Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
UF1. GENERACIÓ I DISTRIBUCIÓ DE L’ENERGIA1.1 PRINCIPIS ENERGÈTICSA. QUÈ ÉS L’ENERGIA?L’energia és la capacitat d’un sistem...
•   Energia mecànica   •   Energia química   •   Energia calorífica   •   Energia atòmica o nuclear   •   Energia radiant ...
En canvi, una estructura energètica sostenible s’hauria de basar en un sistema intensiude generació del treball, respecte ...
H2O (líquid)  H2O (vapor)        Serien sistemes oberts: escalfador d’aigua domèstic, ja que entra aigua freda a        l...
 ENERGIA INTERNA (U)A l’energia d’un sistema l’anomenen energia interna. L’energia interna és la suma detotes les energie...
CONVENI DE SIGNES   q         + Guanya calor                             - Perd calor   W         + Treball realitzat sobr...
L’entalpia és una funció d’estat, ja que l’energia interna, la pressió i el volum també hosón.Quan ocorre un canvi a press...
L’energia és una cosa que posseeixen els cossos, mentre que la calor és una cosa que estransfereix. És a dir, reservem el ...
Per tant, la temperatura és una mesura de l’energia cinètica mitjana de les molèculesd’un cos. Un objecte és a major tempe...
L’energia tèrmica per produir un augment determinat en la temperatura d’un cos depènde tres factors:  • La massa de la sub...
L’aigua té una capacitat calorífica extraordinàriament alta, el que fa que sigui unasubstància útil per transportar i emma...
I. LA MATÈRIA I ELS SEUS CANVIS D’ESTAT  CANVIS D’ESTATNo sempre que escalfem un sòlid o un líquid augmenta la seva tempe...
Els sòlids es dilaten poc quan són escalfats, però la força produïda durant l’expansió potser prou gran per ocasionar el t...
temperatura. S’utilitzen en els escalfadors d’immersió, en els forns, en els refrigeradors ien les estufes. N’hi ha de dif...
La pressió d’una massa fixa de gas és directament proporcional a la temperaturaabsoluta, sempre que el volum del gas es ma...
1.2 COMBUSTIÓA. INTRODUCCIÓLa principal font de calor a la indústria és la combustió de gas natural, petroli oproductes de...
d’oxigen fa que es generi molt CO de manera que no convé obrir portes i finestresperquè al fer-ho tot el CO calent conting...
C. PROPIETATSLes propietats més característiques d’un combustible són:    • La composició    • El poder calorífic    • La ...
PCI: Poder Calorífic Inferior. És la quantitat de calor que es desprèn en la reacció decombustió completa d’un combustible...
Per als combustibles líquids, només de forma aproximada, es pot emprar l’expressióempírica:ϼ= 250 + 9,13 mC/mH (en kg/m3 a...
damunt de la d’inflamació, i la reacció continuarà fins a esgotar-se el combustible o elcomburent.No es pot emmagatzemar u...
La reacció de combustió d’un gas combustible es fa en un dispositiu anomenatcremador que gradua convenientment el cabal de...
     La tercera família inclou els gasos liquats del petroli (GLP): propà i butà, amb PCS      entre 27,9 i 36 kWh/m3(n)....
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

Principis energètics. Combustió

1,474 views

Published on

Published in: Education
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Principis energètics. Combustió

  1. 1. UF1. GENERACIÓ I DISTRIBUCIÓ DE L’ENERGIA1.1 PRINCIPIS ENERGÈTICSA. QUÈ ÉS L’ENERGIA?L’energia és la capacitat d’un sistema físic per produir treball, però també és allò que fapossible la vida dels éssers vivents.A partir d’Einstein, sabem que la matèria i l’energia formen part de la mateixa realitat: E = m · c2L’energia se’ns presenta de formes diferents i no totes elles igualment aprofitables. Lamés bàsica i fonamental és la que consumim mitjançant les vies metabòliques de lafotosíntesi de plantes verdes i de l’alimentació, gràcies a la qual en nostre organismeviu. Però com no és suficient l’energia corporal per a modificar a la nostra conveniènciael món en que vivim, fem ús de les formes externes d’energia, per això ens hem dotatde la tecnologia.La importància de l’energia és cabdal, és qui ens permet fer coses i portar la vida a laque actualment estem acostumats.  PRINCIPI DE CONSERVACIÓ DE L’ENERGIAL’energia no s’exhaureix ni es consumeix, només es transforma. Això podria fer pensarque la podem usar tantes vegades com sigui possible, però això no és cert.A l’Univers hi ha dues formes de matèria/energia: la lliure o disponible i la nodisponible, la suma de les quals és constant.B. FORMES D’ENERGIAPodem dir que existeixen 3 fonts diferents d’Energia: 1. Energia lliure rebuda del Sol (directament o per fotosíntesi, vent, salts d’aigua ...) 2. Energia lliure del sòl (aigua calenta, subterrània i activitat geològica) 3. Energia dels materials fòssils emmagatzemada a l’interior del planeta (carbó, petroli, gas)Així, veiem que l’energia va lligada a l’estructura i les propietats. Parlem d’energiacalorífica associada a la temperatura, energia química associada a la composició.Les principals formes d’energia són: Página 1 de 23
  2. 2. • Energia mecànica • Energia química • Energia calorífica • Energia atòmica o nuclear • Energia radiant o electromagnètica  IMPACTE AMBIENTALEl consum actual d’aquestes energies crea un impacte ambiental, és per això queactualment es cerquen energies alternatives i les indústries s’adapten als problemesambientals fent ús de tecnologies netes.Les interaccions de l’ésser humà amb el medi en l’ecosistema del que en forma part,responen a 3 tipus de funcions: • Font de recursos naturals • Suport d’activitats • Receptor d’efluents i residusQualsevol activitat humana, en base a aquestes funcions, exerceix sobre el medi unaalteració que anomenem impacte ambiental.El medi ambient sempre ha tingut mecanismes (autodepuració, efecte dispersant…) quehan fet que sigui capaç d’enfrontar-se als problemes de contaminació, donant-se així unequilibri ecològic.Però ara mateix la contaminació desestabilitza la situació d’equilibri fent moltes vegadesque sigui irreversible degut a una alta concentració en el temps i en l’espai de certscontaminants i efectes.Front a aquesta situació i preocupació la legislació ha anat augmentant fixant límits mésrestrictius i aconsellant les millors tècniques disponibles o tecnologies netes.C. RECURSOS ENERGÈTICS.  CONSUM D’ENERGIAEl sistema energètic actual és intensiu en contaminació, sobreexplotació de recursos icentralització del poder.La correcció d’aquests efectes suposaria beneficis externs que mai es tenen en compte al’hora d’avaluar el veritable preu de l’energia que consumim. Página 2 de 23
