理科

ろうそくのほのおはなぜ3つのそうかれる? — いちばんあかるい場所ばしょと、いちばんあつ場所ばしょはちがう

ろうそくのほのおをじっとると、いろがひとつではないことにづきます。外側そとがわはうすくてえにくく、まんなかはオレンジいろにかがやき、しんちかくはすこくらい。この3つのそうにはそれぞれ名前なまえ役割やくわりがあって、そうになる理由りゆうをたどっていくと、「そもそもなにえているのか」という意外いがいいにきます。

えているのは、固体こたいのろうではない

ろうそくにをつけると、まずほのおねつでろうがとけます。とけて液体えきたいになったろうはしんにしみこんでのぼっていき、しんさきねっせられて気体きたいわります。えているのは、この「ろうの気体きたい」です。消防庁しょうぼうちょう消防しょうぼう研究けんきゅうセンターも、えるもののれいを「ろうそくのロウの蒸気じょうき」というかたげています。

固体こたいからとけて液体えきたいになり、しんのぼって気体きたいになって、気体きたいになってはじめてえる。理科りかなら状態じょうたい変化へんかが、ろうそく1ほんなかでぜんぶきています。

固体のろうが液体になり、芯を上って気体になって燃える図

した直後ちょくごちのぼるしろけむりは、えそこねたろうの気体きたいえたものです。このけむりよこからちかづけると、ほのおけむりをつたってろうそくにうつります。あとで紹介しょうかいするファラデーの講義こうぎでも披露ひろうされた、有名ゆうめい実験じっけんです。

ほのおは3つのそうでできている

いちばん内側うちがわしんのまわりのすこくら部分ぶぶん炎心えんしんです。ろうの気体きたいがたまっているだけで、まだほとんどえていません。だからくらく、温度おんども3つのなかでいちばんひくくなります。

そのまわりのあかるくかがやく部分ぶぶん内炎ないえんです。ここでは酸素さんそりず、ろうの気体きたいえきれません。のこった炭素たんそのつぶ、つまり、すすが高温こうおんねっされてひかっています。ほのおがオレンジいろにかがやくのは、このすすのおかげです。

いちばん外側そとがわの、うすいまくのような部分ぶぶん外炎がいえんです。まわりの空気くうきにじかにふれて酸素さんそをたっぷりれるので、ろうの気体きたいえきり、温度おんどは3つのなかでいちばんたかくなります。

外炎・内炎・炎心の3つの層を示した炎の断面図

いちばんあかるい場所ばしょと、いちばんあつ場所ばしょはちがう

いちばんあかるいのは内炎ないえん、いちばんあついのは外炎がいえんあかるい=あつい」とおもいこんでいるとぎゃくこたえてしまう、試験しけん定番ていばんポイントです。

あかるさの正体しょうたいは、すすがねっされてひかりあつさの正体しょうたいは、えきるはげしさ。ひかっているのはのこりで、あついのはえきっている場所ばしょ——どころがべつなので、場所ばしょもずれるのです。

こげあとで温度おんどをたしかめる実験じっけん定番ていばんです。たけくしほのお水平すいへいにさっととおすと、外炎がいえんたった両側りょうがわだけがくろくこげ、炎心えんしんのあたりはこげずにのこります。こげあとが、そのまま温度おんど地図ちずになります。

竹串の外炎に当たった部分だけが黒くこげた実験の図

えるとは、酸素さんそむすびつくこと

ろうは、炭素たんそ水素すいそでできています。えるとは酸素さんそとはげしくむすびつくことなので、炭素たんそ二酸化炭素にさんかたんそに、水素すいそ水蒸気すいじょうきわります。ろうそくにコップをかぶせると内側うちがわしろくくもるのは、この水蒸気すいじょうきのしわざです。そしてしばらくすると、コップのなか酸素さんそ使つかいきって、ほのおえます。

消防しょうぼう研究けんきゅうセンターは、ものがえるのに必要ひつような3つ、可燃かねんぶつ酸素さんそねつを「三角形さんかくけい」とんでいます。どれか1つをてばえる。コップをかぶせるのは酸素さんそかたで、いきでふっとすのは、ろうの気体きたいという可燃かねんぶつばすかたです。

宇宙うちゅうでは、ほのおがまるくなる

ところで、ほのおはなぜどれもうえ細長ほそながくのびたかたちをしているのでしょう。あたためられた空気くうきかるくなってうえへのぼります(海風かいふう陸風りくふう記事きじかぜこしていたのとおな理屈りくつです)。ほのおのまわりではあつ空気くうきがのぼりつづけていて、そのながれがほのおうえきのばしています。

JAXAの解説かいせつによると、重力じゅうりょくでは、あたためられた気体きたいとふつうの気体きたいのあいだにおもさのがないため、のぼるながれがまれません。するとほのお上下じょうげうしなって、まるくなります。ふだんているほのお細長ほそながかたちは、重力じゅうりょくがあってこそのかたちなのです。

地上の細長い炎と、宇宙のまるい炎をくらべた図

おぼえるなら「あかるい内炎ないえんあつ外炎がいえん

おぼえることばはひとくみだけです。あかるいのは内炎ないえんあついのは外炎がいえんあかるさはすす、あつさはえきるはげしさと、理由りゆうごとおさえておけば、ぎゃくこたえることはなくなります。そのうえで、えているのはしんさき気体きたいになったろうで、えたあとには二酸化炭素にさんかたんそ水蒸気すいじょうきのこる。ここまでえれば、この単元たんげん背骨せぼねとおっています。

19世紀せいきのロンドンでは、科学かがくしゃファラデーが英国えいこく王立おうりつ研究所けんきゅうじょだい講堂こうどうで、700めいほどの少年しょうねん少女しょうじょけて、ろうそくだけを題材だいざいにした実験じっけん授業じゅぎょうを6かいおこないました。その記録きろく『ロウソクの科学かがく』は、いまもみつがれています。1ほんのろうそくをじっとることは、160ねんまえからわらない、科学かがくぐちです。

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