Căldura de combustie
213 vizualizări · 5 voturi
Raportează o problemă
Descrie pe scurt problema sau sugestia ta. Vom primi automat și pagina de pe care scrii.
Mulțumim!
Mesajul tău a ajuns la noi. Vom analiza problema cât de curând.
Procesele de ardere, sau de combustie, reprezintă principala sursă de energie termică necesară activităţilor omului.
Drept combustibili se folosesc următoarele substanţe: motorina, păcura, gazele naturale, lemnul, butanul, gazele de sondă, cărbunii, şi alte resturi vegetale.
Combustia se desfăşoară în condiţii izobare: la presiune constantă, dar cu volum variabil.
Entalpia de combustie standard, ΔH0Combustie, reprezintă entalpia de reacţie standard pentru oxidarea completă a unui compus organic la dioxid de carbon gazos şi la apă în stare lichidă – dacă compusul conţine numai atomi de carbon, hidrogen şi oxigen; şi la azot gazos – în cazul în care compusul conţine şi atomi de azot.
Prin arderea completă a unei hidrocarburi se obţine dioxid de carbon gazos şi apă în stare lichidă.
Prin arderea incompletă a unei hidrocarburi se obţine monoxid de carbon şi diverse fragmente din hidrocarbura iniţială.
Toate reacţiile de combustie sunt reacţii exoterme şi eliberează cantităţi mari de căldură în mediul exterior.
Căldura de combustie reprezintă variaţia de entalpie dintr-un proces de combustie.
În arderile biologice, apa se obţine în stare lichidă. În alte arderi, apa se obţine, de obicei, în stare de vapori. Arderile biologice produc mai multă energie decât arderile din afara sistemelor vii.
Puterea calorică este o proprietate prin care se poate aprecia calitatea unui combustibil. Puterea calorică se exprimă prin cantitatea de căldură degajată la arderea unităţii de masă sau de volum a combustibilului.
Puterea calorică a combustibililor gazoşi este exprimată, de obicei, în kJ/Nm3. Volumul de 1 m3 e măsurat în condiţii normale de temperatură şi presiune, şi de aceea se notează cu Nm.
Condiţiile normale sunt definite ca fiind următoarele:
- temperatură: 0° C sau 273 K;
- presiune: 1 atm.
Puterea calorică a combustibililor lichizi şi solizi este exprimată în kJ/kg.
Cantitatea de căldură degajată la arderea combustibililor depinde de starea de agregare a apei ce rezultă din reacţia de ardere. Astfel, există două tipuri de puteri calorice:
- puterea calorică superioară, Qs, când din ardere rezultă apă în stare lichidă;
- puterea calorică inferioară, Qi, când din ardere rezultă apă în stare de vapori.
Valorile puterilor calorice pot fi calculate cu aceste relaţii:
- pentru 1kg de combustibil lichid sau solid:
- pentru 1 m3 de combustibil gazos:
În viața noastră de zi cu zi, întâlnim foarte des anumite procese fizice și chimice, precum arderea, dizolvarea și neutralizarea, și le întâlnim și mai des atunci când lucrăm într-un laborator.
Astfel, este extrem de important să cunoaștem efectele termice ale acestor reacții, atât pentru a ne proteja, cât și pentru a folosi energia termică în scopuri practice.
Procesele de ardere sau, mai formal, de combustie, reprezintă, de la descoperirea focului încoace, principal la sursă de energie termică necesară pentru activitățile omului.
De la încălzit ciorba și până la cele mai complexe procese industriale, n-am putea face nimic fără combustibil.
Combustibili sunt materialele care constituie sursa de energie termică, atât pentru viața cotidiană, cât și pentru diferitele procese industriale.
Și drept combustibil avem motorina, păcura, gazele naturale și gazele de sondă, butanul, cărbunii, lemnul și alte resturi vegetale.
Combustia se desfășoară în condiții izobare, adică la presiune constantă, dar cu volum variabil.
Am vorbit lecția trecută despre entalpii standard.
Am vorbit lecția trecută despre entalpii de reacție standard.
Unele entalpii de reacție standard au denumiri speciale și o semnificație aparte, având în vedere că procesul de combustie se desfășoară la presiune constantă.
Entalpia de combustie standard este una dintre aceste entalpii cu semnificație aparte.
Și se notează cu delta H indice combustie sau C mai pe scurt.
Entalpia de combustie standard reprezintă entalpia de reacție standard pentru oxidarea completă a unui compus organic la dioxidă carbon-gazos și la apă sub formă lichidă,
asta în cazul în care compusul conține numai carbon, hidrogen și oxigen, și la azot-gazos, în cazul în care compusul conține și azot.
Combustia e un caz special a unui termen mai general și anume oxidarea.
Inițial, oxidarea se referea la reacții cu oxigen care nu sunt neapărat însoțite de flacără.
Pentru a efectua o reacție de combustie avem nevoie de un combustibil, să zicem etanul sau o hidrocarbură mai grea, precum octanul pe care îl folosim în mătoarele cu combustie internă.
Îl amestecăm cu aer și îi dăm foc.
După cum am zis, rezultatul ardei complete a oricărei hidrocarburi.
