Respuestas
Me encanta este experimento porque hay muchos fenómenos en acción. Vamos paso por paso.
La vela. Cuando se enciende la vela tiene lugar una reacción de combustión:
cera o parafina + O2→ CO2 +H2O + energía
A partir de la ecuación química podemos ver que para mantener la vela encendida se necesita oxígeno. Los productos resultantes son dióxido de carbono, vapor de agua y energía en forma de luz y calor. (Esta reacción la estudiamos con más detalle hace un tiempo cuando hicimos una vela de mantequilla).
Hay que tener en cuenta que el dióxido de carbono procedente de la combustión está muy caliente y por ello es menos denso que el aire. Lo menos denso flota en lo más denso y, como resultado, el dióxido de carbono asciende. Esto lo hemos comprobado en el experimento de densidad y flotabilidad con agua caliente y fría.
Por otro lado, según la teoría cinética, las moléculas que componen un gas están en continuo movimiento en todas las direcciones. La velocidad a la que se mueven aumenta con la temperatura. Las moléculas de los gases que rodean a la vela, entre ellos el aire, el dióxido de carbono y el vapor de agua, están muy calientes así que se moverán a gran velocidad y llegarán más lejos que cuando su temperatura es menor.
El vaso. Es el responsable de que ocurran varios procesos:
Mientras el vaso va bajando para cubrir la vela, las velocísimas moléculas de los gases tendrán la oportunidad de escapar libremente. Las que no escapen, chocarán contra las paredes del vaso ejerciendo presión sobre ellas. Cuando el vaso haya llegado al fondo del plato es posible que se vean algunas burbujas producidas por los gases que siguen escapando a través del agua.
Un poco más tarde, cuando el vaso ya cubre la vela, el dióxido de carbono caliente empieza a acumularse en la parte superior. Como consecuencia, el oxígeno se va desplazando hacia abajo y la llama comienza a atenuarse, no porque se esté agotando el oxígeno necesario para la combustión, sino debido a que el oxígeno no está donde debería estar (rodeando a la llama). Por este motivo, en caso de incendio hay que moverse lo más cerca posible del suelo, que es donde hay más oxígeno.
Con el debilitamiento de la llama se produce un enfriamiento gradual de los gases del interior del vaso. Sus moléculas pierden velocidad y los choques contra las paredes del vaso se reducen. Por ello, la presión en el interior desciende progresivamente, llegando a ser menor que la presión del exterior (la presión atmosférica). El agua, empujada por la presión atmosférica, empieza a entrar lentamente en el vaso.
(El efecto de la temperatura en la presión ejercida por un gas confinado en un recipiente lo puedes estudiar con más detalle en el experimento de la botella y la moneda saltarina).
Finalmente la llama se apaga por completo. Sin llama, el enfriamiento de los gases es mucho más rápido, lo que conlleva una brusca bajada de presión en el interior del vaso. El resultado es que el agua asciende por el vaso vertiginosamente. Su ascenso cesará cuando las presiones interior y exterior se igualen.
Este mismo efecto lo puedes observar haciendo el experimento en el que un huevo es succionado dentro de una botella.
Muchas veces también se observa que el vaso se empaña. Es debido a que el vapor de agua contenido en el aire del interior del vaso, al entrar en contacto con las paredes más frías se condensa.