Sitting around a campfire, you can feel its heat, smell the woody smoke, and hear it crackle. If you get too close, it burns your eyes and stings your nostrils. You could stare at the bright flames forever as they twist and flicker in endless incarnations. But what exactly are you looking at? The flames are obviously not solid, nor are they liquid. Mingling with the air, they’re more like a gas, but more visible--and more fleeting. And on a scientific level, fire differs from gas because gases can exist in the same state indefinitely while fires always burn out eventually.
Sentados ao redor de uma fogueira, podemos sentir o seu calor, o cheiro de madeira queimada e ouvir os estalos do fogo. Se nos aproximarmos demais, ficaremos com os olhos e as narinas ardendo. Poderíamos ficar olhando as chamas vivas para sempre enquanto dançam e tremulam em infinitas manifestações. Mas o que exatamente estamos observando? As chamas, obviamente, não são sólidas, nem líquidas. Misturando-se com o ar, são mais uma espécie de gás, porém mais visíveis e mais efêmeras. A nível científico, o fogo é diferente de um gás, porque os gases podem existir no mesmo estado, indefinidamente, enquanto as chamas acabam se extinguindo.
One misconception is that fire is a plasma, the fourth state of matter in which atoms are stripped of their electrons. Like fire and unlike the other kinds of matter, plasmas don’t exist in a stable state on earth. They only form when gas is exposed to an electric field or superheated to temperatures of thousands or tens of thousands of degrees. By contrast, fuels like wood and paper burn at a few hundred degrees —far below the threshold of what's usually considered a plasma.
É um equívoco pensar que o fogo é um plasma, o quarto estado da matéria, em que os átomos estão privados de seus elétrons. Tal como o fogo e ao contrário de outros tipos de matéria, os plasmas não existem em um estado estável na Terra. Só se formam quando o gás é exposto a um campo elétrico ou superaquecido a temperaturas de milhares ou dezenas de milhares de graus. Em contraste, combustíveis como a madeira e o papel queimam a algumas centenas de graus, muito abaixo do limiar geralmente considerado como plasma.
So if fire isn’t a solid, liquid, gas, or a plasma, what does that leave? It turns out fire isn’t actually matter at all. Instead, it’s our sensory experience of a chemical reaction called combustion. In a way, fire is like the leaves changing color in fall, the smell of fruit as it ripens, or a firefly’s blinking light. All of these are sensory clues that a chemical reaction is taking place. What differs about fire is that it engages a lot of our senses at the same time, creating the kind of vivid experience we expect to come from a physical thing.
Então, se o fogo não é um sólido, um líquido, um gás, nem um plasma, o que resta? Acontece que o fogo não é, na verdade, matéria de forma alguma. Em vez disso, é nossa experiência sensorial de uma reação química chamada combustão. De certo modo, o fogo é como as folhas que mudam de cor no outono, o cheiro das frutas quando estão maduras, ou a luz cintilante de um vaga-lume. Tudo isso são pistas sensoriais de que está ocorrendo uma reação química. A diferença é que o fogo envolve muitos de nossos sentidos ao mesmo tempo, criando uma espécie de experiência vívida que esperamos vir de uma coisa física.
Combustion creates that sensory experience using fuel, heat, and oxygen. In a campfire, when the logs are heated to their ignition temperature, the walls of their cells decompose, releasing sugars and other molecules into the air. These molecules then react with airborne oxygen to create carbon dioxide and water. At the same time, any trapped water in the logs vaporizes, expands, ruptures the wood around it, and escapes with a satisfying crackle. As the fire heats up, the carbon dioxide and water vapor created by combustion expand. Now that they’re less dense, they rise in a thinning column. Gravity causes this expansion and rising, which gives flames their characteristic taper. Without gravity, molecules don’t separate by density and the flames have a totally different shape.
A combustão cria essa experiência sensorial usando combustível, calor e oxigênio. Em uma fogueira, quando a lenha é aquecida à temperatura de ignição, as paredes das células se decompõem, liberando açúcares e outras moléculas no ar. Essas moléculas, então, reagem com o oxigênio levado pelo ar para criar dióxido de carbono e água. Ao mesmo tempo, a água que fica presa na lenha vaporiza, se expande, rompe a madeira ao seu redor e escapa com um estalido agradável. Com o aumento da temperatura do fogo, o dióxido de carbono e o vapor de água criados pela combustão se expandem. Agora que estão menos densos, elevam-se em uma coluna fina. A gravidade causa essa expansão e elevação, o que dá às chamas a forma característica. Sem gravidade, as moléculas não se separam por densidade, e as chamas têm uma forma totalmente diferente.
We can see all of this because combustion also generates light. Molecules emit light when heated, and the color of the light depends on the temperature of the molecules. The hottest flames are white or blue. The type of molecules in a fire can also influence flame color. For instance, any unreacted carbon atoms from the logs form little clumps of soot that rise into the flames and emit the yellow-orange light we associate with a campfire. Substances like copper, calcium chloride, and potassium chloride can add their own characteristic hues to the mix.
Podemos ver tudo isso porque a combustão também gera luz. As moléculas emitem luz quando aquecidas, e a cor da luz depende da temperatura das moléculas. As chamas mais quentes são brancas ou azuis. O tipo de moléculas no fogo também pode influenciar a cor da chama. Por exemplo, os átomos de carbono da lenha que não reagiram formam pequenos fragmentos de fuligem que se elevam nas chamas e emitem a luz amarelo-alaranjada que associamos a uma fogueira. Substâncias como cobre, cloreto de cálcio e cloreto de potássio podem juntar suas próprias cores características à mistura.
Besides colorful flames, fire also continues to generate heat as it burns. This heat sustains the flames by keeping the fuel at or above ignition temperature. Eventually, though, even the hottest fires run out of fuel or oxygen. Then, those twisting flames give a final hiss and disappear with a wisp of smoke as if they were never there at all.
Além das chamas coloridas, o fogo também continua a gerar calor, à medida que arde. Esse calor alimenta as chamas mantendo o combustível à temperatura de ignição ou acima dela. Mas, por fim, mesmo os fogos mais quentes acabam por esgotar o combustível ou o oxigênio. Então, as chamas tortuosas dão o último suspiro e desaparecem em uma nuvem de fumaça como se nunca tivessem existido.