sciencetalk

Ik zou het infraroodspectrum van een kaarsvlam willen zien  waarop λ_max zichtbaar is.  λ_max moet volgens de wet van Wien overeenkomen met de temperatuur van het lichtgevende roet. Ik neem aan dat het spectrum voornamelijk zwartlichaamstraling is van het roet, met daarop een paar smalle pieken die horen bij bepaalde molekulen.

 

Internet is niet unaniem over de kaarsvlamtemperatuur, het is in de range van 1000 tot 2000 °C. Dan is λ_max volgens de wet van Wien in de range van 1300 tot 2300 nm.   1

Op internet vond ik twee twijfelachtige kaarsvlamspectra die ophouden bij ~1000 nm, vermoedelijk omdat de spectrometer daar stopt. De schijnbare λ_max van die twee spectra is 660 en 800 nm, maar die waardes zijn onbetrouwbaar omdat de piek mogelijk veroorzaakt wordt door ongevoeligheid van de spectrometer voor hogere golflengtes dan die schijnbare λ_max .   ( λ_max=660 nm    λ_max=800nm  )
 
Kan iemand het kaarsvlamspectrum vinden tot ruim voorbij 2300 nm?
 
 
 
Voor de aardigheid heb ik ook een kaarsvlamfoto gemaakt met mijn smartphone door een infrarood doorlaatfilter en een tralie, maar die camera zal evenmin gevoelig zijn voor golflengtes boven de ~1000 nm. 
  Kaarsvlamfoto gemaakt door een tralie (600 lijnen per mm), de onderste foto bovendien door een infrarood doorlaatfilter. De cijfers 0, 1, 2 zijn de orde van het spectrum. X is vermoedelijk een artefact: een kaarsvlamreflectie op de achterwand.
 
Terzijde: spectrum van blauwe vlam van een butaanbrander (geen kaarsvlam), waarin molekuulpieken domineren. 

ALS een kaarsvlam een blackbody zou zijn dan zou je bij pakweg 2000 kelvin een maximum verwachten rond 1500 nm. Om het maximum ergens midden in het zichtbare spectrum te krijgen moet je naar temperaturen rond 6000 kelvin, iets dat niet mogelijk is met kaarsen, maar ook niet met halogeenlampen of iets dergelijks. Echt wenselijk is iets als 6000 kelvin overigens ook niet, het zo'n beetje vergelijkbaar met zonlicht, inclusief UV licht. 

Op internet vond ik een schets van het spectrum van vuur, in reclamemateriaal van een leverancier van branddetectors.  1
 
Het spectrum vertoont een brede bult rond de golflengte ~2.7 μm, die ik opvat als de λ_max van de zwartlichaamstraling van de hete roetdeeltjes in de vlammen, wat overeenkomt met een temperatuur van ~1000 °C. Bovenop het emissiespectrum van het roet zijn chemoluminescentiepieken zichtbaar van CO2, bij 4.3 μm, en van radicalen zoals OH en CH in het UV.
                          Mijn weergave van het spectrum

Interessant, in het visible en nabij IR volgt het aardig wat je van een blackbody zou verwachten.
 
Overigens vraag ik me wel af 'wat voor vuur' dit dan wel precies is - wellicht gewoon een gemiddelde huisbrand, maar het spectrum is uiteraard heel verschillend afhankelijk van brandstof, oxidator en mengverhouding. Dat kun je al zien men een simpele bunsenbrander op methaan en lucht uit de omgeving, afhankelijk van de mengverhouding is de vlam geel, vrijwel onzichtbaar of vrij helder blauw. 
 
Vlammen van het verbranden van pakweg acetyleen (enhyn) met lucht of zuurstof hebben meer pieken in het zichtbaar en zijn behoorlijk oogverblindend bij een vermogen vergelijkbaar met dat van pakweg een gasfornuis. 

Benm schreef:Overigens vraag ik me wel af 'wat voor vuur' dit dan wel precies is - wellicht gewoon een gemiddelde huisbrand, maar het spectrum is uiteraard heel verschillend afhankelijk van brandstof, oxidator en mengverhouding.

 

Die branddetectorleverancier richt zich op industriele installaties, waar verschillende soorten branden mogelijk zijn. Zijn grafiek lijkt geinspireerd te zijn op een nauwkeuriger artikel over 'optical flame detection', dat een grafiek bevat van een "typical" emission spectrum of hydrocarbon fire. 1  Het spectrum blijkt een beetje anders te zijn dan de voorstelling van de branddetectorleverancier, de 2.7 μm piek hoort bij de emissie van H2O en CO2, het ziet er ongeveer zo uit:

 
 

De brede bult piekt nu bij 1.8 μm, en als ik dat opvat als λ_max van de zwartlichaamstraling van het roet in de vlam dan is de temperatuur daarvan ~1300 °C. 

