__ANALISIS DE LOS PROCESOS DE COMBUSTIÓN

La gran mayoría de procesos de combustión se dan en condiciones tales que se pueden analizar como procesos de flujo y estado estables, donde la EC y EP son despreciables

ENERGIA QUÍMICA.- es la que posee el combustible y es liberada durante la combustión completa. Es fija para cada combustible.

CALOR DE REACCION.- es aquel que deben transferir los productos de cualquier reacción química para enfriarse hasta el temperatura inicial de los reactantes.

CALOR DE LA REACCION ESTANDAR.- es el calor de reacción a las condiciones estándar de “PRESION Y TEMPERATURA”.La presión estándar es 1atm y la temperaturas utilizados son: 18ºC, 20ºC Y 25ºC .

CALOR DE COMBUSTIÓN.- se le llama al calor de reacción en la combustión entonces habrá un calor de combustión estándar que se determina para las condiciones de 1ATM. Y 25ºC según el proceso de calor de combustión puede ser:

1.-Calor de combustión a presión constante 2.-Calor de combustión a volumen constante.

Combustible gases de combustiónAire

ProductosReactantes

Qp

COMBUSTIÓN EN UN VOLUMEN DE CONTROL

I.- Si la combustión se realizara en un sistema (presión constante)De la figura aplicando primera ley:

Ec. (I)

HP: entalpia de los productos.

HR: entalpía de los reactantes

QP: calor de combustión a presión constante.

Cámara de combustión

QP = Hp - Hr

Recordando:Q = W + AU

Q = P (V2 – V1) + U2 – U1

Q = P2V2 – P1V1 + U2 – U1

Q = (P2 V2 + U2) - (P1 V1 +U1)

Q = H2 – H1

II.-Si la combustión se realizara en un sistema (volumen constante)

Ec. (II)

UP = energía interna de los productos

UR = energía interna de los reactantes

QV = calor de combustión a V = Cte

Para un combustible dado:

QP = HP – HR ó QP = (U + PV) P – (U + PV) R

Si restamos la ecuación I y II

QP – QV = (U + PV) P – ( U + PV) R - UP – UR

Si consideramos los componentes gaseosos de la combustión puede considerarse como gases ideales siendo el volumen de los componentes líquidos y sólidos despreciables comparado con el de los gases, entonces la ecuación puede expresarse:

O

nP = numero de moles de los productos gaseosos nR = numero de moles de los reactantes gaseosos R* = constante universal de los gases T = temperatura de los reactantes ó productos

Nota:

QV = UP – UR

QP – QV = (PV) P – (PV) R

QP – QV = (nR*T) P – (nR*T) R QP – QV = (nP – nR)R* T

nP y nR se determina a partir de la ecuación teórica de la combustión PV = mRT n = m

M m = nM

PV = nMRT R = R* RM = R* M

PODER CALORIFICO: Es la máxima cantidad de calor que puede transferirse de los productos de la combustión completa , cuando estas son enfriados hasta la temperatura inicial de la mezcla AIRE – COMBUSTIBLE, se expresa por unidad de masa de combustible.

PODER CALORÍFICO ALTO: Es el que se obtiene cuando el vapor de agua formado durante la combustión condensa totalmente, al enfriar los productos hasta la temperatura de los reactantes.

PODER CALORÍFICO BAJO: Es el que se obtiene cuando el vapor de agua no condensa, al enfriar los productos hasta la temperatura de los reactantes.

NOTA: Siendo el poder calorífico calor transferido y la energía química del combustible

energía almacenada sus valores no coinciden. Para la combustión completa; el calor de combustión y el poder calorífico,

tienen el mismo valor numérico, para una misma temperatura de los reactantes.

ENTALPIA: Cuando se trata de reacciones químicas, existen cambios en la composición química de la sustancia durante el proceso. Ha sido recesivo establecer un nivel de referencia a partir de los elementos, para determinar la entalpia de las sustancias que intervienen en la reacción.

PV = nR*T

La entalpia de todos los elementos en estado molecular ó estable, es cero a 25ºC y 1 atm.

Diagrama para los elementos

En la figura cada una de las curvas mostradas es una grafica de la función para cada elemento. Si el elemento es un gas ideal, la entalpia a una temperatura seria:

Entalpia molar a la temperatura = capacidad calorífica molar

Por lo tanto para temperaturas menores a 25 °C se tendrán entalpias negativas para los elementos.

