เปลวไฟประกอบด้วยพลาสมาหรือไม่

คำตอบสำหรับคำถามนี้ซับซ้อนกว่าที่คนส่วนใหญ่เข้าใจ. เปลวไฟบางชนิดมีพลาสมาและเปลวไฟบางชนิดไม่มี. เพื่อตอบคำถามนี้อย่างถูกต้อง, ก่อนอื่นเราต้องให้คำจำกัดความอย่างเคร่งครัดก่อนว่าเราหมายถึงอะไร “พลาสมา”. คำจำกัดความในตำราเรียนของพลาสมาคือก๊าซไอออไนซ์. “ก๊าซไอออไนซ์” หมายความว่าอิเล็กตรอนบางส่วนถูกฉีกออกจากอะตอมที่ประกอบเป็นแก๊สจนหมด. อิเล็กตรอนอิสระที่มีประสิทธิผลจะมีประจุลบ และอะตอมที่แตกตัวเป็นไอออนที่เกิดขึ้นจะมีประจุบวก. หนึ่ง “ไอออน” เป็นอะตอมที่มีจำนวนอิเล็กตรอนและโปรตอนไม่เท่ากัน. คำจำกัดความนี้เป็นจุดเริ่มต้นที่ดี, แต่มันไม่แม่นยำพอ. ทั้งหมด ก๊าซประกอบด้วยไอออนจำนวนหนึ่งและมีอิเล็กตรอนอิสระ, และไม่ใช่ว่าก๊าซทุกชนิดจะเป็นพลาสมา. ต้องมีจุดตัดซึ่งมีไอออนในก๊าซเพียงพอจนเริ่มทำหน้าที่เหมือนพลาสมา.

การกระทำเหมือนพลาสมาหมายความว่าอย่างไร? พลาสมาคือก๊าซไอออไนซ์ที่สะท้อนแสงไปยังคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ต่ำ เช่น คลื่นวิทยุ. อธิบายในระดับพื้นฐานเพิ่มเติม, พลาสมาจะป้องกันสนามไฟฟ้า. พลาสมาสามารถทำเช่นนี้ได้เนื่องจากอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและไอออนที่มีประจุบวกเพียงพอนั้นมีความเป็นอิสระเฉพาะที่และสามารถจับกันซึ่งกันและกันในระยะยาว, วิธีการรวม. พฤติกรรมร่วมกันของไอออนและอิเล็กตรอนหมายความว่าพวกมันสามารถตอบสนองอย่างรุนแรงต่อสนามไฟฟ้าที่ตกกระทบ และเคลื่อนตัวเพื่อหักล้างสนามไฟฟ้าเหล่านี้. ดังนั้น, คำจำกัดความที่เข้มงวดของพลาสมาคือก๊าซที่มีอิเล็กตรอนและไอออนอิสระเพียงพอที่พวกมันจะทำหน้าที่ร่วมกัน. ระยะทางที่สนามไฟฟ้าภายนอกสามารถเข้าถึงเมฆของอนุภาคมีประจุนั้นมีลักษณะเฉพาะคือ “ความยาวเดบาย”. ยิ่งมีอะตอมที่ถูกแตกตัวเป็นไอออนมากขึ้น, ยิ่งการแกว่งรวมของประจุยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น, และยิ่งความยาวเดบายยิ่งเล็กลง. คำจำกัดความที่เข้มงวดที่สุดของพลาสมาจึงเป็นก๊าซไอออไนซ์ที่มีการไอออไนเซชันมากพอที่ความยาวเดบายจะเล็กกว่าความกว้างของเมฆก๊าซอย่างมีนัยสำคัญ.

ในเปลวไฟ, ไอออไนเซชันของอะตอมในอากาศเกิดขึ้นเนื่องจากอุณหภูมิสูงพอที่จะทำให้อะตอมกระแทกเข้าหากันและฉีกอิเล็กตรอนออก. ดังนั้น, ในเปลวไฟ, ปริมาณไอออไนซ์ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ. (กลไกอื่นๆ สามารถนำไปสู่การแตกตัวเป็นไอออนได้. ตัวอย่างเช่น, ในสายฟ้า, กระแสไฟฟ้าแรงทำให้เกิดไอออนไนซ์. ในชั้นบรรยากาศรอบนอก, แสงแดดทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออน) สิ่งสำคัญที่สุดคือเปลวไฟจะกลายเป็นพลาสมาก็ต่อเมื่อมันร้อนเพียงพอ. เปลวไฟที่อุณหภูมิต่ำกว่าจะมีไอออไนซ์ไม่เพียงพอที่จะกลายเป็นพลาสมา. ในทางกลับกัน, เปลวไฟที่มีอุณหภูมิสูงกว่านั้นย่อมมีอิเล็กตรอนและไอออนอิสระเพียงพอที่จะทำหน้าที่เป็นพลาสมาได้.

ตัวอย่างเช่น, เทียนขี้ผึ้งทุกวันจะมีเปลวไฟที่จุดไฟที่อุณหภูมิสูงสุดที่ 1,500 องศาเซลเซียส, ซึ่งต่ำเกินไปที่จะสร้างไอออนจำนวนมากได้. เปลวเทียนจึงไม่ใช่พลาสมา. โปรดทราบว่าสีแดง-ส้ม-เหลืองอันสดใสที่เราเห็นในเปลวไฟไม่ได้ถูกสร้างขึ้นจากเปลวไฟที่เป็นพลาสมา. ค่อนข้าง, สีเหล่านี้ถูกปล่อยออกมาจากอนุภาคเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ไม่สมบูรณ์ (“เขม่า”) ที่ร้อนจัดจนเปล่งประกายราวกับเครื่องปิ้งขนมปังไฟฟ้า. หากปั๊มออกซิเจนเข้ากองไฟได้เพียงพอ, การเผาไหม้สมบูรณ์แล้วเปลวไฟสีแดงส้มเหลืองก็หายไป. ด้วยสิ่งนี้ในใจ, ควรชัดเจนว่าเปลวเทียนให้แสงสว่างแม้ว่าจะไม่ใช่พลาสมาก็ตาม. ตรงกันข้ามกับเปลวเทียน, ส่วนผสมของอะเซทิลีนที่เผาไหม้บางชนิดสามารถเข้าถึงได้ 3,100 องศาเซลเซียส, ด้วยความยาวเดบายที่เกี่ยวข้องของ 0.01 มิลลิเมตร, ตามแนวร่วมเพื่อวิทยาศาสตร์พลาสมา. เปลวไฟดังกล่าวจึงเป็นพลาสมา (ตราบใดที่เปลวไฟยังมีขนาดใหญ่กว่านั้นมาก 0.01 มิลลิเมตร, ซึ่งมักจะเป็นเช่นนั้น). เปลวไฟอื่นๆ, รวมทั้งเปลวไฟจากแคมป์ไฟด้วย, เตาโพรเพน, และไฟแช็ก, มีอุณหภูมิอยู่ระหว่างจุดสุดขั้วทั้งสองนี้, และดังนั้นจึงอาจเป็นหรือไม่ใช่พลาสมาก็ได้. เปลวไฟทุกวันเช่นจากการเผาฟืน, ถ่าน, น้ำมันเบนซิน, โพรเพน, หรือก๊าซธรรมชาติโดยทั่วไปไม่ร้อนพอที่จะทำหน้าที่เหมือนพลาสมา.

เครดิต:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2014/05/28/do-flames-contain-plasma/