Combustion Termodinamica

Capítulo 4

COMBUSTIÓN
4.1 INTRODUCCIÓN
Hasta ahora hemos tratado con sistemas que consisten de sustancias puras y mezclas no reactivas. En este capítulo aplicaremos los principios de la Termodinámica a las reacciones químicas. El nuevo aspecto que tendremos en cuenta en nuestro sistema es que los enlaces interatómicos de las moléculas que constituyen la composición original del sistema sepueden romper, abriendo la posibilidad de que se formen nuevos compuestos y desaparezcan otros, de tal manera que la composición del sistema cambia. Nuestra discusión estará enfocada hacia un tipo particular de reacción: la combustión. La razón para concentrarnos en ella es, obviamente, por su importancia en la práctica de la Ingeniería, pero el análisis que presentaremos es aplicable a cualquierotra reacción química. El fuego ha sido, desde los tiempos más remotos, la fuente principal de energía para la humanidad [XXIII]; todavía hoy la casi totalidad de las plantas de potencia modernas utilizan como fuente de calor la energía de los combustibles. La combustión es el origen de las transferencias de calor que, en el análisis de ciclos, llamaremos "calor suministrado". El estudio del procesoconocido como combustión es, entonces, fundamental para el ingeniero encargado del diseño, operación y mantenimiento de plantas termoeléctricas.1 Pero además, la combustión es quizás el fenómeno físico más importante en la industria, ya que la mayoría de los procesos y aplicaciones industriales involucran la combustión: la fabricación de vidrio, cemento, triplex, alimentos precocidos, fundiciónde metales, procesos de secado, etc. Otros tópicos afines de interés son la preparación de alimentos [XXVIII], los mecanismos de iniciación, propagación y extinción de incendios (ver nota al pie 8), la prevención de la contaminación atmosférica, sistemas de conversión de desechos orgánicos, como por ejemplo, la utilización de basuras como combustible, la producción de biocombustibles, etc.
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Apesar del creciente uso de las energías nuclear, solar, eólica, geotérmica, etc. los expertos consideran que todavía deberán transcurrir varios decenios antes de que la combustión pierda su predominio en la producción de calor y trabajo. De hecho, según estimaciones optimistas de la OPEP, parece que las reservas mundiales de petróleo durarán hasta bien entrado el presente siglo (ver la páginahttp://www.opec.org/…). Hay, sin embargo, voces pesimistas que predicen un agotamiento más temprano [LXV].

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TERMODINÁMICA APLICADA

J. F. Maradey Ch.

En el análisis de los procesos de combustión surgen varias preguntas: ¿cuánto aire se requiere para quemar una cantidad dada de combustible? ¿cuál es la composición y temperatura de los gases producidos en la combustión? ¿cuánta energía selibera en la combustión? ¿cuánto es el volumen de los humos arrojados a la atmósfera? ¿cuánto monóxido de carbono, bióxido de azufre y de otros gases contaminantes se están vertiendo al ambiente? En este capítulo trataremos de dar respuesta a estas preguntas y a otras más que muy seguramente surgirán más adelante. Al comienzo de este capítulo haremos una breve descripción del proceso decombustión y, más adelante, reseñaremos los principales combustibles fósiles (es decir, los producidos por acción geológica sobre materia orgánica), ya que éstos son, con pocas excepciones, los utilizados hoy en día en la industria, calefacción, etc. Como en toda reacción química, los parámetros del proceso de combustión están determinados por las leyes de la termodinámica. Veamos: La composición de losproductos está afectada por el balance de masa, ya que la cantidad total de cada elemento químico en la mezcla final debe ser la misma que había en la mezcla inicial que reaccionó. Este tipo de análisis, basado en la Ley de Conservación de las Especies Químicas (una forma de la ley de conservación de la masa, ver §1.10), se llama Estequiometría. Veremos en este capítulo, entonces, el cálculo de la...