¿Es el fuego plasma?

Question

¿Es Fuego un Plasma?

De no ser así, ¿entonces qué es?

Si es así, ¿por qué no enseñamos este ejemplo básico a los niños?

ACTUALIZACIÓN: Probablemente me refiero a un fuego común de temperatura usual. Eso debería simplificar la respuesta.

Answer 1

En términos generales, el fuego es una reacción rápida de oxidación exotérmica. La llama está compuesta por gases calientes y brillantes, muy parecidos a un metal que se calienta lo suficiente como para empezar a brillar. Los átomos en la llama son un vapor, por eso tiene la cualidad ligeramente ondulada que asociamos con el fuego, en lugar de la estructura más rígida que asociamos con el metal caliente.

Ahora bien, 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 hoguera, o algo por el estilo, no estamos tratando con nada lo suficientemente energético como para ionizar átomos. Por lo tanto, cuando se trata de usar algo como ejemplo de un plasma para niños, me temo que el fuego no sería una elección precisa.

Answer 2

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 dado las abundantes referencias a la región de 'llamas', voy a asumir que eso es lo que la pregunta pretendía preguntar. También asumo que demostrar que una llama de vela constituye un plasma es suficiente para responder adecuadamente a la pregunta.

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

Desde hace mucho tiempo se sabe que las llamas poseen una alta conductividad eléctrica y pueden ser distorsionadas por un campo eléctrico.

Fuentes [4] y [5], y numerosas otras fuentes, incluyendo un video en YouTube [6], afirman que una llama de vela está ionizada y eso es lo que hace que la llama sea afectada por un campo eléctrico.

¿Ahora es plasma?

La 'Plasma Coalition', 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 deben ionizarse suficientes átomos para afectar significativamente las características eléctricas del gas, para que pueda ser llamado plasma. En uno de sus documentos [8], amplía esta descripción en gran detalle.

De hecho, tiene un documento dedicado a esta pregunta, [8], que dice que algunas llamas contienen plasma, mientras que otras no. Se expande más en detalle suficiente, afirmando que la respuesta depende de la región, lo quemado, 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 un lugar específico de la llama, hasta el 2008.

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

El libro de Francis F Chen [10] incluye un ejercicio en la página 12 que sugiere que una llama típica es un 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 de 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 campo eléctrico, junto con las predicciones teóricas [3,10] parecen implicar que la llama es de hecho un plasma. ¡Incluso por la condición declarada por la misma Coalición de Plasma [11]!

Me pareció interesante que un viejo documento [3] propone explicar las cantidades excesivas de iones formados en las llamas de hidrocarburos sugiriendo que en parte se debe a la excitación acumulativa o a la quimio-ionización. No sé si sigue siendo relevante hoy en día.

$\ \ $ [1] ¿Es el fuego materia o energía?, Physics Stack Exchange.

$\ \ $ [2] Propiedades eléctricas de las llamas: Llamas de quemador en campos eléctricos longitudinales. Hartwell F. Calcot y Robert N. Pease. Ind. Eng. Chem. 43 no. 12, pp 2726–2731 (1951).

$\ \ $ [3] Mecanismos para la formación de iones en llamas. H.F. Calcote. Combust. Flame. 1 no. 4, pp. 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 una llama de vela, Canal de YouTube de Veritasium.

$\ \ $ [7] Acerca de la Coalición de Ciencia del Plasma.

$\ \ $ [8] Acerca de los Plasmas. Coalición de Ciencia del Plasma, 2008.

$\ \ $ [9] Estado de la Materia del Plasma. Notas de clase para Electrodinámica PX384 en la Universidad de Warwick, capítulo IV. Erwin Verwichte, 2013.

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

$\ $ [11] ¿Qué es un Plasma?. Coalición de Ciencia del Plasma, 2000.

Answer 3

Calculo aproximado:

La ecuación de Saha para un plasma de hidrógeno dice

$$\frac{N_i^2}{N_H} = V \left(\frac{2 \pi m_e k_b T}{h^2}\right)^{3/2} \exp\left(\frac{-R}{k_b T}\right)$$

donde $N_i$ es el número de iones, $N_H$ es el número de átomos de hidrógeno, $V$ es el volumen del plasma, y $R$ es la energía de ionización del hidrógeno (13.6eV).

Definiendo el grado de ionización $\xi = N_i / N_0$, donde $N_0 = N_i + N_H$ es el número total de átomos en el sistema, esto se puede escribir

$$\frac{\xi^2}{1-\xi} = \frac{V}{N_0} \left(\frac{2 \pi m_e k_b T}{h^2}\right)^{3/2} \exp\left(\frac{-R}{k_b T}\right)$$

Una vela arde a 1000 grados Celsius, y la llama tiene un volumen de alrededor de 1cm^3, con probablemente 10^20 átomos en la llama. Para simplificar, asumamos que es principalmente hidrógeno en la llama (la energía de ionización de otros elementos es del mismo orden de magnitud de todos modos, así que no estaremos muy lejos). Entonces hago que el lado derecho de la ecuación (lo llamaremos $f$) sea alrededor de 10^-54. Luego podemos resolver $\frac{\xi^2}{1-\xi} = f$ usando la fórmula cuadrática:

$$\xi = \frac{\sqrt{f^2 + 4f} - f}{2}$$

Esto nos da $\xi = 10^{-27}$: ninguna de las partículas en una llama de vela están ionizadas (recuerda, supusimos que solo hay 10^20 partículas). Esto tiene mucho sentido, porque 1000C es solo alrededor de 0.1eV, dos órdenes de magnitud menos que el potencial de ionización. La densidad de partículas es demasiado baja para compensar eso.

¡Si piensas que alguna de mis aproximaciones no aplica (personalmente, no estoy muy seguro de la densidad de partículas) entonces corrígeme en un comentario!

Answer 4

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 (auroras boreales, tubos de neón, llama) el grado de ionización es menor que uno pero la mezcla típicamente exhibe un comportamiento colectivo y una variedad de ondas que no se encuentran en los gases. El más famoso es la oscilación del plasma y la onda de Alfven pero hay muchos otros. El cálculo de poorsod asume que la ionización tiene lugar entre n=1 e n=infinito. En realidad, los átomos primero son excitados por colisiones, sus electrones saltan a niveles más altos hasta que su energía de enlace 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). Aunque se sabe que el enfoque de equilibrio de Saha es falso (la función de distribución de electrones no es maxwelliana), puedes obtener una muy buena idea del problema si divides la población de átomos neutrales en átomos en el nivel fundamental, n=2, n=3, etc. y usas la ecuación de Saha para cada población.

Answer 5

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

¿Qué es el plasma?

El plasma es el estado cuando quitas electrones/agregas electrones a un gas, por lo que el plasma está compuesto por iones de gas cargados. Por lo general, brilla debido a las transiciones electrónicas y demás.

¿Qué es el fuego?

En una llama, básicamente tienes partículas calientes de hollín y demás volando hacia arriba. Cualquier material caliente emite fotones, que son normalmente en el rango infrarrojo para temperaturas normales. A temperaturas más altas, pueden pasar al rango visible.

Una manera de explicar esto es a través de la radiación del 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 adicional y tienden a hacer transiciones. Las transiciones provocan la absorción/emisión de luz, y esto es lo que causa el color.

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