¿El fuego es plasma?

¿Es el fuego un plasma ?

Si no, ¿qué es entonces?

En caso afirmativo, ¿por qué no les enseñamos a los niños este ejemplo básico?

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ACTUALIZACIÓN: probablemente me refiero a un incendio común y corriente de la temperatura habitual. Eso debería simplificar la respuesta.

Experimento casero: coloque un imán fuerte (es decir, de tierras raras) en el extremo de un poste y vea si afecta el comportamiento de una llama más que un poste sin el imán. ¿Por qué? Porque el imán afectará a los iones y electrones libres en movimiento con mucha más fuerza que los componentes neutros.
No tengas una chimenea aquí ni un imán fuerte. ¿La respuesta es?
Hasta donde yo sé, las llamas ordinarias no están significativamente ionizadas: son solo gas caliente con química en ellas. Pero no estoy lo suficientemente seguro como para publicar una respuesta, así que no me cites.
Una pregunta similar es la base de un proyecto reciente en comunicación científica. Échale un vistazo: flamechallenge.org
Más sobre qué es el fuego: physics.stackexchange.com/q/9708/2451
@dmckee ¿Qué pasa con un experimento de conductividad más simple: se puede cerrar un circuito con una llama? Si hay plasma, habrá electrones e iones libres, por lo que dos conductores conductores a una llama podrían estar cerrando un circuito y aparecería corriente.
@annav: Mmm... sí. El tuyo es más simple y más fácil de interpretar que el mío.
El siguiente libro sobre el fuego es bastante bueno: amazon.fr/Feu-flammes-Louis-Boyer/dp/2701139732 . Lamentablemente está en francés.
Cuidado: primero pregunte ¿Qué es el plasma? La ionización y la conductividad no definen el plasma, ya que las mezclas de iones positivos y negativos son conductoras e ionizadas, pero las soluciones ácidas no son plasma, la sal fundida no es plasma aunque sea vapor. El plasma requiere electrones libres. Por "gas ionizado" en realidad no nos referimos a gas ionizado. En cambio, nos referimos a "átomos despojados de electrones", electrones libres más iones positivos. Los pares de iones generados químicamente no son un plasma. Los plasmas tienen líneas de emisión más que solo fluorescencia química y transiciones orbitales; debemos detectar longitudes de onda de recombinación de electrones.
Otro divertido experimento casero es colocar una vela encendida en un microondas. De esta manera, definitivamente puede generar plasma a medida que las microondas amplifican lo pequeño. cantidad en el fuego. Personalmente he hecho esto, y los resultados parecen indicar más formación de plasma (llamas oscilantes extrañas), aunque un espectro realmente lo confirmaría. USE GAFAS Y TENGA EL EXTINTOR LISTO

Respuestas (5)

En términos generales, el fuego es una reacción de oxidación exotérmica rápida. La llama está compuesta de gases calientes y resplandecientes, como un metal que se calienta lo suficiente como para comenzar a brillar. Los átomos en la llama son un vapor, por lo que tiene la cualidad tenue característica que asociamos con el fuego, a diferencia de la estructura más rígida que asociamos con el metal caliente.

Ahora, para ser justos, es posible que un fuego arda lo suficientemente caliente como para ionizar átomos. Sin embargo, cuando hablamos de ejemplos comunes de fuego, como la llama de una vela, una fogata o algo por el estilo, no estamos tratando con algo lo suficientemente energético como para ionizar átomos. Entonces, cuando se trata de usar algo como un ejemplo de plasma para niños, me temo que el fuego no sería una elección adecuada.