ENTALPIA DE REACCIÓN.- Es la diferencia entre la entalpia de los productos y la de los reactantes, a las mismas condiciones de presión y temperatura, al ocurrir la reacción.

ENTALPIA DE COMBUSTIÓN.- Es la diferencia entre la entalpia de los productos y la de los reactantes, a las mismas condiciones de P y T; al ocurrir una combustión completa.

ENTALPIA DE FORMACIÓN

La entalpía de formación (ΔfH0) de un compuesto químico es la variación de entalpía de la reacción de formación de dicho compuesto a partir de las especies elementales que lo componen, en su forma más abundante. Por ejemplo, la entalpía de formación del agua, formada por hidrógeno y oxígeno, sería equivalente a la entalpía de reacción de hidrógeno diatómico y oxígeno diatómico.

Así, la entalpía de formación de un compuesto es la energía necesaria para formar un mol de dicho compuesto a partir sus elementos, medida, normalmente, en unas condiciones de referencia estándar, 1 atm de presión y una temperatura de 298 K (25 °C).

Esta entalpía es negativa cuando se trata de una reacción exotérmica, que desprende calor, mientras que es positiva cuando es endotérmica, y resulta nula para los compuestos diatómicos.

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Entalpía química(otra definición)

Para una reacción exotérmica a presión constante, la variación de entalpía del sistema es igual a la energía liberada en la reacción, incluyendo la energía conservada por el sistema y la que se pierde a través de la expansión contra el entorno.(Es decir que cuando la reacción es exotérmica la variación de entalpía del sistema es negativa). Análogamente, para una reacción endotérmica, la variación de entalpía del sistema es igual a la energía absorbida durante la reacción, incluyendo la energía perdida por el sistema y la ganada a través de la expansión contra el entorno.(En las reacciones endotérmicas el cambio de entalpía es positivo para el sistema, porque gana calor)

La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente; la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida en cambio.

La variación de entalpía se define mediante la siguiente ecuación:

ΔH es la variación de entalpía. Hfinal es la entalpía final del sistema. En una reacción química, Hfinal es la entalpía

de los productos. Hinicial es la entalpía inicial del sistema. En una reacción química, Hinicial es la

entalpía de los reactivos.

La mayor utilidad de la entalpía se obtiene para analizar reacciones que incrementan el volumen del sistema cuando la presión se mantiene constante por contacto con el entorno, provocando que se realice un trabajo mecánico sobre el entorno y una pérdida de energía. E inversamente en reacciones que causan una reducción en el volumen debido a que el entorno realiza un trabajo sobre el sistema y se produce un incremento en la energía interna del sistema.

La entalpía de reacción es la energía asociada a una reacción, y viene dada por la suma de las entalpías de formación de productos menos la de reactivos según sus coeficientes

estequiométricos (n), siendo las entalpías de formación de los elementos en su estado natural iguales a cero.

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La termoquímica estudia los cambios energéticos ocurridos durante las reacciones químicas. El calor que se transfiere durante una reacción química depende de la trayectoria seguida puesto que el calor no es una función de estado. Sin embargo, generalmente las reacciones químicas se realizan a P=cte o a V=cte, lo que simplifica su estudio.

La situación más frecuente es la de las reacciones químicas realizadas a P=cte, y en ellas el calor transferido es el cambio de entalpía que acompaña a la reacción y se denomina "entalpía de reacción". La entalpía es una función de estado, luego su variación no depende de la trayectoria.

Las reacciones donde la variación de entalpía es positiva (calor absorbido en la reacción) son llamadas reacciones endotérmicas,

mientras que aquellas cuya variación de entalpía es negativa (calor cedido por el sistema durante la reacción) son llamadas reacciones exotérmicas.

o Si la reacción endotérmica se realiza en un sistema de paredes adiabáticas, como consecuencia de la reacción se produce una disminución en la temperatura del sistema.

o Si la reacción es exotérmica y se realiza en un recipiente de paredes adiabáticas, la temperatura final del sistema aumenta.

o Si las paredes del sistema son diatérmicas, la temperatura del sistema permanece constante con independencia de la transferencia de energía que tiene lugar debido al cambio en la composición.

ENTALPIA DE FORMACIÓNSabemos que la entalpia de un elemento a las condiciones estándar es cero, pero no sucede lo mismo con un compuesto.Si se forma un compuesto a partir de sus elementos en una reacción química y a las condiciones estándar, se define como ENTALPIA DE FORMACIÓN, a la entalpia de reacción, correspondiente a dicho proceso, se expresa por unidad de masa.Supongamos la formación del , a condiciones estándar a presión constante:

El calor transferido, por unidad molar es:

= entalpia de formación

La entalpia de formación es la energía liberada o absorbida cuando el compuesto se forma a partir de sus elementos, estando tanto el compuesto como los elementos aTref. y Pref.