  3. 3. En canvi, una estructura energètica sostenible s’hauria de basar en un sistema intensiude generació del treball, respecte mediambiental, descentralització de la generacióenergètica, aprofitant els recursos endògens i diversificats pel planeta.La dependència d’una única font energètica té riscos econòmics. La diversificació il’aprofitament racional dels recursos genera economies més estables, sòlides i menysdependents.Anomenem energia primària a la que s’obté de les fonts d’origen sense sofrir captransformació intermèdia.  ÚS ACTUAL DE L’ENERGIALes fonts d’energia primària: carbó, gas, petroli, nuclear i la resta, renovables o no s’usenper a l’obtenció de treball i calor.A partir de les diferents fonts d’energia es pot obtenir electricitat, que és quasi sempreun pas intermedi per a la producció d’energia, transportar-la i distribuir-la.Al voltant del 75 % de l’energia primària consumida a l’actualitat a nivell mundial ve decombustibles fòssils (gas natural (17%), carbó (25 %), petroli (36 %)). La restant ve de lahidroelèctrica, nuclear i també cal destacar com a noves alternatives: combustió de fustao biomassa, combustió de residus sòlids urbans, geotèrmica, biogàs, eòlica, solartèrmica i solar fotovoltaica…Però l’actual sistema energètic es basa fonamentalment en el consum del carbó, petroli igas natural.D. SISTEMES I ENTORNSPer a poder estudiar la transferència energètica necessitem enfocar la nostra atenció enuna part limitada de l’univers, ben definida, per poder seguir els canvis que tenen lloc.Així anomenem a la part objecte d’estudi sistema i el que l’envolta s’anomena entorn.Si parem atenció en una reacció química a nivell de laboratori: Reactius  Productes A+BC+DEls reactius i els productes formarien part del sistema, mentre que el recipient en el qualtranscorre la reacció i tota la resta seria l’entorn.Considerant ara les possibles combinacions, podem definir 3 tipus de sistemes: • OBERT: Aquest sistema pot intercanviar matèria i energia amb l’entorn. Exemple: un vas de precipitats que s’escalfa amb aigua líquida i es produeix aigua vapor: Página 3 de 23
  4. 4. H2O (líquid)  H2O (vapor) Serien sistemes oberts: escalfador d’aigua domèstic, ja que entra aigua freda a l’escalfador i surt calenta, després d’haver rebut calor de, per exemple, la combustió per butà. També ho serien: un compressor, una turbina, una tobera, un motor d’automoció. • TANCAT: Aquest sistema intercanvia energia però no matèria amb l’entorn. Exemple: Barreja de gasos hidrogen i oxigen confinats en un cilindre amb pistó mòbil, de manera que el sistema estaria format pels gasos i el cilindre i tot el que envolta (inclòs nosaltres) seria l’entorn. H2(g) + O2(g)  H2O(g) + energia Si l’hidrogen i l’oxigen reaccionen per a formar aigua, s’allibera energia però el sistema no ha perdut o guanyat massa, no experimenta canvi de matèria amb l’entorn. • AÏLLAT: No hi ha intercanvi d’energia ni intercanvi de matèria. És aquell que no interactua amb el seu entorn.E. TRANSFERÈNCIA D’ENERGIA: TREBALL I CALOR ENTORN - W -q SISTEMA W +qL’energia es transfereix entre sistemes i entorns en 2 formes generals: • Treball: Energia utilitzada per a produir una acció o efecte (moure o aixecar un objecte). Així si apliquem treball sobre un sistema li estem transferint energia. • Calor: Energia transferida d’un objecte més calent a un més fred. La podríem definir com l’energia transferida entre sistema i entorn degut a la diferència entre les seves temperatures.F. PRIMERA LLEI DE LA TERMODINÀMICAHem vist que l’energia pot convertir-se d’una forma a una altra i d’un lloc a un altre.“L’energia ni es crea ni es destrueix”, aquesta frase enuncia la primera llei de latermodinàmica, i és un resum al fet que l’energia es conserva.D’aquesta manera qualsevol energia perduda pel sistema serà guanyada per l’entorn.Anem a definir doncs, l’energia d’un sistema. Página 4 de 23
  5. 5.  ENERGIA INTERNA (U)A l’energia d’un sistema l’anomenen energia interna. L’energia interna és la suma detotes les energies cinètica i potencial d’un sistema. Es representa amb la lletra U. -Moviments de les molècules a l’espaiEnergia interna (U) -Rotacions -Vibracions internes -Energia del nucli dels àtoms i dels electrons componentsAixí com parlem de transferència d’energia, parlem d’increment d’energia, ∆U.Si l’estat d’energia inicial és major que l’estat d’energia final, diem que el sistemaallibera energia cap a l’entorn. Ef < Ei ; ∆U < 0Si l’estat d’energia inicial és menor que l’estat d’energia final, diem que el sistemaguanya o rep energia des de l’entorn cap al sistema. Ef > Ei ; ∆U > 0Si ens centrem en una reacció química com a sistema, l’estat inicial són els reactius il’estat final són els productes.  RELACIÓ ENTRE ∆U, Q, WL’energia interna d’un sistema canvia quan s’agrega o s’extreu calor, o quan realitzemun treball sobre el sistema o quan aquest realitza treball. Si augmenta l’energia : ∆U > 0 Si disminueix l’energia: ∆U < 0El signe ve donat pel calor cedit o alliberat del sistema q o pel treball fet per o sobre elsistema W. ∆U = q + W SISTEMA q > 0 ∆U > 0 W > 0 Página 5 de 23
