無重力でのマッチ炎はどんな形？

質問

ぶたのはなの中の蚊取り線香は下にもえるの？という質問をうけたのですが、「燃えるよ」と返事したのはいいのですが、一般的に炎は上に上がる訳ですが、何で上に上がるのでしょう？
「単純に熱いものは上昇する訳ですから、それじゃないか」から始まり
「例えばありえないことだけど、マッチの火の温度が500℃として、外気温500℃の中ではマッチの炎はどうなる？」になり、「じゃあ上下のない宇宙空間では、どうなる」となってしましました。

非常に身近なことなんですけどみんなで考え込んでしまいました。
誰か教えていただけますか。

回答No.3

Umada · ベストアンサー

重力の小さい世界で様々な物理現象、生命現象を観察する場合、無重力と言わずに「微小重力」と言います。世の中に完全な真空が存在しないのと同様、どんな実験装置でも必ず微小な擾乱(加速度)が存在しますから「微小重力」と表現するわけです。

さてマッチの燃焼ですが、結論から申し上げますとHiyukiさんのご回答のように炎は丸くなり、一方酸素の供給が追い付かない(拡散による供給は行われるが、対流による供給がないため)ほどなく消えてしまいます。
マッチではありませんがろうそくでなら既に多くの実験が行われています。炎の形状の変化は比較的短い時間でその変化を観察できますから、ロケットなどを使わなくてもできます。参考ページ[1]は北海道・上砂川の地下無重力実験センター(落下式、持続時間約10秒)での実験を、一般向けに分かりやすくまとめたものです。[2]は宇宙開発事業団のページで、地上と微小重力下での炎の形状の違いを比較することができます。
厳密性を要求しなければ学校の自由研究程度でも調べることができます。例えば[3][4]などをご覧下さい。

なお外気の温度が500℃で、マッチの炎が500℃ということはあり得ません。炎とは「化学反応により気体が熱せられ光や熱を出している領域」と定義されます。マッチの燃焼とは化学反応であり、反応により熱を出しているのですから周囲を暖め、外気温が500℃なら炎の領域は必ず500℃以上に温度が上がります(逆に言えば、そのように温度が上がっている領域の事を炎と呼ぶのです)。従って対流は発生し燃焼は持続します。

[1] 「宇宙でろうそくを燃やす方法！？」(産総研)
http://www.isas.ac.jp/docs/ISASnews/No.252/mspace.html

[2] フォトライブラリー　微小重力科学(宇宙開発事業団)
http://spaceboy.nasda.go.jp/lib/sur/ms/j/ms_01_j.html

[3] 「微小重力下でのろうそくの炎の研究」　*タイトルがちゃんと「微小重力」になっているところなど、よく調べていますね。
http://www.sunfield.ne.jp/~oshima/kzk/jun/rousoku.html

[4] 「小型ビデオカメラによる微小重力実験」
http://www2.hamajima.co.jp/~tenjin/labo/gravity.htm

参考URL：

http://www.isas.ac.jp/docs/ISASnews/No.252/mspace.html, http://spaceboy.nasda.go.jp/lib/sur/ms/j/ms_01_j.html

お礼

ＵＲＬ見ました。こんな疑問もたなかったら、多分見ない所なのでいい経験（笑）ができました。
しかし「微小重力」という世界があるんですか。知らなかったです。
勉強になりました。
本当にありがとうございまいた。

回答No.4

Umada

「炎がなぜ上に向かうのか」ですが、これは
(1)炎自体が上へ上へ上ろうとしていること
(2)燃焼個所は主に上へ上へと伝わっていくこと
の2つの意味を含むと解釈されます。例えばろうそくの炎は位置は極めてゆっくりとしか変わりませんが、炎の領域には強い上昇気流が存在します。これが(1)の意味するところです。これに対し紙のまん中を破いて火を付けた場合、火は主に上に燃え広がります。(2)の意味するところはこれだと思って下さい。

