초의 연소 원리4
모든 종류의 왁스는 기본적으로 탄소와 수소 원자로 결합된 탄화수소(hydrocarbon)이다. 초를 켤 때 불꽃의 열은 심지근처의 왁스를 녹이고, 액체상태의 왁스는 모세관 현상에 의하여 심지를 따라 위로 올라간다. 불꽃의 열은 액체상태의 왁스를 기화시키고, 기화된 왁스는 뜨거운 가스상태로 되어 탄화수소가 탄소분자와 수소분자로 분리되기 시작한다. 기화된 분자들이 불꽃속으로 퍼지고 공기중의 산소와 반응하여 열, 빛, 수증기(H2O) 그리고 이산화탄소(CO2)를 만들어낸다.
양초의 연소에 의하여 발생하는 에너지의 약 4분의 1은 촛불의 사방으로 방사하는 열로 소비된다. 발생한 에너지는 안쪽으로 방사하여 더 많은 왁스를 녹이고 연소과정을 지속하기에 충분하기 때문에 연료가 전부 없어지거나 열이 없어질 때까지 연소하게 된다.
처음 양초를 켰을 때 연소과정이 안정화되기까지는 수분이 걸린다. 그 동안 불꽃은 흔들리거나 처음에는 연기가 발생하지만 연소과정이 안정화되고 나면 불꽃은 깨끗하고 눈물방울 같은 형태로 유지하면서 이산화탄소와 수증기를 발생시킨다. 조용히 타고 있는 불꽃은 매우 효율적인 연소장치이다. 하지만, 연료나 공기가 너무 적거나 또는 너무 많으면 불꽃이 흔들리고, 또는 불완전 연소에 의한 그을음이 발생하게 된다.
촛불의 불꽃은 보면 불꽃의 밑 부분에 볼꽃심(파란색 영역)이 있다. 바로 위에는 작은 속불꽃의 어두운 황갈색 영역이 있고, 그리고 그 위에는 불꽃의 대부분을 차지하는 속불꽃의 노란색 영역이 있다.
산소가 풍부한 불꽃심에서는 탄화수소 분자들이 기화되어 탄소와 수소로 분리되기 시작한다. 여기서 분리된 수소는 산소와 결합하여 수증기를 만든다. 일부 탄소는 이 영역에서 연소되어 이산화탄소를 생성한다.
속불꽃의 어두운 황갈색 영역은 상대적으로 산소가 적다. 그래서 여기에서는 탄소 알갱이들이 만들어진다. 수증기, 이산화탄소와 같이 탄소 알갱이들이 상승하면서 약 1000oC로 가열된다.
속불꽃의 노란색 영역의 밑부분에서는 탄소알갱이발생이 증가하는 데, 계속 가열되고 전 가시광 대역의 빛을 뿜게 된다. 탄소가 연소할 때 스펙트럼에서 노란색이 대부분을 차지하므로 사람의 눈에는 노란 불꽃으로 보인다. 그을음 알갱이들이 노란 불꽂의 상층부에서 산화할떄 온도는 약 1200oC가 된다.
불꽃의 네번째 영역은 겉불꽃은 불꽃의 밑부분의 불꽃심으로부터 뻗쳐보이는 희미한 파란 테두리인데, 불꽃 형상의 테두리를 따라 위로 올라간다. 이 영역은 산소와 직접 접촉하기 때문에 파란색을 띄고 온도가 1400oC정도이면 불꽃에서 온도가 가장 높다.
초가 탈때 근처 공기는 불꽃에 의하여 가열되고 위로 상승한다. 따뜻한 공기가 위로 상승하면서 차가운 공기와 산소는 불꽃의 밑부분으로 차고 들어와 상승해버린 공기 자리를 대체한다. 차가운 공기는 다시 가열되어 상승하고 불꽃의 밑부분에서는 다시 차가운 공기로 대체된다. 이것은 볼꽃 주변의 지속적인 상승기류 사이클을 만들어 내고(대류흐름), 불꽃의 모양은 눈물모양으로 되는 것이다.
초에 대한 과학적 연구
촛불의 불빛과 아름다움에는 많은 화학과 물리학이 숨겨져 있다. 과학자들은 수백년 동안 초를 연구해 왔지만 막상 촛불이 작동하는 원리에 대하여 아는 것이 별로 없다. 1990년 존홉킨스대학의 Robert M. Fristrom[1]이 발표한 촛불의 불꽃을 연구해온 내용을 보면 수천 년 동안 인류와 함께 해오며 어둠을 밝혀온 촛불을 과학자의 시각으로 처음 바라본 사람은 영국의 철학자 Francis Bacon이었다. 1550년, 베이컨은 화살촉을 촛불에 달구다가 심지 부근 불꽃 중심부의 온도가 생각보다 낮고 그울름이 불꽃의 바깥부분에서 생기는 것을 발견했다.