 

Het artikel verklaart de emissiepieken >2 μm door te stellen dat de verbranding CO2 en H2O in een aangeslagen toestand oplevert, genoteerd als CO2* en H2O*, die terugvallen naar de grondtoestand door het uitzenden van een foton:
 
2 C₆H₁₄  + 19 O₂   ⇒  12 CO₂* + 14 H₂O*
CO₂*  ⇒  CO₂ + foton (2.9 µm,  4.3 µm)
H₂O*  ⇒  H₂O + foton (2.8 µm)

 

Ik veronderstelde dat een dun ijzerdraadje in de vlam dezelfde temperatuur krijgt als het roet in de vlam, en daarom licht van dezelfde kleur zou uitstralen. Met het blote oog valt de kleur van het ijzerdraad in de vlam niet te beoordelen omdat de vlam het draadje overstraalt. Met de dubbele foto hieronder lukt de vergelijking wel. De kleur van het ijzerdraad links kan vergeleken worden met de vlamkleur rechts. Rechts is de belichtingstijd 16x verkleind om te voorkomen dat de vlam wit lijkt door overbelichting van de foto.
 
Mijn conclusie bij de foto's is dat de ijzerdraadkleur, oranje, anders is dan die van de vlam, grauwbruin. Maar toch vind ik de kleur van de vlam niet duidelijk roder of blauwer dan het ijzerdraad, dus misschien is de effectieve temperatuur wel gelijk.
  Foto van gloeiend ijzerdraad in de vlam van een gasaansteker, geen kaarsvlam. Door een onbekende oorzaak wilde het ijzerdraad niet gloeien in een kaarsvlam.  (Witbalans van camera ingesteld op gloeilampenlicht) 
 
 
Als het ijzerdraad even heet is als de vlam dan is er een kwestie met de emissiviteit, ε. Als een lichtbundel door de vlam op de muur valt dan kun je een zwakke schaduw zien, alsof de vlam ~99% van het licht doorlaat en ~1% tegenhoudt. Dan verwacht ik dat de emissiviteit van de vlam ook ~1% is. De emissiviteit van het ijzerdraad (dat zwart van het roet is) lijkt me ~100%. Dan zou het gloeiende oppervlak van het ijzerdraad op de foto 100x helderder moeten zijn dan de vlam. Maar op de foto lijken ze even helder.
 
 

Het lastige is wel dat camera's meestal moeite hebben met het correct weergeven van nabij-IR kleuren, inclusief nog wel zichtbare kleuren voor het menselijk oog (700 nm zoiets). 
 
In vrijwel iedere digitale camera zit een IR blokkerend filter, wat over het algemeen zeer gunstig is voor de betrouwbaarheid van de foto's. Als ik zo naar de foto's kijk verschilt de kleur trouwens niet zoveel, alleen de intensiteit. 
 
Anderzijds kun je ook gewoon een thermokoppel in de vlam steken en daarmee de temperatuur aflezen zonder de problemen die camera's met zich meebrengen. Het zou me niet echt verbazen als de aanstekervlam heter brandt dan de kaarsvlam. En dat is dan nog een vlam van butaan/propaan zonder voormenging met lucht. De pitten op je gasfornuis branden nog een stuk heter (vergelijkbaar met een bunsenbrander met een ruisende vlam). 

Er zijn op internet tig afbeeldingen te vinden met daarin aangegeven wat de temperatuur in verschillende zones van een (kaars)vlam is. Althans volgens de degenen die het publiceren, en ze zullen ongetwijfeld onderling wat verschillen.
 
Ik heb geen mening welke de juiste is dus ik gooi het maar gewoon in de groep:
https://www.google.com/search?q=candle+flame+temperature&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwi4nrGuqP3aAhXM-KQKHaZrDrsQ_AUICigB&biw=1024&bih=621#imgrc=_

Tja, je zult altijd zien dan er wat verschillende metingen zijn, maar het heetste deel zit in de buurt van ca 1400K. 
 
Maar het is natuurlijk geen blackbody, waardoor het visuele spectrum anders oogt dan je direct zou verwachten op basis van temperatuur alleen.