No lo creo --- el fuego en sí tiene una proporción significativa de átomos ionizados, no es solo gas caliente, porque el brillo se debe a la recombinación en líneas particulares que dependen de las líneas de emisión química (puedes ver esto en sal ardiente).
@Ron, ¿estás seguro de que es una recombinación o tal vez solo son transiciones? No tengo una opinión firme al respecto, la razón por la que pregunto es que creo que esto podría marcar la diferencia entre el fuego y el plasma (si corresponde).
@LevLevitsky: no estoy seguro --- podrían ser solo transiciones de la capa externa --- pero una vez que se ioniza una vez, es mucho más fácil expulsar el electrón del átomo. Ahora estoy confundido sobre el tema --- He encontrado fuentes que van en ambos sentidos. Pensé que lo mejor sería probar la conductividad, pero alguien lo hizo y dijo que no vio conductividad (pero esto podría ser una conductividad baja), el límite nítido de la llama, la falta de enfriamiento gradual, sugiere que es algún tipo de fase de combustión en estado estacionario. Es difícil decir si el estado estacionario de no equilibrio es esto o aquello. No sé.
@Ron, incluso el gas frío brilla, solo en el espectro infrarrojo.
@Anixx: Por supuesto, pero ¿por qué el cambio brusco de color? ¿El gas se enfría abruptamente? ¿Por qué allí? Supuse que era una transición de ionización de algún tipo, pero ya no estoy seguro.
La suposición de "gas incandescente" es físicamente incorrecta. Si el gas indica que brilla, debe emitir radiación de cuerpo negro . Esto sería en infrarrojo o rojo máximo, como metal brillante. Pero ves la emisión de línea, fácil de verificar al mirarla a través de un prisma. El hecho de que veas llamas de colores se debe al hecho de la recombinación y las siguientes transiciones. Ver este experimento por ejemplo.
youtu.be/lT3vGaOLWqE?t=360 puede ver en este experimento que la llama de un encendedor convencional tiene suficientes iones para iniciar un arco a través de dos electrodos de alto voltaje aunque su voltaje no sea suficiente para iniciar el arco de lo contrario...

En primer lugar, 'Fuego', según numerosos comentarios y respuestas [aquí][1] es un 'proceso', en cuyo caso, la respuesta a la pregunta será 'no', ya que el plasma es un estado de la materia. Sería injusto dejarlo ahí culpando a la semántica, y dadas las abundantes referencias a la región de la 'llama', voy a suponer que eso es lo que la pregunta pretendía hacer. También asumo que probar que la llama de una vela constituye plasma es suficiente para responder suficientemente la pregunta.

De algunos documentos (una búsqueda rápida en Google me dio [2,3]) que las llamas tienen contenido ionizado y que son eléctricamente conductoras. Mi sospecha era que no todas las llamas son conductoras, pero [3] incluye la declaración:

Se sabe desde hace mucho tiempo que las llamas poseen una alta conductividad eléctrica y pueden distorsionarse por un campo eléctrico.

Las fuentes [4] y [5], y muchas otras fuentes, incluido un video en YouTube [6], afirman que la llama de una vela está ionizada y eso es lo que hace que la llama se vea afectada por el campo eléctrico.

Ahora es plasma?

La 'Coalición Plasma', que es una coalición de muchos institutos de renombre en todo el mundo [7], dice que la ionización por sí sola no es suficiente, sino que se deben ionizar suficientes átomos para afectar significativamente las características eléctricas del gas, para que pueda funcionar. llamarse plasma. En uno de sus documentos [8], amplía con gran detalle esta descripción.

De hecho, tiene un artículo dedicado a esta pregunta, [8], que dice que algunas llamas contienen plasma, mientras que otras no. Se expande aún más con suficiente detalle, afirmando que la respuesta depende de la región, lo que se está quemando, la temperatura, etc.

También reconoce que el conocimiento actual sobre las llamas es bastante limitado para determinar de manera concluyente las densidades de partículas cargadas en una ubicación de partículas en la llama, a partir de 2008.

Una amplia variedad de fuentes que afirman que una llama (como la llama de una vela) es plasma se refiere al hecho de que está ionizada.

El libro de Francis F Chen [10] incluye un ejercicio en la página 12 que indica que una llama típica es plasma. Esta afirmación se repite en [4] y [5] (se refiere a la llama de una vela).