Nota: Dado que la entalpia de formación de un compuesto se determina mediante el calor transferido durante la combustión, estas entalpias llevan el signo del calor.Así, midiendo el calor transferido hasta la formación del a partir de C y se tiene:

KJ / Kmol

Entonces la nomenclatura a utilizar es:

Entalpia de formación: KJ / Kmol

El signo negativo indica que la entalpia del es menor que la entalpia de los reactantes C y

ESQUEMA DE LA FORMACIÓN DEL

Hagamos que:El proceso se da en 2 etapas:a) Combustión adiabaticab) Transmisión de calor enfriando los productos hasta la temperatura inicial.

Explicación:a) En el proceso (1-x), a causa de la combustión, el C libera su energía química y

los productos alcanzan la Temp. Txb) En el proceso (x-2) se enfrían los productos hasta la Temp. Inicial de 25°C, a

P=cte.

Explicación en el diagrama ( )

Diagrama para el

Proceso 1-x: (Proceso adiabático)

Proceso x-2: Proceso exotérmico:(Calor cedido por el sistema)

Pero:

Nota: es entalpia de formación de los productos es entalpia de formación de los reactantes

La expresión - h°rp = (h°p – h°r) y puede también escribirse de la siguiente manera:-h°rp = - h°p ; puesto que por tratarse de un elemento a condiciones estándar.

*La entalpía de formación de un compuesto, es su entalpía de formación a las condiciones estándar.

En la figura (*) podemos suponer que la combustión ocurre de 1 a 2 entonces:

Donde:

Para una temperatura “T” cualquiera se puede inferir que :

Caculo de las entalpías :La entalpía de un compuesto puede calcularse para una temperatura y presión dadas, de acuerdo a la función h = f(T)

Supongamos que la curva de los productos corresponde al CO2 en el diagrama (h – T):

Su entalpía para la temperatura Ta se determinará por la función algebraica:

..............(*) Para 1 molSiendo :

En general la entalpía de un compuesto h (T,p) a una presión y temperaturas dadas, puede calcularse: en función de la ecuación (*)

To = 25°C Po = 1 atm - La solución de esta ecuación requiere la determinación de h.- La entalpía de formación h°f es conocida para un compuesto (tabla).- Usando las tablas nos dan directamente los valores de h, en función de T.

Resumen:*Entalpía a condición diferente que la condición estándar o de referencia.

Casos :1.- Entalpía de un compuesto a P, T Po, To

hT,p = h°f + h

2.- Entalpía de un compuesto a P, T = Po, To

hT,p = h°f + h = h°f

3.- Entalpía de un elemento a P,T Po, To

hT,p = h°f + h = h

4.- Entalpía de un elemento a P, T = Po, To

hT,p = h°f + h = 0

H = nh

Determinación de Hr y Hp

La entalpia de los reactantes como de los productos es función de las entalpias de cada uno de sus componentes, entonces:

Hr = ) = t1p)

Hp= + = t1p)

Calculo del calor transferido

Qrp=Hrp= + - + )

Temperatura de la llama adiabatica

Es aquella temperatura alcanzada por los productos y es muy elevada, si la combustión es adiabatica, completa, despreciando los cambios de Ec. y Ep. donde no hay producción de trabajo.A esta temperatura se le llama de la llama adiabatica o(temperatura teórica de la llama).Esta depende del combustible, de la temperatura de los reactantes y del exceso de aire.Para una temperatura T1 dada, la máxima temperatura se alcanzara cuando la combustión completa se realice con una mezcla estequiometrica de los reactantes.

Las temperaturas teóricas de llama adiabatica no se alcanzan nunca en la práctica.Pueden controlarse con el exceso de aire su calculo puede hacerse haciendo q=0 en la ecuación.La solución de la ecuación puede hacerse por el método de tanteos.

Calculo del poder calorífico

Q= Hp-Hr = mc x p.c = ma Cp (T2-T1)

P.C.= =

p.c= poder calorífico

mc= masa del combustible (flujo)

ma= flujo del aire

Qrp= 0

Hr(25º)=Hp(ta) (ta) es una temperatura cualquiera de los productos.

Hp(ta)= + )