그로부터 300년 가까이 시간이 흐른 19세기, 영국의 과학자 Michael Faraday 가 촛불의 비밀에 다시 도전했다. Clay Tube를 이용한 여러가지 시험도구로 왁스가 심지 끝에서 기화되어 연소되며 물과 이산화탄소가 발생한다는 사실을 알아냈다. 패러데이는 크리스마스 때마다 아이들을 대상으로 불꽃의 화학적 원리에 대해 설명했고, 1861년 촛불에 대한 관찰을 통하여 여러가지 과학적 원리들을 설명하는 ‘양초의 화학사, Chemical History of a Candle’라는 6회에 걸친 강의 내용을 묶어 발표하였다. 페러데이의 강의 내용은 2016년 8월에 미국 일리노이주립대의 화학&생체분자공학과의 Bill Mammack 교수에 의하여 현대적으로 감수하고 유튜브에 비디오 해설까지 곁들여 새롭게 재출간되었다[2].
1954년에는 열전도율이 높은 석영을 이용해 촛불의 정확한 온도를 측정할 수 있었다. 또한 불꽃 중심의 어두운 부분에서 열분해 된 탄화수소가 연소에 의해 확산되면서 밝은 불꽃이 생겨난다는 원리도 밝혀졌다.
최근에는 우주공간의 무중력 상태에서 촛불이 어떻게 타오르는지 알아내는 실험도 있었다. 공기의 상승과 하강은 지구 중력의 영향이기 때문에 과학자들은 지구중력이 없거나 미세한 우주공간에서는 불꽃이 어떻게 되는지 궁금해졌다. 1990년대 후반에 NASA의 과학자들은 미세중력 환경에서 초의 불꽃이 어떻게 거동하는 지 수차에 걸친 우주선 실험을 실시하였다. 그 결과는 미세중력에서는 지구에서처럼 눈물모양의 불꽃 대신 구체를 만들었다. 중력이 없으면 뜨거운 공기의 상승기류가 생기지 않기 때문에 대류 흐름이 만들어지지 않은 것이다4.
As Faraday notes in his first lecture “there is not a law under which any part of the universe is governed which does not come into play, and is touched upon in the chemistry of a candle.” Heat from the flame melts the wax by adiation and conduction,capillary action draws the wax up the wick, molten wax is vaporized, chemical reactions produce the flame, heated solid carbon particles glow, and convection currents sweep away the products of combustion. The alanced chemical equation for the complete combustion of a candle is represented by:
C25H52 (s) + 38O2 (g) → 25CO2 (g) + 26H2O (g)
2011년 8월에는 초가 연소할 때 다이아몬드 알갱이가 만들어진다는 연구결과도 있었다[3]. 영국 세인트앤드루스 대학교 화학과의 저우우종 교수는 10nm 두께의 극히 얇은 알루미늄 호일 2개에 각각 80nm와 40nm 크기의 작은 구명을 무수히 뚫어서 촛불의 하단부에 1초간 넣는 시험을 통하여 초가 연소할 때 그래파이트(graphite), 풀러렌(fullerene), 뚜렷한 형체 없이 덩어리처럼 뭉쳐진 무정형 탄소(amorphous carbon), 그리고 다이아몬드 입자가 생성됨을 발견하였다. 다이아몬드 입자의 크기는 2~5nm에 불과했지만 분명한 다이아몬드 구조를 이루고 있었고 불꽃 하단부에서 상층부로 갈수록 다이아몬드 나노 입자의 숫자가 많아지고 크기도 커졌다. 발표내용에 따르면 1초에 150만개의 다이아몬드 입자가 생겼다가, 불꽃 상층부에서 나노 입자가 다시 분해돼 무정형 탄소와 그을음이 돼 공기 중으로 날아가 버린다.
[1] Flame structure studies: past, present and future, Pure & Appl. Chem., Vol. 62, No. 5, pp. 839-849, 1990, Robert M. Fristrom
[3] https://www.st-andrews.ac.uk/news/archive/2011/title,72748,en.php, www.hani.co.kr/arti/PRINT/496829.html
'촛불에 대한 궁금증' 카테고리의 다른 글
| 4. 촛불의 의미 (2016.12.26) (0) | 2018.10.07 |
|---|---|
| 2. 우리나라의 초의 기원은? (2016.12.26) (1) | 2018.10.07 |
| 1. 초의 기원은? (2016.12.16) (0) | 2018.10.06 |