Mi conclusión

Entiendo que el documento de la coalición Plasma [8] dice que la temperatura de una vela es demasiado baja para que ocurra mucha ionización, pero técnicamente, los experimentos citados anteriormente [2,4,6], que demuestran el efecto significativo de las llamas en un eléctrico campo, junto con las predicciones teóricas [3,10] parecen implicar que la llama es de hecho un plasma. ¡ Incluso por la condición establecida por la propia Plasma Coalition [11]!

Encontré interesante que un artículo antiguo [3] propone explicar las cantidades excesivas de iones formados en las llamas de hidrocarburos al sugerir que se debe en parte a la excitación acumulativa o quimio-ionización. No sé si todavía es relevante hoy en día.

    [1] ¿El fuego es materia o energía? , Intercambio de pilas de física.

    [2] Propiedades eléctricas de las llamas: llamas del quemador en campos eléctricos longitudinales. Hartwell F. Calcot y Robert N. Pease. Ing. Ind. química 43 núm. 12, págs. 2726–2731 (1951) .

    [3] Mecanismos de formación de iones en llamas. Calcote HF. Combustión. Fuego. 1 no. 4, págs. 385–403 (1957) .

    [4] Ondas en plasmas espaciales polvorientos . Frank Verheest (Kluwer Academic, 2000, Países Bajos).

    [5] Sol, Tierra y Cielo . Kenneth R. Lang (Springer, 2006, Berlín).

    [6] Qué hay en la llama de una vela , canal de YouTube de Veritasium.

    [7] Acerca de la Coalición para la Ciencia del Plasma .

    [8] Acerca de los plasmas . Coalición de Ciencias del Plasma, 2008.

    [9] Estado de la materia del plasma . Apuntes de clase para PX384 Electrodinámica en la Universidad de Warwick , capítulo IV. Erwin Verwichte, 2013.

  [10] Introducción a la Física de Plasmas y Fusión Controlada . Francisco Chen. Disponible aquí por el momento.

  [11] ¿Qué es el plasma? . Coalición para la Ciencia del Plasma, 2000.

¡Qué gran respuesta! Creo que el punto principal a extraer de la referencia [8] es que una región de gas se considera un plasma si su densidad de iones es lo suficientemente alta como para que la mayor parte de la región esté protegida de campos eléctricos. Según este criterio, algunas llamas calientes son plasmas.
Buenas ideas y organización del pensamiento aquí. ¿Cree que es seguro decir que, a diferencia de un punto de vaporización, la transición entre el gas y el plasma es mucho más gradual? Parece que hay un umbral en el que se comporta completamente 'como un plasma' y la confusión se trata de estados intermedios donde las propiedades eléctricas pueden expresarse pero no con tanta fuerza.
Aparte del porcentaje de plasma, los iones y la conductividad no definen el plasma. ¡Un vapor de iones de sodio y cloro no es un plasma, pero está ionizado y es conductor! Además, las líneas de emisión no implican plasma: la luz puede ser fluorescencia química; sólo las transiciones orbitales. El "plasma" real va más allá de estos y requiere extraer electrones de los átomos, produciendo una mezcla de electrones libres e iones positivos, con líneas de emisión de recombinación. Si esas longitudes de onda (UV) no están presentes, entonces no es un plasma.
Otro tema confuso: exponer alto voltaje y/o metal caliente a una llama producirá plasma, a un voltaje bastante bajo en comparación con las chispas en el aire. El plasma en llamas puede ser un artefacto experimental puro. Encuentro muchos videos engañosos en línea con grandes mechas de velas carbonizadas expuestas a placas de kilovoltios. Ciertamente, se produce plasma, pero es solo una chispa de una fuente de alimentación HV y un electrodo de carbono. Si convertimos una llama en plasma, no podemos concluir que todas las llamas son plasma o que incluyen algún plasma. Evite los suministros HV, los chorros de gas metálicos y las mechas de velas negras. Detectar líneas UV en su lugar
@wbeaty La alta temperatura empuja a los electrones a orbitales más altos, por lo que obtenemos iones y electrones positivos. El neumónico es FO Cl N Br ISCH. F es el más electronegativo, por lo que F+ es aún más electronegativo que eso. Por lo general, usan Br como retardante de llama, por lo que Br+ es menos electronegativo que O+ pero más que C+ y H+ (pero al revés a alta temperatura)
@ChemEng alta temperatura, lo que significa 6000K como mínimo, con 10,000K más típico. Eso es necesario antes de que las colisiones de gases comiencen a liberar electrones significativos. Una mezcla de iones pos y neg en llamas típicas no es un plasma, es un electrolito. Los no físicos podrían confundir las reacciones químicas que producen luz con el plasma. Todos, busquen "temperatura del plasma" para obtener una introducción básica. La firma del plasma es la temperatura incandescente, electrones libres, además de UV de banda ancha (recuerde, se necesita UV para eliminar los electrones de los átomos, y los electrones que se recombinan emiten UV).