  6. 6. CONVENI DE SIGNES q + Guanya calor - Perd calor W + Treball realitzat sobre el sistema - Treball fet pel sistema ∆U + Guany net Energia - Pèrdua neta Energia Taula 1  PROCESSOS ENDOTÈRMICS I EXOTÈRMICSQuan es porta a terme un procés on el sistema absorbeix calor, el procés és coneix comendotèrmic. Durant un procés endotèrmic, com la fusió del gel, el calor flueix cap adintre del sistema des del seu entorn. Si nosaltres, com a part de l’entorn, toquem elrecipient on s’està fonent el gel, sentim fred perquè el calor ha passat de les nostresmans cap al recipient.Un procés on el sistema perd calor, es coneix com exotèrmic. Durant un procésexotèrmic, com la combustió de la benzina, la calor surt o flueix cap a fora del sistema,és a dir, cap a l’entorn.G. ENTALPIAEl treball involucrat en l’expansió i compressió de gasos es coneix com treball pressió-volum (o treball P-V). Quan la pressió és constant, el signe de la magnitud de treballpressió-volum ve donat per: W = - P * ∆VP és la pressió i ∆V és el canvi de volum del sistema (∆V = Vfinal – Vinicial)Tenint en compte el conveni de signes de la taula 1, quan el volum s’expandeix, ∆V ésuna quantitat positiva, i W és una quantitat negativa. És a dir, l’energia abandona elsistema en forma de treball, indicant que es tracta de treball realitzat pel sistema sobrel’entorn. Per altra part, quan es comprimeix un gas, ∆V és una quantitat negativa (elvolum disminueix), fent que W sigui una quantitat positiva. És a dir, l’energia entra alsistema en forma de treball, indicant que l’entorn ha realitzat un treball sobre el sistema.La funció termodinàmica anomenada entalpia explica el flux de calor en els processosque ocorren a pressió constant, quan no es realitza un altre tipus de treball més que P-V. L’entalpia, representada pel símbol H, és igual a l’energia interna més el producte dela pressió i el volum del sistema: H = U + P*V Página 6 de 23
  7. 7. L’entalpia és una funció d’estat, ja que l’energia interna, la pressió i el volum també hosón.Quan ocorre un canvi a pressió constant, el canvi d’entalpia, ∆H, està donat per lasegüent relació: ∆H = ∆ (U + P*V) = ∆U + P*∆V ( pressió constant)És a dir, el canvi d’entalpia és igual al canvi d’energia interna més el producte de lapressió pel canvi de volum.Podem entendre millor el canvi d’entalpia, ja que si recordem ∆U = q + W i que eltreball involucrat en l’expansió o compressió de gasos és W = - P * ∆V, si en l’equaciósubstituïm –W per P*∆V i q + W per ∆U, tenim: ∆H =∆U + P*∆V =(q +W) – W = qAixí el canvi d’entalpia és igual a la calor guanyada o perduda a pressió constant. Com qés pot mesurar o calcular fàcilment, i com molts del canvis físics ocorren a pressióconstant, l’entalpia és una funció més útil que la energia interna. En la majoria de lesreaccions, la diferencia entre ∆H i ∆U és petita, perquè P*∆V és petit.Quan ∆H és positiu (és a dir, quan q és positiu) el sistema ha guanyat calor, així ésendotèrmic.Quan ∆H és negatiu (és a dir, quan q és negatiu) el sistema ha perdut calor, així ésexotèrmic, Entorn Entorn Sistema Calor Sistema Calor ∆H > 0 ∆H < 0H. ENERGIA TÈRMICA. CALOR I TEMPERATURAQuan es posen dos cossos en contacte, el cos que és més calent cedeix energia al queés més fred. El cos que és més calent diem que és a més temperatura.La temperatura és una propietat dels cossos, que decideix en quina direcció té lloc latransferència d’energia tèrmica. En aquest sentit diem que és una mesura del nivelltèrmic d’un cos.L’energia que té un cos en funció de la seva temperatura s’anomena energia tèrmica.L’energia tèrmica que es transfereix quan es posen en contacte dos cossos a diferenttemperatura s’anomena calor. Página 7 de 23
  8. 8. L’energia és una cosa que posseeixen els cossos, mentre que la calor és una cosa que estransfereix. És a dir, reservem el nom de calor per designar l’energia tèrmica quan estàsent transferida d’un cos a un altre.  MESURA DE LA TEMPERATURAPer poder mesurar la temperatura dels cossos ens cal una escala de temperatures. Unaescala de temperatura és una sèrie de nombres utilitzats per indicar el nivell tèrmic d’uncos.Al llarg de la història s’han fet servir diverses escales de temperatura. La més utilitzadaha estat l’escala Celsius, coneguda popularment com escala centígrada. Els instrumentsde mesura de la temperatura s’anomenen termòmetres. Al laboratori la temperatura ésnormalment mesurada mitjançant termòmetres de vidre plens de líquid. El bulb contémercuri o alcohol acolorit que es dilata quan la temperatura augmenta, i enconseqüència puja pel tub capil·lar. Aquest tub porta adossada una escala graduada.Els nombres de l’escala no tindrien cap utilitat si no s’arribés a un acord sobre el nivelltèrmic que cada un representa. Així, cal prendre dues temperatures de referència opunts fixos, en relació amb els quals qualsevol temperatura pot ser comparada.A l’escala Celsius aquests punts fixos són: • La temperatura de fusió del gel pur, a la qual se li assigna el valor de 0 graus Celsius (0 ºC). • La temperatura d’ebullició de l’aigua pura, quan bull sota una pressió atmosfèrica de 760 mm Hg, a la qual s’assigna el valor de 100 graus Celsius (100 ºC).Una vegada s’han fixat els punts 0 ºC i 100 ºC en el termòmetre, la resta de l’escalas’obté dividint l’espai entre aquests punts en 100 divisions iguals o graus; d’aquí el nomde graus centígrads. Amb la mateixa altura de grau es pot estendre l’escala per sota de0 ºC i per sobre de 100 ºC.  TEMPERATURA I ENERGIA CINÈTICALes molècules de qualsevol cos són en moviment continu. Com més calent és unobjecte, més gran és l’energia cinètica de les partícules que el constitueixen, és a dir,més ràpidament es mouen.En posar en contacte un cos calent amb un altre de fred, les molècules del cos calent ,en xocar amb les del cos fred, perden energia cinètica, mentre que les del cos fredaugmenten la seva energia cinètica. La transferència de calories finalitza quan lesmolècules de tots dos cossos tenen la mateixa energia cinètica en terme mitjà. Diemaleshores que els cossos tenen la mateixa temperatura. Página 8 de 23