Este dioxid de carbon-gazos și apă sub formă lichidă.
Însă poate avea loc și ardere incompletă.
Și atunci rezultatul este monoxid de carbon și diverse fragmente din hidrocarbura inițială.
Toate reacțiile de combustie sunt reacții exoterne și eliberează foarte multă energie sub formă de căldură în mediul exterior.
Numim această căldură căldură de combustie.
Iar căldura de combustie reprezintă variația de entalpie dintr-un proces de combustie.
Avem, spre exemplu, combustia glucozei.
Această valoare a variației de entalpie de combustie ne arată că 2808 kJ de căldură se eliberează atunci când un mol de glucoză este oxidat complet în condiții standard de presiune și temperatură.
În arderile biologice, apa se obține sub formă lichidă.
În arderile din locuințele noastre și cele industriale, apa se obține sub formă de vapur.
Spre exemplu, avem aici două reacții de ardere a metanului în condiții standard.
În prima se obține o căldură de combustie de 802 kJ.
Vedem că apa rezultată din reacție este sub formă de vapur.
Iar în a doua reacție, când apa rezultată e lichidă, căldura de combustie e de 890 kJ, deci e mai mare.
Diferența dintre cele două călduri de combustie este chiar căldura absorbită în procesul de vaporizare apei lichide.
Pentru doi moli de apă înmulțim această valoare cu 2 și vedem că este chiar diferența dintre entalpiile celor două reacții.
Pentru a aprecia cantitatea unui combustibil ne folosim de o proprietate numită putere calorică.
Puterea calorică a unui combustibil se exprimă prin cantitatea de căldură degajată la arderea unității de masă sau de volum a combustibilului.
Puterea calorică a combustibilului gazoș
e exprimată, în general, în kJ pe m3.
Volumul de un m3 e măsurat în condiții normale de temperatură și presiune.
Atenție! Condițiile normale
se referă la o temperatură de 0 °C sau 273 K
și presiune de o atmosferă.
Deci nu e același lucru cu condițiile standard unde avem temperatură de 25 °C.
Un m3 măsurat în condiții normale, la 0 °C, se notează cu normal m3.
În ceea ce privește combustibili lichizi sau solizi,
puterea lor calorică este exprimată în kJ pe kg.
Pentru că, de obicei, puterea calorică are valori foarte mari.
O putem exprima și în mJ pe m3
sau mJ pe kg.
Și ținem cont de faptul că 1 mJ este egal cu 10 la 3a kgJ,
care este egal cu 10 la 6a J.
După cum am văzut mai înainte,
cantitatea de căldură degajată la arderea combustibilor
depinde de starea de agregare a apei ce rezultă din reacția de ardere.
Astfel avem două tipuri de puteri calorice.
Putere calorică superioară, notată cu Q indice S,
când din ardere rezultă apă în stare lichidă.
Și putere calorică inferioară, Q indice I,
când din reacția de ardere rezultă apă în stare de vapor.
Și avem o observație practică foarte importantă
legată de conținutul în hidrogen al unui combustibil.
Cu cât un combustibil conține mai mult hidrogen,
cu atât rezultă o cantitate mai mare de apă din reacția de ardere.
Iar diferența dintre puterea calorică superioară și cea inferioară va fi mai mare.
Să luăm niște exemple.
Pentru monoxidul de carbon,
valoarea puterii calorice superioare este egală cu valoarea puterii calorice inferioare.
Asta pentru că, după cum observăm, monoxidul de carbon nu conține deloc hidrogen.
Să luăm și exemplul metanului, compus care conține hidrogen.
În acest caz, observăm deja o diferență considerabilă
între valorile celor două puteri calorice.
Să vedem ce se întâmplă în cazul arderei unui compus cu și mai mult hidrogen.
Avem, spre exemplu, propanul.
În acest caz, observăm că avem o diferență și mai mare
între puterea calorică superioară și cea inferioară.
Și dacă tot am vorbit despre valorile puterilor calorice,
haideți să vedem și cum anume putem calcula aceste valori.
Între puterea calorică Q a unui combustibil
și variația de entalpie în reacția de ardere în condiții standard,
adică entalpia de combustie,
putem stabili una dintre aceste relații,
în funcție de starea de agregare a combustibilului.
Entalpia de combustie se află în modul,
deoarece s-a convenit ca puterea calorică să aibă numai valori pozitive.
În cazul lichidelor și solidelor,
avem în ecuație μ care reprezintă masa molară în grame pe mol,
iar în cazul gazelor avem volumul pe care îl ocupa un mol de gaz ideal în condiții standard,
deci 22,4 litri pe mol.
Pentru combustibili în stare lichidă sau solidă,
această ecuație pentru puterea calorică
reprezintă căldura degajată la arderea unui kilogram de combustibil,
deci avem kilojoul pe kilogram ca unitate de măsură.
Iar pentru combustibili în stare de gaz,
puterea calorică reprezintă cantitatea de căldură degajată la arderea unui normal metru cub de combustibil,
așadar avem aici kilojoul pe normal metru cub drept unitate de măsură.
Comentarii (0)
Niciun comentariu încă.