Cálculo de la parte posterior del sobre:

La ecuación de Saha para un plasma de hidrógeno dice

norte i 2 norte H = V ( 2 π metro mi k b T h 2 ) 3 / 2 Exp ⁡ ( − R k b T )

dónde norte i es el número de iones, norte H es el número de átomos de hidrógeno, V es el volumen del plasma, y R es la energía de ionización del hidrógeno (13,6eV).

Definición del grado de ionización ξ = norte i / norte 0 , dónde norte 0 = norte i + norte H es el número total de átomos en el sistema, esto se puede escribir

ξ 2 1 − ξ = V norte 0 ( 2 π metro mi k b T h 2 ) 3 / 2 Exp ⁡ ( − R k b T )

Una vela arde a 1000 grados centígrados y la llama tiene un volumen de alrededor de 1 cm ^ 3, con probablemente 10 ^ 20 átomos en la llama. Para simplificar, supongamos que es principalmente hidrógeno en la llama (la energía de ionización de otros elementos es del mismo orden de magnitud de todos modos, por lo que no estaremos muy lejos). Luego hago el lado derecho de la ecuación (lo llamaremos F ) para estar alrededor de 10^-54. Entonces podemos resolver ξ 2 1 − ξ = F utilizando la fórmula cuadrática:

ξ = F 2 + 4 F − F 2

esto nos da ξ = 10 − 27 : ninguna de las partículas en la llama de una vela está ionizada (recuerde, supusimos que solo había 10 ^ 20 partículas). Esto tiene mucho sentido, porque 1000C es solo alrededor de 0.1eV, unos buenos dos órdenes de magnitud menos que el potencial de ionización. La densidad de partículas es demasiado baja para compensar eso.

Si cree que alguna de mis aproximaciones no se aplica (personalmente, no estoy muy seguro acerca de la densidad de partículas), ¡corríjame en un comentario!

Su error radica en el hecho de que asume que la ionización comienza desde el estado fundamental n = 1. En una llama, los electrones ascienden primero por colisión en la escala de energía hasta algunos estados excitados. Cuando su energía límite está cerca de la energía térmica, se ionizan.
Veo lo que quieres decir, pero no creo que tengas toda la razón. La gran mayoría de los átomos en un plasma están ionizados o en estado fundamental. Esto se debe a que el continuo tiene un gran peso estadístico en comparación con los estados ligados (la densidad de estados es grande). De hecho, puede usar (una forma un poco más general de) la ecuación de Saha para averiguar cuántos átomos están en los estados excitados en un plasma de hidrógeno; resulta que es seguro ignorar todo excepto el estado fundamental.
Ejecuté un código atómico cinético (Fokker Planck) para plasmas de fusión en el borde de Tokamaks. A 0,1 eV todo el gas está ionizado. La diferencia de energía entre n=6 y n=7 ya es del orden de 0,1 eV. Y las colisiones bombean electrones nivel por nivel desde el estado fundamental hasta el continuo. El problema es extremadamente complejo porque el sistema no está en equilibrio termodinámico (a causa de las radiaciones) y hay que introducir temperaturas diferentes para los niveles superiores, los inferiores y los electrones libres.
Las llamas pueden tener una ionización no despreciable debido a reacciones químicas que involucran radicales libres (comenzando, en llamas de hidrocarburos, con C H + O → C H O + + mi − ). Consulte esta antigua encuesta sobre el tema para obtener más información.