  9. 9. Per tant, la temperatura és una mesura de l’energia cinètica mitjana de les molèculesd’un cos. Un objecte és a major temperatura que una altre si l’energia cinètica mitjanade les seves molècules és més gran.És important no confondre la temperatura d’un cos amb l’energia tèrmica total que téaquest cos. L’aigua bullent que cap en una cullera és a la mateixa temperatura quel’aigua bullent continguda en una olla, però l’energia que podem obtenir de l’aiguabullent de l’olla és més gran que la de la cullera.  EL ZERO ABSOLUT DE TEMPERATURA I L’ESCALA KELVIN DE TEMPERATURACom més baixa és la temperatura d’un cos, més baixa és l’energia cinètica que posseeixen lesseves molècules i més lentament es mouen. Podem esperar que existeixi unatemperatura tan baixa que ja no es produeixi moviment molecular. Aquesta temperaturaexisteix i correspon aproximadament a -273 ºC. Aquesta temperatura s’anomena zeroabsolut, perquè cap cos no pot assolir una temperatura més baixa que aquesta.Una escala que tingui per origen el zero absolut s’anomena escala de temperaturaabsoluta, la més utilitzada és l’escala Kelvin. La unitat de temperatura d’aquesta escalas’anomena kelvin (K), i és la unitat del Sistema Internacional.Cada kelvin de l’escala té la mateixa altura que el grau Celsius (ºC), de manera que laconversió d’una escala a l’altra és molt fàcil (només cal afegir 273 graus a la temperaturaCelsius).A 0 K totes les substàncies són sòlides, i les partícules que les constitueixen nopresenten cap moviment; per tant, la seva energia tèrmica és nul·la; tan mateix, això novol dir que no tinguin energia: l’existència de forces d’atracció entre els àtoms queformen les molècules, o entre les partícules subatòmiques que formen els àtoms,implica que tenen una energia potencial.  LA CAPACITAT CALORÍFICAAlguns cossos són més difícils d’escalfar que altres, és a dir, necessiten absorbir mésenergia que altres per augmentar la seva temperatura un determinat valor. Página 9 de 23
  10. 10. L’energia tèrmica per produir un augment determinat en la temperatura d’un cos depènde tres factors: • La massa de la substància. Cal més energia per escalfar l’aigua continguda en un got que l’aigua continguda en una cullera. Com més gran és la massa, més gran és el nombre de molècules que han d’augmentar de velocitat, i, per tant, més gran és l’energia que s’ha de proporcionar. • El tipus de substància. Per augmentar un determinat valor la temperatura d’1 kg d’aigua cal gairebé dues vegades més energia que per a 1 kg d’alcohol. • L’increment de temperatura. Per a un material determinat, aconseguir un augment de la temperatura de 10 ºC, requereix sempre deu vegades més energia que per un increment d’1 ºC.Els cossos que són capaços d’absorbir més energia que altres sense que la sevatemperatura augmenti molt, diem que tenen una capacitat més gran peremmagatzemar energia tèrmica.D’aquesta capacitat o propietat dels cossos se’n diu capacitat calorífica, i la mesurem Energia tèrmica absorbida pel cosmitjançant la relació: ������������������������������������������������������ ������������������������������í������������������������ = Increment de temperaturaExemple 1: Per elevar la temperatura de 2 kg d’aigua 10 ºC, es necessiten 83.600 J 83600 Jd’energia tèrmica. La capacitat calorífica d’aquesta quantitat d’aigua és: ������������������������������������������������������ ������������������������������í������������������������ = = 8360 J/ºC 10 ºCÉs a dir, calen 8.360 J d’energia per augmentar 1 ºC (1 K) la temperatura de 2 kg d’aigua.Amb tot, aquesta capacitat calorífica depèn de la massa de la substància queconsiderem.Per disposar d’una propietat característica de la substància, hem de dividir la capacitatcalorífica per la massa, i d’aquesta manera obtindrem la que s’anomena capacitatcalorífica específica (c).En el cas de l’aigua, c = ( 8.360 J/ºC) / 2 kg = 4.180 J/(ºC kg)Així doncs, la capacitat calorífica específica ( c ) d’una substància és numèricamentigual a l’energia tèrmica necessària per produir un augment d’1 ºC (1 K) en la massa d’1kg d’aquesta substància.Calors específiques d’algunes substàncies: Página 10 de 23
  11. 11. L’aigua té una capacitat calorífica extraordinàriament alta, el que fa que sigui unasubstància útil per transportar i emmagatzemar energia tèrmica, i també com arefrigerant.Si coneixem la massa d’una substància i la seva capacitat calorífica específica, es potcalcular l’energia tèrmica necessària per produir un augment determinat detemperatura.Si reordenem l’equació de la capacitat calorífica específica,Energia tèrmica transferida = massa x capacitat calorífica específica x increment detemperaturaés a dir, q = m c (T2 – T1 )on q és la calor o energia tèrmica transferida a la substància.La mateixa equació es pot emprar per calcular l’energia tèrmica que una substànciacedeix a una altra quan la seva temperatura disminueix.Exemple 2. Quanta energia tèrmica es necessita per elevar la temperatura de 5,0 kgd’alumini des de 20 ºC fins a 30 ºC? La capacitat calorífica de l’alumini és 900 J/(kg ºC) Q = m c (T2 – T1) = 5,0 x 900 x (30-20) J = 45.000 JUna altra unitat utilitzada per expressar el calor són les calories. L’equivalència entrecalories i joules: 1 cal = 4,18 JLa capacitat calorífica de l’aigua la podem expressar com: 1 cal/(g ºC) o 1.000 cal/(kg ºC) o 4,18 J/(g ºC) o 4.180 J/(kg ºC) Página 11 de 23
