Комната обогревается главным образом благодаря тепловому излучению, проходящему через просветы между поленьями. Поленья время от времени ворошат, чтобы несгоревшие участки были направлены в пространство между поленьями. Тогда часть горящей поверхности поленьев будет повернута к жерлу камина и какое-то время именно эти участки поленьев будут отдавать тепло комнате. В то же время, попав внутрь камина, загорятся новые участки поверхности поленьев.

Горячий воздух и продукты горения устремляются вверх в трубу и проходят через сужение трубы, ширина которого контролируется заслонкой. Движение вверх происходит под действием выталкивающей силы: из-за высокой температуры воздух в трубе легче воздуха как в комнате, так и на улице. Чем выше труба, тем лучше в ней тяга, поскольку это позволяет и воздуху, и газам приобрести большее ускорение до того, как они достигнут ее конца. Если снаружи дует ветер, он уносит выходящий воздух и газы, увеличивая тягу. Из трубы с плохой тягой дым выходит клубами, а на место вырвавшегося из трубы горячего воздуха в нее сверху затекает холодный воздух с улицы.

Дым из трубы может попадать в комнату по нескольким причинам. Среди них есть, например, такая. Когда воздух втягивается в камин, он отражается от стенок и, захватывая дым, проходит над огнем обратно в комнату. Внутренняя часть правильно построенного камина высокая, так что его передняя стенка может остановить эту циркуляцию. Если заглушка или играющая ее роль часть трубы открыты слишком широко, обратный поток воздуха с улицы может привести к попаданию дыма в комнату. Когда огонь в камине слабый или сам камин непропорционально большой, скорее всего, дело именно в этом.

Поскольку камин обогревает комнату главным образом благодаря тепловому излучению, его заднюю и боковые стенки обычно делают наклонными, чтобы отраженное излучение уходило в комнату. Излучение будет более направленным, если поленья сложить на подставке так, чтобы между ними были просветы, причем большое полено должно быть сзади, а поленья меньшего размера сверху и по бокам. В этом случае огонь остается внутри сложенного «домика», а тлеющих угольков больше со стороны комнаты, чем со стороны задней стенки камина.

Чтобы дрова в камине горели, к ним должен поступать воздух из комнаты. Вместе с воздухом из помещения уходит тепло. Потери тепла можно снизить, загородив камин экраном из огнеупорного стекла. Такое стекло позволяет видеть горящие дрова; оно не задерживает излучаемое внутрь тепло, одновременно затрудняя поступление теплого воздуха из комнаты. А огонь поддерживается воздухом, проходящим через отверстие на уровне пола, где в комнате самый холодный воздух.

В некоторых каминах при потушенном огне может образоваться обратный поток воздуха в комнату. Обычно такие камины защищены от прямого попадания солнечных лучей, поэтому воздух в них холоднее нагретого солнцем воздуха на улице. Холодный воздух в трубе камина плотнее и тяжелее воздуха снаружи. Он опускается вниз по трубе, попадает в комнату, выдавливая наружу воздух из комнаты либо через открытые двери и окна, либо через щели вокруг них.

Как горит свеча? Откуда поступает к ней горючее? Почему пламя свечи в основном желтое, а по краям оно обычно голубое (рис. 4.12)? Почему между фитильком и желтой частью пламени имеется темный конус? Почему сажа от свечи черная, хотя от догорающей свечи поднимается белый пар?

Рис. 4.12 / Задача 4.78. Структура пламени свечи.

ОТВЕТ • Твердым горючим для свечи является либо парафин, либо стеарин (стеариновая кислота), либо смесь того и другого. Тепло от пламени поглощается материалом свечи (положим, это парафин). Парафин плавится и превращается в жидкость. Под действием капиллярных сил жидкость движется по фитилю вверх. Поднимаясь по фитилю и нагреваясь от пламени свечи, жидкий парафин переходит в газообразное состояние, а затем уносится вверх и от свечи потоком горячих газов (конвекция).

Некоторые углеводороды, выделяющиеся при переходе в газообразное состояние, поднимаются и образуют темный конус непосредственно над фитильком, но их температура, вероятно, не превышает 600–800°C. Для горения этих углеводородов необходим кислород, но кислород должен диффундировать в пламя (распространиться по пламени), а в область темного конуса его попадает недостаточно. Итак, углеводороды в темном конусе интенсивно свет не испускают.

Некоторые углеводороды попадают в область, окрашенную в голубой цвет. Ее называют зоной реакции. Это самая горячая часть пламени, где имеется в избытке кислород. Молекулы углеводородов разделяются на более мелкие, в том числе на молекулярный углерод C2 и углеводород CH. В момент образования эти молекулы находятся в возбужденном состоянии. Они быстро переходят в невозбужденное состояние, испуская яркий свет с длинами волн главным образом в синей части видимого спектра. Именно поэтому мы видим голубое свечение по краю пламени свечи. В темной комнате, где горит только свеча, иногда можно заметить слабое свечение, окружающее пламя. Это свечение — результат рассеяния света пламени внутри глаза. Художники часто изображают такое свечение, рисуя короткие волнистые линии, отходящие от пламени свечи.

Углеводороды, попадающие из темного конуса и зоны реакции в светящуюся желтым часть пламени, образуют крохотные частички твердого углерода, которые затем сгорают в кислороде. Температура этих частиц такова, что они светятся желтым цветом. Это основной цвет пламени свечи.

Если скорость, с которой углеводороды попадают в желтую область, совпадает со скоростью образования твердых частиц, пламя не коптит. Однако, когда скорость подачи углеводородов слишком велика (так бывает, если фитилек слишком широкий), свеча начинает дымить: над пламенем поднимается темный дым. Это не полностью сгоревшие частички углерода. Если поместить в пламя скрепку для бумаги, образуется копоть, которая покроет скрепку.

Если скорость подачи горючего не согласуется со скоростью его сгорания, пламя либо потухнет, либо начнет мигать. Свеча тухнет, если пламя не настолько сильное, чтобы растопить достаточно парафина (горючего), или капиллярные силы не поставляют нужное количество горючего для поддержания пламени. Мигание происходит, когда имеется механизм обратной связи между пламенем и подачей жидкого горючего. Предположим, пламя ярко вспыхнуло, что привело к увеличению теплового излучения и количества растопленного парафина. Если фитилек медленно поставляет в пламя эту добавочную жидкость, когда горючего на кончике фитилька становится мало, пламя ослабевает. Но когда избыточное жидкое горючее достигает верхнего конца фитилька, пламя вспыхивает опять, и цикл повторяется.

Чтобы задуть свечу, надо дуть достаточно долго. Надо избавиться не только от несгоревших частиц углерода в желтой части пламени и от вступающих в реакцию углеводородов в его голубой области, но и от углеводородов из горячего фитилька, переходящих в газообразное состояние, пока вы дуете. На самом деле, когда свеча уже потухла, из фитилька продолжают выходить газообразные углеводороды, но из них уже не образуются твердые частицы и не горят. Если эти углеводороды представляют собой просто отдельные молекулы, вы их просто не заметите. Однако когда эти углеводороды конденсируются, они рассеивают свет, и мы видим слабый беловатый дымок, поднимающийся от фитилька.