Quel est le fonctionnement caché d'une bougie?

            Voici encore un objet tellement anodin, qu'on en oublie tous les comportements physiques qui conspirent à lui donner son aspect...

            Une petite leçon de choses à propos d'une bougie? Très simple: tout d'abord un combustible appelé paraffine (la cire). C'est un hydrocarbure à l'état solide dans les conditions habituelles. S'il est solide, c'est parce que les molécules qui le constituent sont de longues chaînes (imaginez les comme de longues chenilles d'une cinquantaine d'atomes de carbones accrochés entre eux, recouvertes d'un pelage d'atomes d'hydrogène) lourdes et emmêlées entre elles. Il est donc plus "difficile" de les faire passer à l'état liquide que des chaînes qui seraient plus courtes, comme le butane par exemple. Passer son doigt le long d'une bougie, c'est percevoir une sensation de "gras" typique des longues molécules hydrocarbonées.

             Tous les hydrocarbures sont de plus ou moins bons combustibles, c'est à dire que leurs chaînes carbonées sont facilement attaquées par le dioxygène de l'air, et décomposées en majeure partie en vapeur d'eau et dioxyde de carbone, tout en libérant de la chaleur. Une flamme n'est donc qu'une manifestation extérieure de cette libération d'énergie.

            Mais pour que cette réaction ait lieu, encore faut-il que le dioxygène de l'air puisse atteindre facilement le lieu de réaction, où il fait très chaud. Et un gaz chauffé se dilate, en risquant de repousser l'apport de dioxygène, ce qui étoufferait la réaction. D'où l'intérêt de la mèche:

La mèche surélève la zone où a lieu la réaction par rapport au réservoir de combustible: la cire fondue. Si cette cire est fondue, c'est bien sûr à cause de la réaction de combustion qui dégage de la chaleur. La cire liquide grimpe alors le long de la mèche par capillarité (comme le café qui monte le long d'un morceau de sucre). L'air peut alors facilement arriver par la partie basse de la flamme, là où démarre la réaction et il n'y aura pas d'étouffement comme cela serait le cas si l'on tentait de mettre le feu à une assiette de cire fondue.. Les particules de carbones (la suie) séparées des molécules de paraffine peuvent alors brûler en donnant cette couleur orangée. La température dans la partie haute peut atteindre de 1100 à 1400°C. Si le niveau de cire ne baissait pas, la mèche ne serait donc jamais brûlée, elle ne sert qu'à amener le combustible au lieu de réaction.

                Le fait qu'il y ait un haut et un bas est donc important pour une bougie: en effet, les gaz formés par la réaction (dioxyde de carbone et ...eau!) éteindraient la flamme s'ils n'étaient pas emportés vers le haut par la convection. Ainsi, on peut se demander à quoi ressemblerait une flamme de bougie en impesanteur...

En voici une photographiée à bord d'une navette spatiale (dans une cabine pressurisée bien sûr, il faut tout de même de l'air!). Elle fait environ 1,5cm de diamètre, et dure moins d'une minute avant de s'étouffer toute seule. La zone où à lieu la réaction est sur le pourtour de la flamme, et surtout en haut (alors qu'au sol, elle est à la base de la flamme). La réactivité est plus faible qu'au sol, et il ne semble pas que beaucoup de suie soit produite. C'était elle qui donnait la flamme orangée sur Terre, là elle reste bleue. Comme les gaz chauds s'échappent dans toutes les directions, le dioxygène ne parvient pas facilement là où on a besoin de lui, ce qui explique que la bougie s'étouffe assez vite...

                Finalement, les gâteaux d'anniversaires sont moins drôles dans les vaisseaux spatiaux que sur Terre, je suis déçu...