  12. 12. I. LA MATÈRIA I ELS SEUS CANVIS D’ESTAT  CANVIS D’ESTATNo sempre que escalfem un sòlid o un líquid augmenta la seva temperatura. Pot succeirque el sòlid es fongui, o que el líquid es vaporitzi, és a dir, que es produeixi un canvid’estat. En tal cas, la temperatura es manté constant.L’energia tèrmica absorbida durant el procés de fusió s’anomena calor latent de fusió,o simplement calor de fusió. “Latent” vol dir “ocult”; l’aigua obtinguda en la fusió delgel té més energia que el gel; tanmateix, aquest augment d’energia no és gens ni micaevident, ja que la temperatura no ha augmentat.El pas de sòlid a líquid significa, a nivell molecular, que les molècules, vencent les forcesd’atracció entre elles, se separen prou per poder canviar de posició, i d’aquesta maneraadquirir l’estructura d’un líquid. Augmentar la seva separació significa augmentar la sevaenergia potencial. Per tant, tota l’energia tèrmica absorbida durant la fusió s’empra perseparar les molècules i augmentar la seva energia potencial, sense que hi hagi cap canvien la seva energia cinètica mitjana. Per aquesta raó, la temperatura es manté constant.També cal energia tèrmica per produir el canvi de líquid a gas. Però els líquids tenen latendència a passar a gas, encara que no els escalfem; extreuen l’energia necessària delsvoltants (evaporació).L’energia tèrmica necessària per convertir una massa determinada de líquid en gass’anomena calor latent de vaporització, o simplement calor de vaporització. Aquestaenergia és l’energia necessària per vèncer les forces d’atracció entre les molècules dellíquid i separar-les fins a distàncies en què les forces són pràcticament nul·les. La calorde vaporització es fa servir, doncs, a augmentar l’energia potencial de les molècules.  LA DILATACIÓTant els sòlids com els líquids i els gasos augmenten el seu volum en augmentar la sevatemperatura, si bé ho fan amb diferent extensió. D’aquest fenomen se’n diu dilataciótèrmica, i la seva existència es deguda a l’augment de separació entre les partículesmotivada per l’augment d’amplitud dels seus moviments. Té importants conseqüènciesa la natura, condiciona l’ús que fem dels materials i dóna lloc a nombroses aplicacions. • La dilatació dels sòlidsEn escalfar un sòlid, les seves partícules vibren amb més energia, i l’amplitud de la sevavibració es fa més gran. En conseqüència, el sòlid s’expandeix lleugerament en totesdireccions. Quan el refredem, s’esdevé justament el contrari. Página 12 de 23
  13. 13. Els sòlids es dilaten poc quan són escalfats, però la força produïda durant l’expansió potser prou gran per ocasionar el trencament d’una biga de formigó o doblegar una barrad’acer. Per això, en els ponts es deixa un espai per l’expansió.Quan un sòlid es dilata ho fa en totes direccions. Tanmateix quan la forma del sòlid esallargada, la dilatació lineal és la més important.L’allargament d’una barra sòlida per a un determinat augment de la temperatura ésdirectament proporcional a la seva longitud i l’augment relatiu de longitud ésproporcional a l’augment de temperatura.Aplicacions:Les barretes d’acer poden ser incloses en les bigues de formigó per reforçar-les ja quetenen el mateix coeficient de dilatació; si la dilatació, en augmentar la temperatura, fosdiferent, l’acer podria trencar el formigó.El vidre pyrex s’utilitza per construir recipients destinats a contenir líquids calents, acausa del seu coeficient de dilatació més baix que el vidre normal. Si tirem aigua bullenten un got de vidre normal, la part interior s’escalfa abans que l’exterior, i enconseqüència es dilata més, creant-se una tensió que pot trencar el got. Si el got és depyrex, és menys probable que es trenqui a causa de la seva menor dilatació.Una làmina bimetàl·lica consisteix en dues lamines de metalls diferents unides al llargde tota la seva longitud. Pot ser de llautó (aliatge de coure i zinc) i d’invar (un aliatged’acer i níquel); la làmina de llautó es dilata aproximadament 20 vegades més que lalàmina d’invar. Quan augmenta la temperatura, la major dilatació de la làmina de llautófa que la làmina bimetàl·lica es doblegui, deixant d’invar a la part interior. En canvi, quandisminueix la temperatura, és la lamina de llautó la que es contreu més, i la làminabimetàl·lica es doblega deixant el llautó a l’interior.La làmina bimetàl·lica té moltes aplicacions. S’utilitza, entre altres coses, com atermòmetre i com a termòstat. Els termòmetres bimetàl·lics consisteixen en una làminabimetàl·lica en forma d’espiral. Un extrem de l’espiral s’uneix a una agulla que es potmoure sobre una escala graduada en °C; l’altreextrem és fix. Quan la temperatura augmenta,l’espiral bimetàl·lica s’enrotlla encara més sobre simateixa, i l’agulla es mou sobre l’escala. Elstermòmetres bimetàl·lics no són tan exactes com elsaltres tipus de termòmetre, però són més robustos imés fàcils de llegir.Els termòstats són dispositius que controlen la Página 13 de 23
  14. 14. temperatura. S’utilitzen en els escalfadors d’immersió, en els forns, en els refrigeradors ien les estufes. N’hi ha de diferents tipus, però els formats per una làmina bimetàl·licasón els més comuns.En el termòstat que controla una estufa elèctrica, quan la temperatura de l’habitaciópuja, la làmina bimetàl·lica es doblega més, i els contactes elèctrics queden separats, laqual cosa significa que l’estufa es desconnecta. Quan la temperatura de l’habitacióbaixa, la làmina bimetàl·lica disminueix la seva curvatura, s’estableix de nou el contacteelèctric i l’estufa torna a funcionar. • La dilatació dels líquidsIgual que els sòlids, els líquids es dilaten quan són escalfats, si bé hi ha excepcions. En elcas dels líquids és l’augment de volum el que s’ha de considerar; és impossible mesuraruna dilatació lineal, ja que els líquids no tenen una forma fixa.En general, els líquids es dilaten més que els sòlids. El mercuri, per exemple, es dilataaproximadament cinc vegades més que l’acer.La dilatació dels líquids és el fonament dels termòmetres, tant dels de mercuri com delsd’alcohol. Sempre que un líquid s’emmagatzema en un recipient tancat, s’ha de deixarun espai lliure en previsió de la dilatació que es pugui produir. Els circuits tancats per al’aigua del radiador dels cotxes tenen una cambra d’expansió.A diferència de la majoria dels líquids, l’aigua no sempre es dilata quan s’escalfa, ni escontreu quan es refreda. Aquest comportament anòmal de l’aigua té lloc entre els 0 ºC iels 4 ºC. Quan l’aigua a 0 ºC, s’escalfa, el seu volum disminueix lleugerament fins als 4ºC. A partir dels 4 ºC, l’aigua va augmentant de volum a mesura que la temperaturaaugmenta. Així doncs, als 4 ºC el volum es mínim, per tant, la densitat és màxima.L’anòmala contracció de l’aigua té com a conseqüència que l’aigua del fons d’un estanygelat es pot trobar a 4 ºC, mentre que la superfície és gelada. • Dilatació dels gasosS’ha de considerar com varia la pressió, a més del volum, en variar la temperatura. Lapressió, el volum i la temperatura d’una determinada massa de gas estan relacionats, demanera que la variació en un d’aquests factors sempre produeix una variació almenys enun dels altres.Relació entre la pressió i la temperatura d’un gas (mantenint el volum constant).En augmentar la temperatura, augmenta la velocitat de les molècules del gas, per tant,quan xoquen produeixen una força més gran i xoquen més vegades sobre la superfícieen el mateix interval de temps. Com a resultat de tots dos factors la pressió augmenta. Página 14 de 23
