در ورای زیبایی و روشنایی شعله شمع، مسائل متعدد فیزیک و شیمی وجود دارد. در حقیقت، دانشمندان صدها سال است که مجذوب علم شمع شده‌اند. در سال 1860، مایکل فارادی، سخنرانی مشهور خود را در زمینه تاریخ شیمی شمع، ارائه داد که نشان دهنده ده‌ها اصول علمی در خلال مشاهداتش از سوختن شمع بود.
در اواخر سال 1990، ناسا تحقیقات در زمینه شمع را در ابعاد جدیدی انجام داد، آنها اقدام به انجام آزمایشات شاتل فضایی کردند تا بتوانند رفتار میکروگرانشی شعله شمع را بررسی کنند.
دانشمندان زیادی در دانشگاه‌ها و مراکز علمی جهان در حال انجام آزمایشات مرتبط با شمع هستند تا به حقایق مربوط به شعله شمع، نوع احتراق و گازهای منتشر شده پی ببرند.
شمع چگونه می‌سوزد؟
تمامی واکس ها اساسا از هیدروکربنها هستند. بدین معنی که بیشترین ترکیبات آنها هیدروژن H و کربن C است. زمانی که شمع روشن می شود گرمای شعله واکس اطراف فتیله را ذوب می کند. سپس واکس ذوب شده توسط فتیله و بدلیل خاصیت مویینگی کشیده می شود. حرارت شعله واکس ذوب شده منجر به شکست هیدروکربن ها و تبدیل آنها به مولکول های هیدروژن و کربن می‌گردد. این مولکول ها به سمت شعله کشیده می شوند، و آنجا با اکسیژن هوا واکنش داده و گرما، نور، بخار آب(H2O) و دی اکسید کربن(CO2) ایجاد می شود.
تقریبا یک چهارم انرژی ایجاد شده از احتراق شمع، بصورت گرما، از شعله در تمام جهات پخش می شود. مقدار کافی گرما نیز برگشت کرده و واکس بیشتری ذوب می کند تا فرآیند احتراق ادامه داشته باشد.
وقتی که شمع برای اولین بار روشن می شوند چند دقیقه طول می کشد تا فرآیند احتراق تثبیت گردد. در ابتدا ممکن شعله کمی سوسو زده یا دود کند اما زمانی که فرآیند تثبیت می گردد، شعله بصورت پیوسته سوخته و دی اکسید کربن و بخار آب آزاد می گردد.
شعله ملایم شمع بهترین حالت احتراق است. اما اگر شعله بیش از حد کوچک یا بزرگ باشد و بصورت نامنظم بسوزد ، سبب می شود تا قبل از احتراق کامل ذرات کربن سوخته نشده یا دوده، از شعله آزاد شود.
رنگ شعله شمع
اگر از نزدیک به شعله شمع نگاه شود می توان ناحیه ای آبی در پایین شعله دید. بالای آن در بخش کوچک تیره رنگی نارنجی/ قهوه ای دیده می شود. و در بالای این بخش قسمتی بزرگی که به رنگ زرد است، وجود دارد. قسمت آبی رنگ که از اکسیژن غنی است، جایی است که مولکول های هیدروکربن تبخیر شده و شروع به تجزیه شدن به اتم‌های هیدروژن و کربن می‌کند. ابتدا هیدروژن تجزیه شده و در واکنش با اکسیژن تبدیل به بخار آب می گردد. مقداری از کربن نیز با اکسیژن واکنش می‌دهد و دی اکسید کربن را تشکیل می دهد. ناحیه تیره یا نارنجی/قهوه‌ای دارای اکسیژن نسبتا کمی است و در این ناحیه اشکال مختلف کربن شروع به شکستن کرده و ذرات کربن سخت شده شکل می گیرند. همینطور که بالا می رود، در زمان شکل گیری دی اکسید کربن و بخار آب در ناحیه آبی، با حرارتی در حدود 1000درجه سانتیگراد روبرو می شوند.
در پایین منطقه زرد رنگ تشکیل ذرات دوده افزایش می یابد، همینطور که بالا می رود حرارت ادامه داشته تا طیف کاملی از نور مرئی را منتشر کند. از آنجایی که در زمان اشتعال کربن، بخش زرد از طیف غالب است، چشم انسان شعله را به رنگی مایل به زرد درک می کند. زمانی که ذرات دوده در قسمت بالایی ناحیه زرد اکسیده می شود، دما در حدود 1200 درجه سانتی گراد است.
ناحیه چهارم شعله (گاهی اوقات پوشش نامیده می شود) کم نور و خارج از لبه آبی بوده و از ناحیه آبی در پایین شعله تا بخش های بالایی مخروط شعله گسترش می یابد. این بخش آبی است زیرا مستقیما با اکسیژن هوا در تماس بوده و داغ ترین قسمت شعله می باشد که دمای آن عموما به 1400 درجه سانتی گراد می رسد.
چرا شعله شمع همیشه به سمت بالا می رود؟
زمانی که یک شمع می سوزد، شعله هوای اطراف را گرم کرده و شروع می کند به بالا رفتن. از آنجا که این هوای گرم به سمت بالا می رود هوای خنک و اکسیژن در پایین شعله جایگزین آن می شود. وقتی این هوای سرد، گرم می شود مجددا بالا رفته و هوای سرد جای آن را می گیرد. این فرایند سبب ایجاد یک چرخه مستمر از بالا رفتن هوا شده و باعث می شود شعله شمع بدین وضیعت، شکل بگیرد
آنچنان که می‌دانیم عمل بالا و پایین رفتن، نشات گرفته از جاذبه زمین می باشد، اما دانشمندان متعجبند از اینکه شعله شمع در فضاهایی که کشش جاذبه در کمترین مقدار خود است و بالا و پایینی وجود ندارد تقریبا مشابه شرایط وجود جاذبه، شکل می گیرد.
از اینرو در اواخر سال 1990، دانشمندان ناسا آزمایشات فضایی انجام دادند تا رفتار شعله شمع در فضاهای با جاذبه کم را بررسی کنند. تصویر زیر که توسط ناسا منتشر شده است، شعله شمع را در فضا نسبت به شعله آن در روی زمین نشان می دهد.
