Ein heißes Wettbrennen
Welcher Kerzentyp brennt schneller ab, der aus Bienenwachs oder der aus Paraffin? Ein Zeitraffervideo dokumentiert das Wettbrennen.
Kerzenflammen werden als laminare Diffusionsflammen angesehen. Unter Diffusionsflamme versteht man, dass der Brennstoff (hier das Kerzenwachs in Form von diversen Kohlenwasserstoffen) und der für die Verbrennung benötigte Sauerstoff aus der Luft getrennt zur Reaktionszone, dem Docht, gebracht werden. Die Mischung von Brennstoff und Sauerstoff erfolgt durch Konvektion und Diffusion.
Der flüssige Brennstoff steigt durch Kapillarkräfte im Docht auf, wo er durch die hohe Flammentemperatur verdampft. Das heiße Gas steigt auf und vermischt sich dabei durch Diffusion mit der Umgebungsluft. Außerdem strömt kältere Luft durch natürliche Konvektion am unteren Dochtteil nach und vermischt sich dort ebenfalls mit dem gasförmigen Brennstoff. Die eigentliche Verbrennungsreaktion setzt bevorzugt an der Stelle über dem Docht mit stöchiometrischem Mischungsverhältnis ein.
Kommen wir zur Brennzeit einer Kerze. Zunächst hängt sie natürlich von der Kerzenmasse ab: je dicker und größer eine Kerze desselben Materials, umso länger wird sie brennen. Insofern ist eine sinnvolle Angabe der Brenngeschwindigkeit wie viel Masse pro Zeit verbrennt. Diese hängt erstens von der Wachszusammensetzung ab. Kerzenwachs besteht generell aus einer Mischung von gesättigten und ungesättigten langkettigen Kohlenwasserstoffen, Säuren, Alkoholen und Estern. Die Mischung dieser Komponenten bestimmt den Wachstyp. Klarerweise unterscheiden sich je nach Mischung die dominierenden Reaktionen und damit auch ihre Verbrennungsgeschwindigkeiten.
Zweitens kann die Geometrie einer Kerze die Verbrennung beeinflussen. Bei dicken Kerzen bleiben gelegentlich äußere Wandteile stehen, da sie durch die Flamme nicht genügend erwärmt werden. Wichtiger ist drittens aber die Beschaffenheit des Dochts. Die darin ablaufenden Kapillareffekte befördern das flüssige Wachs in die Verdampfungszone. Bei gleicher Geometrie kann man nun die Wachsarten untersuchen. Dabei handelt es sich vor allem um Bienenwachs, Stearin oder Paraffin. Hierbei stellt man häufig fest, dass Bienenwachskerzen deutlich länger brennen, sprich kleinere Verbrennungsraten aufweisen. Wir haben dies an mehreren Kerzen getestet.
Das Video zeigt zwei gleich lange und dicke Kerzen (l=235 mm) und in etwa gleicher Startmasse (Standardkerze 54,8 g, Bienenwachskerze 57,4 g) im direkten Vergleich. Allerdings war der Docht der Bienenwachskerze deutlich dicker. Es war uns nicht möglich, Kerzen gleicher Geometrie mit gleichen Dochtsorten zu kaufen.
Das Video demonstriert, dass die normale Haushaltskerze in etwa 8,3 Stunden, die Bienenwachskerze dagegen erst in 9,5 Stunden vollständig abbrannten. Daraus ergaben sich für die Haushaltskerze eine Verbrennungsgeschwindigkeit von 6,58 g/h, für die Bienenwachskerze dagegen nur 6,04 g/h. Solche Raten sind typisch, es sind aber auch Werte von 5 bis 8 g/h beobachtbar. Ebenso kann es je nach Docht auch passieren, dass Bienenwachskerzen schneller abbrennen.
Fazit: vor dem Anstecken der Kerzen auf den Weihnachtsbaum schnell wiegen, dann weiß man grob, wann die Kerze ersetzt werden muss.
Michael Vollmer, Klaus-Peter Möllmann, TH Brandenburg
Dieser Artikel ist in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen.
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