  15. 15. La pressió d’una massa fixa de gas és directament proporcional a la temperaturaabsoluta, sempre que el volum del gas es mantingui constant. p / T = constant (V constant)Relació entre el volum i la temperatura (mantenint la pressió constant)Si el gas es troba tancat en un recipient de parets elàstiques o bé una de les sevesparets és mòbil, en augmentar la temperatura el que passarà és que la paret elàstica omòbil es desplaçarà com a conseqüència dels impactes més forts de les molècules, i perconsegüent el volum augmentarà.El volum d’una massa fixa de gas és directament proporcional a la temperatura absoluta,sempre que la pressió del gas es mantingui constant. V / T = constant ( p constant) Llei de Charles i Gay-LussacHi ha altres lleis que ens poden ajudar a interpretar el comportament dels gasos.Aquestes lleis són:Relació entre la pressió i el volum (mantenint la temperatura constant)Aquesta relació es coneix com la Llei de Boyle-Mariotte, i diu: si la temperatura d’un gases manté constant, la pressió exercida pel gas varia inversament amb el volum. p·V = constant (T constant)Llei d’Avogadro.Volums iguals de gasos diferents, en les mateixes condicions de pressió i temperatura,contindran el mateix nombre de partícules (molècules o àtoms), n.Com a conseqüència d’aquesta llei, en condicions normals (273 K i 1 atm), un mol dequalsevol gas ocupa 22,4 litres.Equació d’estat dels gasos ideals.Es tracta d’una llei general per als gasos ideals, però que es compleix amb forçaexactitud a baixes pressions en els gasos reals. pV=nRTp: pressió; V: volum; n: número de mols; T:temperatura (K); R: constant dels gasos ideals,8,314 J/mol·K, en SI, o 0,082 atm·l/mol·KLlei de Dalton.La pressió total és la suma de les pressions parcials dels components individuals d’unamescla gasosa. pt = ∑pi Página 15 de 23
  16. 16. 1.2 COMBUSTIÓA. INTRODUCCIÓLa principal font de calor a la indústria és la combustió de gas natural, petroli oproductes derivats d’aquests. Aquestes fonts, junt amb el carbó, constitueixen el 85 %de les fonts energètiques a Europa. Altres fonts d’energia són la solar (d’ús creixent enles aplicacions per aigua sanitària), les d’origen eòlic, les de biomassa i el biogàs.La combustió és una reacció química que consisteix en la combinació de la substànciacombustible amb l’oxigen (que pot ser pur o be formant part de l’aire) amb produccióde calor i formació d’una massa de gasos incandescents, que és la flama. Combustible + x O2 → y CO2 + z H2O + QL’agent portador d’oxigen rep el nom de comburent. L’aire és el comburent méshabitual.La reacció es produeix de forma controlada en uns dispositius anomenats cremadorsque es dissenyen per una amplia gama de potències i per la combustió d’uncombustible determinat.Aquesta forma de disposar d’energia pot ser molt eficient, i va en funció del tipusd’aparell usat on es realitza la combustió: forns, calderes, càmeres de combustió, peròtot i ser molt eficient no està exempta de problemes, ja que com a resultat de lacombustió es poden produir substàncies nocives i contaminants, que s’han d’eliminar ominimitzar-ne les concentracions per a que no siguin perjudicials.El procés de combustió dóna lloc als gasos de combustió què, en el cas ideal d’empraraire pur i una combustió perfecta són CO2 (efecte hivernacle) i H2O(vapor).Generalment també trobem en els gasos de combustió el nitrogen que acompanya al’oxigen de l’aire, més oxigen, ja que per assegurar una combustió completa s’utilitzaaire en excés.El nitrogen absorbeix calor de la combustió per escalfar-se a la temperatura decombustió, restant eficàcia al procés. Aquesta eficàcia es pot augmentar de formasignificativa amb l’ús de sistemes de recuperació de calor (economitzadors orecuperadors) que pre-escalfen l’aire fins a una temperatura propera a la dels fums,estalviant així combustible.Si la combustió es incomplerta, es genera monòxid de carboni (CO) en lloc de CO2. ElCO a altes concentracions té un aspecte de fum negre, i és combustible. Així, perexemple, en un incendi, quan el foc es troba localitzat en una habitació, es recomanabletancar portes i finestres per extingir el foc per falta d’oxigen; en aquest cas la falta Página 16 de 23
  17. 17. d’oxigen fa que es generi molt CO de manera que no convé obrir portes i finestresperquè al fer-ho tot el CO calent contingut es combinaria ràpidament amb l’oxigen del’aire i pot arribar a produir una deflagració o inclús una explosió.En primer lloc parlarem de les propietats dels combustibles, principalment líquids igasosos que han substituït al carbó (combustible sòlid).B. CLASSIFICACIÓ DELS COMBUSTIBLESSegons l’estat: • Sòlids. Els carbons (antracita, hulles, lignit, turba), el coc, la fusta • Líquids. Els principals combustibles líquids deriven del petroli. El petroli és una mescla complexa d’hidrocarburs amb un ampli interval de pesos moleculars. Els més emprats són el gasoil industrial (tipus C, ja que els tipus A i B són per automoció) i el fueloil. El gasoil té un interval d’ebullició comprés entre els 250 ºC i els 350 ºC, es recomana com a combustible en calderes i cremadors per la seva baixa viscositat, alt poder calorífic i baix contingut de cendres. El