un átomo de un elemento en estado gaseoso. Estas diferentes ondas se corresponden con sus correspondientes colores

Espectro visible. Los diferentes colores corresponden con diferentes longitudes de onda, que están relacionadas con la energía de las ondas electromagnéticas.

De esta manera, si añadimos diferentes elementos químicos a una llama, parte de la energía producida en la combustión es absorbida por los átomos produciendo estos saltos cuánticos y dando lugar a la emisión de diferentes radiaciones electromagnéticas, diferente luz de diferentes colores, en función del elemento añadido.

Y éstas, la incandescencia y luminiscencia, son las responsables de la emisión de luz de una llama. Así pues, ya hemos visto de lo que está formada una llama, cómo se produce y por qué emite luz. 

La próxima vez que estés delante de una chimenea observando un fuego piensa en su estructura más íntima. Piensa en los incontables saltos cuánticos de electrones entre orbitales, en la ingente cantidad de fotones que estos saltos producen y cómo al llegar a tus ojos tu cerebro los interpreta como diferentes colores. Piensa también en el incesante baile caótico de millones de partículas incandescentes que ascienden y conforman la llama, como éstas van perdiendo temperatura y con ella su poder luminoso, y sin embargo como la llama se va manteniendo viva gracias a la incorporación de nuevas partículas incandescentes. La próxima vez que estés delante de una chimenea observando un fuego piensa en todas estas cosas y entenderás por qué no puedes apartar la mirada del mismo.