暖められた空気が膨張する事実はご存じの通りです。質量が同じで体積が増えるのですから、その気体の密度は小さくなります。密度の小さいものは密度の大きいものと入れ替わって上に上がろうとします。(少し物理的な言葉で言えば「系の全エネルギーを小さくしようとする」)　従って熱せられた気体は上に上がるのであり、炎の中には上昇気流があるわけです。炎も気体であることに注意して下さい。(炎：気体が熱せられて、光や熱を発している部分)
「熱の対流」というのは物理用語として正しくありません。対流しているものはあくまで気体(炎も当然含まれる)や液体であり、その気体や液体が熱を伝えているだけです。気体/液体の対流は重力の影響を受けます。例えば重力のない場であれば空気は対流では動かないわけで、対流による熱の伝達も存在しません。重力が直接熱の伝搬に影響するわけではありませんから誤解のないよう。

最初の蚊やりブタの話ですが以下のように解釈できます。
線香の先端は燃えておりその熱は次第に次の部分に伝わります。次の部分の温度が、燃焼を持続するのに必要な温度以上に上がればその部分も燃え始めます。すなわち「燃えて熱を出す」「周囲の部分の温度を上げる」「温度が上がったことで次の部分が燃え始める」を繰り返すことで蚊取線香は燃え進んでいくのです。これは蚊取線香に限らず、燃焼一般について同じです。
燃焼個所が上向きに進む場合と下向きに進む場合ですが、上向きであれば燃焼個所の近傍の空気が熱せられて上昇し、線香のその上の部分を暖めるのでその上の部分の温度は早く上がります。つまり上向きの方が燃焼個所の進む速度は大きいことになります。
一方、下向きは近傍の空気が対流で熱を持って行ってしまいますから次の部分の温度はなかなか上がらず、燃焼部分が進んでいく速度は小さくなります。ただし空気の対流がなくても線香自体を介して熱はだんだんと次の部分に伝わりますから、燃焼はやがては次の部分に進むわけです。

まとめると以下のようになります。
「炎はなぜ上に上がるのか、炎型になるのか」→熱せられた空気は密度が下がり、密度が下がったことによってその空気は上へ上がろうとするからから。「熱の対流」という物理的概念はなく、対流で熱を伝えるのはあくまで熱せられた気体/液体である。
「燃焼個所はなぜ上へ上へと伝わっていくのか」→炎より上の個所と下の個所を比べた場合、上の個所の方が早く熱せられるから。早く熱せられる理由は対流により、炎からの熱がその上部へと運ばれるから。

これ以上の追加質問は、必要に応じ新しい質問として立てて下さい。

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*ここで言う「対流」とは厳密には、一般に言われる「自然対流(浮力による対流)」のことを指します。

お礼

ありがとうございます。
日ごろの何気ない事に疑問を持ってしまうことは、結構面白い楽しいものですね。それに対して答えられる知識も大事なことなんですね。
ありがとうございました。

回答No.2

pen2san

外気が炎より高温だったら・・・
燃焼物体が即座に燃えてしまいます。（発火点以上の場合）、引火点以上の場合でも炎が当たった途端に燃えてしまいます。

宇宙空間では・・・
真空で周りに酸素がない為マッチの頭にある酸化物質が無くなると消えてしまいます。一瞬光るだけでしょう。

ロケット内では・・・
今度は酸素がある訳ですから一応燃えますが、燃えたガスが周りから離れず酸欠状態となり消えてしまいます。と言いたい所ですが、人間とかの移動物体があればそれにより空気の移動が発生し酸素の補給があるのではないでしょうか。
でも、実際はロケット内は火気厳禁！！
酸素の供給も問題ですが、燃焼して出来たガス（この場合は亜硫酸ガスと一酸化炭素、二酸化炭素ほか）の処理の方の問題が大きく、きっと実験は許されないでしょう。
↑
これはトンチの答えです。笑って読んでください。

補足

よくわかりました。
ではもともとの疑問ですが、炎はなぜ上に向かうのでしょうか？
熱の対流はやはり重力に影響される訳ですか？

回答No.1

Hiyuki

無重力化では炎は丸くなります。これなんかの番組で見ました。
ただし，マッチ自身を動かさない限りは対流が起こらないので，周りの酸素を使い果たしてすぐに消えてしまいます。

補足

ありがとうございます。
ではもともとの疑問なんですけど、炎は何で上に向かうのでしょう？
熱の対流だとすれば、やはり重力に影響されるものなのでしょうか？
宜しくお願いいたします。