fueloil té un interval d’ebullició entre 350 i 500 ºC i a diferència del gasoil s’ha de pre-escalfar perquè la seva viscositat sigui l’adequada i es pugui alimentar el cremador. • Gasosos Els més emprats són el gas natural i el propà. En l’àmbit industrial el primer és el més emprat. El gas natural està format per hidrocarburs amb punt d’ebullició molt baix. El gas natural conegut com “amarg” conté H2S, i el “dolç” no conté “H2S”.Segons el seu estat natural: • Combustibles naturals: es troben a la natura i abans del seu ús només s’hi efectuen tractaments mecànics o físics: Carbó (mòlta, rentat, assecat), Petroli (destil·lació), Gas natural (depuració), Fusta. • Combustibles manufacturats: Obtinguts mitjançant tractament químic dels anteriors: Gas de gasogen, coc, carbó vegetal …Segons origen: • Combustible fòssil: prové de restes orgàniques vegetals i animals i s’extrau de la natura. Combustibles fòssils són el carbó, el petroli i es gas natural. El petroli és combustible, però no s’usa directament com un combustible, sinó que és matèria primera per a l’obtenció de combustibles, com els GLP (gasos liquats procedents del petroli). • Combustibles no fòssils: Han de fabricar-se en factories, és el gas de l’alcohol, el gas manufacturat o l’hidrogen. Página 17 de 23
  18. 18. C. PROPIETATSLes propietats més característiques d’un combustible són: • La composició • El poder calorífic • La viscositat • Límits d’inflamabilitat • El punt d’inflamabilitat • La temperatura de combustió • La densitat • El contingut en sofre • Alguns paràmetres relacionats amb el balanç de masses de la combustió estequiomètrica: Relació aire-combustible, relació fums-combustible • Índex de Bacharach dels fums • Índex de WobbeC.1. ComposicióLa composició d’un combustible és essencial per a poder determinar els paràmetrescaracterístics estequiomètrics de la reacció de combustió: a més, la composició diu si ésapte en funció de la presència de determinats components que puguin tenirimportància en la contaminació.La forma habitual d’indicar la composició d’un gas es fa amb percentatge de volum decadascun dels components , en condicions normals. L’expressió en tant per un equival ala fracció molar. Els components més habituals d’un combustible gasos són hidrocarbursCnHm, CO2, CO, H2, O2, N2, SO2, SH2, H2O.Si es tracta d’un combustible líquid o sòlid, la forma més habitual d’indicar lacomposició consisteix en donar la quantitat de carboni, hidrogen, sofre, nitrogen,oxigen, aigua i cendres, en massa referida a 1 Kg de combustible.C.2. Poder caloríficEl poder calorífic d’un combustible és la quantitat d’energia despresa en la reacció decombustió, referida a una unitat de combustible (kg, kmol, Nm3). Hi ha diversesdefinicions especifiques depenent de si el vapor d’aigua present en els fums quedafinalment en estat líquid.PCS: Poder Calorífic Superior. Quantitat de calor que es desprèn en la reacció decombustió completa de la unitat de combustible dessecat, amb l’aigua dels fums enforma líquida a 0 ºC i 1 atm.(PCS)h: definició igual que l’anterior amb la unitat de combustible sense dessecar. Página 18 de 23
  19. 19. PCI: Poder Calorífic Inferior. És la quantitat de calor que es desprèn en la reacció decombustió completa d’un combustible dessecat, amb l’aigua dels fums en estat vapor.(PCI)h: definició igual a l’anterior amb la unitat de combustible sense dessecar.Per a determinar el poder calorífic s’utilitzen diferents expressions, que donen el valoramb suficient aproximació. El seu valor es dona en kJ/Nm3 combustible dessecat.C.3. ViscositatLa viscositat té gran importància en els combustibles líquids a efectesd’emmagatzematge i transport. La determinació és experimental i els valors típics estroben tabulats per als diferents combustibles industrials líquids. Existeix legislacióespecífica sobre els valors de viscositat màxima cinemàtica en mm2/s permesos per acombustibles industrials líquids.C.4. DensitatLa densitat relativa té molta importància pel fet que determina si el gas s’acumula en elsostre o en el sòl, en cas d’una fuga en un local tancat. Página 19 de 23
  20. 20. Per als combustibles líquids, només de forma aproximada, es pot emprar l’expressióempírica:ϼ= 250 + 9,13 mC/mH (en kg/m3 a 15 º C)on mC i mH són les masses respectives de carboni i hidrogen.C.5. Propietats relatives a la inflamacióLÍMITS D’INFLAMABILITATAquesta propietat fa referència als combustibles gasosos; estableix la proporció de gas iaire necessària per a que es produeixi la combustió, mitjançant un límit superior i uninferior.Es denominen, llavors, “límits d’inflamabilitat” a les composicions volumètriques en % degas a l’aire entre les que, a pressió i temperatura ambient, la mescla és inflamable enunes condiciones d’assaig determinades i amb la substància pura. Amb percentatgesper sota del “límit inferior d’inflamabilitat” o superiors al “límit superior d’inflamabilitat”no és possible mantenir la combustió. Es defineix així l’anomenat “domini/intervald’inflamabilitat” com l’interval de composicions compreses entre ambdós límits, i on pertant sí es inflamable. Per a determinar-se els límits d’inflamabilitat d’una barreja degasos, es pot emprar l’equació de Le Chatelier-Coward.Els gasos més fàcilment inflamables són l’hidrogen i l’acetilè.S’ha de tenir en compte que els límits depenen de multitud de paràmetres, com perexemple l’energia de la font d’ignició, el contingut d’humitat, la presència de gasoscombustibles o pols combustibles en suspensió (anomenades mescles híbrides i quenormalment presenten una explosivitat més acusada que els límits de les substànciespures independentment).PUNT D’INFLAMACIÓ I TEMPERATURA DE COMBUSTIÓEs coneix com a punt de flama la temperatura a la que el combustible produeix suficientquantitat de vapors per a que la mescla d’aquests amb l’aire sigui capaç d’inflamar-se alcontacte amb una flama pilot. La combustió que se produeix és efímera i desapareixquan es retira la flama pilotSi la combustió es dóna de forma espontània, sense flama pilot, tenim el puntd’inflamació. Per a que es doni la reacció de combustió, la barreja de combustible icomburent deu assolir una temperatura mínima necessària, que rep el nom de puntd’inflamació. Una vegada iniciada la combustió, el calor romandrà la temperatura per Página 20 de 23
