Warum bildet sich bei einer ruhig brennenden Kerze ein Wachssee der sich nicht vergrößert

Question

Um zu verstehen, wie das funktioniert, müssen wir ganz genau schauen, was passiert, wenn wir eine Kerze anzünden. Mit einem Zündholz oder einem Feuerzeug zünden wir den Docht oben an. Im ersten Augenblick brennt auch wirklich nur der Docht. Wenn jetzt nichts passieren würde, ginge die Flamme ganz schnell wieder aus, weil der Docht nach ein paar Sekunden einfach verbrennen würde. Doch die Flamme erhitzt das Wachs um den Docht herum, dadurch schmilzt es und wird flüssig. Bei dickeren Kerzen kann man das gut beobachten, da ist um die Flamme herum ein kleiner Wachssee. Das flüssige Wachs steigt jetzt im Docht hoch, und oben an der Spitze ist es so heiß, dass das Wachs verdampft. Und dieses verdampfte Wachs brennt. Und die Flamme hält mit ihrer Hitze den Kreislauf in Gang – bis am Ende das ganze Wachs verbrannt ist. Beim Ausblasen wird das verdampfende Wachs von der Flamme weggepustet. Es ist nichts mehr da, was brennen könnte, die Flamme erlischt.

Übrigens: Die meisten Erwachsenen wissen nicht, was bei der Kerze brennt, also könnt ihr es ihnen jetzt erklären.

Sehr leicht zu erkennen ist, dass das Wachs in der Umgebung des Dochts aufgrund der Hitze schmilzt. Schwimmen in der Schmelze zufällig ein paar Rußpartikel, können Sie sogar sehen, dass es in der Flüssigkeit erhebliche Turbulenzen gibt. Sie werden wissen, dass das Wachs im Docht aufsteigen muss, um zu verbrennen. Aber dann...?

Da der Docht mitten in der Flamme steckt, ist es dort schon so heiß, dass das Wachs vom Docht verdampft. Der Docht wird auf diese Weise umgeben von Wachsdampf, welches aber noch nicht brennen kann, weil es dort eben nur Wachsdampf und keinen Sauerstoff gibt. (Nebenbei: Das schützt auch den Docht vor dem Verbrennen.) Erst weiter außen mischt sich der Wachsdampf mit Luft und wird zündfähig. Der Kohlenstoff leuchtet bei der Verbrennung auf. Das dunklere Innere ist also reiner Wachsdampf, die hell leuchtende äußere Zone der verbrennende Wachsdampf.

Dort, wo es brennt, wird natürlich die Verbrennungsenerge frei und deshalb ist die hell leuchtende Zone der Flamme noch deutlich heißer als die Umgebung des Dochts. Nach einigen Versuchen und dem dabei gewonnenen Geschick können Sie das mit einem kurz quer in die Flamme Streichholz (mit abgebrochenem Zündkopf) nachweisen. Das Streichholz verkohlt dabei an den Stellen, die sich in der leuchtenden Zone befanden, schneller als an der Stelle, die sich in der dunklen Zone in der Umgebung des Dochts befand.

Wenn Sie die Kerze auspusten, ist der Docht noch eine Zeit lang heiß. Jetzt können Sie es sehen, dass von dem heißen Docht immer noch Wachs gasförmig abdestilliert, welches jetzt aber nicht mehr verbrennt, sondern an der Luft wieder auskühlt, so dass der Wachsdampf wieder kondensiert und den bekannten Rauch bildet.

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Letztlich stellt sich ein, bzw. mehrere dynamische Gleichgewichte ein.

Es wird gleichzeitig so viel Wachs verbrannt, wie nachgeschmolzen wird. Ein großer Teil der Wärmeleistung geht in die Umgebung, aber ein Teil wird beim Schmelzen benötigt. Innerhalb des Wachs' gibt es einen TemperaturGradienten durch Strahlung, Leitung und Transport von Wärme. Je weiter entfernt, desto geringer ist die Temperatur, je größer die Flamme, desto größer die Reichweite. Ab einer gewissen Tiefe und Breite reicht die Wärme nicht mehr aus. Am Rand kühlt die Luft, wodurch im Idealfall ein etwas höherer Rand stehen bleibt. Steht dieser zu hoch über dem flüssigen Wachs, schmilzt er ab.