No. El fuego es un fenómeno térmico, el plasma es más eléctrico.

¿Qué es el plasma?

El plasma es el estado en el que quitas electrones/agregas electrones a un gas, por lo que el plasma consiste en iones de gas cargados. Por lo general, brilla debido a las transiciones de electrones y otras cosas.

¿Qué es el fuego?

En una llama, básicamente tienes moléculas de hollín/&c calientes volando. Cualquier material caliente emite fotones, que suelen estar en el rango infrarrojo para temperaturas normales. A temperaturas más altas, pueden entrar en el rango visible.

Una forma de explicar esto es por radiación de cuerpo negro : el hollín debe emitir fotones ya que tiene una temperatura distinta de cero.

Lo que realmente sucede es que los electrones están "excitados térmicamente", tienen energía extra y son propensos a hacer transiciones. Las transiciones conducen a la absorción/emisión de luz, y esto es lo que provoca el color.

Puedes ver que no hay iones involucrados en el fuego, por lo que no es plasma. Pero se producirá ionización si lo calienta a temperaturas aún más altas, y puede convertirse en plasma.

¿Un soplete de oxiacetileno (soldadura) sería un plasma?
"El fuego es un fenómeno térmico, el plasma es más eléctrico". No puedo decir que me guste mucho esta formulación... el calor por sí solo es suficiente para ionizar los átomos si las cosas se calientan lo suficiente.
@dmckee: Pero se producirá ionización si lo calienta a temperaturas aún más altas, y puede convertirse en plasma. Lo sé, pero no está lo suficientemente caliente en el fuego...
@MartinBeckett en algunos instrumentos, sí: directindustry.com/prod/farley-laserlab/…
@annav, ¡sí, un cortador de plasma es un plasma! El oxiacetileno es aproximadamente 3500C, que es el extremo inferior de una superficie de estrella tipo K

El fuego es un plasma. Hay dos tipos de plasmas: los plasmas calientes relevantes para la astrofísica o la fusión son, de hecho, una mezcla de gas totalmente ionizado. En los plasmas fríos (luces del norte, tubos de neón, llamas) el grado de ionización es inferior a uno, pero la mezcla suele exhibir un comportamiento colectivo y un zoo de ondas que no se encuentran en los gases. La más famosa es la oscilación de plasma y la onda de Alfven pero hay muchas otras. El cálculo de Poorsod supone que la ionización tiene lugar entre n=1 y n=infinito. En realidad, los átomos primero son excitados por las colisiones, sus electrones saltan en n más altos hasta que su energía límite es menor que la energía térmica de los electrones libres. Para 0.1 eV, más del 99% de los átomos están ionizados (trabajé en un modelo de computadora para analizar este problema).

interesante, ¿pueden otras personas confirmar esto también?
Lo siento, como mencionó @Mitchell Fire generalmente no es plasma. es raro que el fuego sea plasma. Un solo electrón o ion o unas pocas dosis no califican para ser plasma, tiene que acumularse en cantidad suficiente para que pueda mostrar un comportamiento colectivo.
El fuego no es plasma: la presencia de iones no define el plasma. En cambio, la presencia de electrones libres indica plasma: una mezcla de electrones e iones positivos. Tenga en cuenta que la conductividad no requiere plasma. Si solo se crean pares de iones mediante reacciones químicas, pero no se liberan electrones, entonces una llama tendrá una conductividad 'electrolítica', similar a la sal fundida y las soluciones salinas/ácidas/alcalinas, donde la conductividad se basa únicamente en las poblaciones de iones móviles.
¿El fuego es plasma?
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