  21. 21. damunt de la d’inflamació, i la reacció continuarà fins a esgotar-se el combustible o elcomburent.No es pot emmagatzemar un producte a una temperatura superior al seu puntd’inflamació, essent els valors més usuals per als combustibles industrials, 65 – 70 ºC.També és important la temperatura de combustió o de flama màxima que s’assoleix a lacombustió. A la bibliografia específica aquests valors es troben tabulats:Exemple: BUTÀ Temperatura d’Inflamació Temperatura de combustió en aire 420 ºC 1960 ºC en oxigen 280 ºC 2790 ºCC.6. Contingut en sofreEl contingut de sofre que poden tenir els combustibles és important, ja que determina laquantitat de SO2 que apareixerà als fums com a resultat de la combustió. El SO2 s’oxidalentament a SO3. Aquest òxid és el responsable de les anomenades pluges àcides.La presència de diòxid de sofre comporta que la temperatura dels gasos de combustióno pugui baixar de 170 ºC, ja que per sota d’aquesta temperatura pot condensar, sentmolt corrosiu.Una forma d’evitar la formació del triòxid de sofre és controlar l’excés d’aire, aixís’estableix el mínim excés d’aire.C.7. Índex de Bacharach dels fumsSi la combustió es fa amb menys aire del que és necessari, es produeixen “incremats”,entre ells sutge. Aquest està constituït per partícules sòlides de carboni que es dipositensobre les superfícies per les quals circulen els gasos de la combustió. Això provocainconvenients, com la disminució del coeficient de transmissió global de calor. Els fumscedeixen menys entalpia i el rendiment de la combustió disminueix.A l’augmentar la quantitat de partícules sòlides, la opacitat dels fums augmenta; per adeterminar aquesta opacitat, s’ha establert l’índex de Bacharach: es basa enl’enfosquiment d’un paper de filtre al pas de través seu d’una corrent de gasos decombustió, extreta mitjançant una bomba manual, i en la comparació del color d’aquestfiltre amb una escala d’intensitats de color que varia des del 0, que és blanc fins al 9 queés negre. Fonamentalment, s’empra des del punt de vista de la contaminacióatmosfèrica.C.8. Índex de Wobbe i potencial de combustió Página 21 de 23
  22. 22. La reacció de combustió d’un gas combustible es fa en un dispositiu anomenatcremador que gradua convenientment el cabal de gas i d’aire, per a una combustiócorrecta.De vegades és convenient plantejar-se la necessitat d’usar un gas diferent al que s’haviausat en el cremador; aquesta operació d’intercanvi no sempre és possible, si no s’ajustenalguns elements del cremador. Per a determinar si és possible intercanviar un gas per unaltre, s’usen uns índex empírics: Índex de Wobbe i Potencial de combustió.El possible intercanvi generalment es planteja en barreges de butà i propà amb aire, pera substituir gasos de la primera i segona família, per tant aquests índexs s’aplicaran alsgasos de la primera i segona família, així com a les barreges d’aire butanat i propanat.CLASSIFICACIÓ DELS GASOS COMBUSTIBLESEn funció del valor de W (Wobbe), els gasos es classifiquen en tres famílies (a la taula dela pàgina següent a més es recullen les principals característiques). del d’inflamabili Component MJ/m3 (n) Observació Odoritzant Índex de Densitat kWh/m3 kWh/kg Wobbe PCS en PCS en volum massa principalFamília Límits Nom Gas tat Gas1ra. Metà+H Tòxic, en 19,13 a manufac <1 5,23 ------- 6 a 45Família 2+CO desús 27,64 turat2da. Gas 39,1 a Tetrahidro Metà No tòxic <1 12,2 ------- 5 a 15Família Natural 54,7 tiofè Inodor Incolor3ra. 72,9 a GLP Propà No tòxic >1 27,29 14,0 2,4 a 9,5 MercaptàFamília 87,3 Inodor Incolor Butà No tòxic 1 36,0 13,95 1,8 a 8,4 Mercaptà Inodor Incolor La primera família inclou els gasos manufacturats, gas de coqueria i mescles hidrocarburs-aire (aire propanat i aire metanat) de baix poder calorífic (entre 4,65 i 5,5 kWh/m3(n). Actualment està en desús. La segona família inclou els gasos naturals, gas natural sintètic i les mescles hidrocarbur-aire (aire propanat) d’alt poder calorífic (entre 9,3 i 14 kWh/m3(n)). Página 22 de 23
  23. 23.  La tercera família inclou els gasos liquats del petroli (GLP): propà i butà, amb PCS entre 27,9 i 36 kWh/m3(n). Les pressions d’ús normal en els artefactes segons les famílies del gas són les següents: − 1ª Família: de 6 a 12 mbar. − 2ª Família: de 17 a 22 mbar. − 3ª Família: Butà (20-28 mbar); Propà (25-37 mbar); Butà/Propà (25-37 mbar)ÍNDEX DE WOBBEEs representa amb la lletra W i es defineix a partir de la expressió: W=PCS/ (ϼ)½On ρ és la densitat relativa del gas respecte a l’aire en les mateixes condicions. Com elsgasos es poden intercanviar lliurement, han de tenir entre altres requisits, el mateixíndex de Wobbe, així tindran la mateixa potència en el cremador.En càlculs molt precisos, s’usa un índex corregit mitjançant factors que tenen en comptela viscositat, usant els 2 factors K1 i K2 W ’ = W* K1 *K2Per a obtenir els valors d’aquests factors s’usaran els gràfics corresponents.POTENCIAL DE COMBUSTIÓEl potencial de combustió o índex de Delbourg és un índex relacionat amb la velocitatde combustió del gas, té diferents expressions per a les diferents famílies de gasos.Es calcula en funció de la composició del gas amb ajuda d’expressions empíriquesestablertes per mitjans experimentals. La seva expressió ve donada per: C = u (vH2 + 0.3 vCH4 0.7 v CO + V v CnHm)/ρron:vH2, vCO, vCH4, vCnHm = % en volum present en el combustible.u,V = paràmetres que depenen del tipus d’hidrocarburs presents en la composició,contingut en oxigen i hidrogen.Els valors de “V” i “u” es dedueixen mitjançant unes gràfiques corresponents als gasosde la primera i segona família. Página 23 de 23

×