1. UF1. GENERACIÓ I DISTRIBUCIÓ DE L’ENERGIA
1.1 PRINCIPIS ENERGÈTICS
A. QUÈ ÉS L’ENERGIA?
L’energia és la capacitat d’un sistema físic per produir treball, però també és allò que fa
possible la vida dels éssers vivents.
A partir d’Einstein, sabem que la matèria i l’energia formen part de la mateixa realitat:
E = m · c2
L’energia se’ns presenta de formes diferents i no totes elles igualment aprofitables. La
més bàsica i fonamental és la que consumim mitjançant les vies metabòliques de la
fotosíntesi de plantes verdes i de l’alimentació, gràcies a la qual en nostre organisme
viu. Però com no és suficient l’energia corporal per a modificar a la nostra conveniència
el món en que vivim, fem ús de les formes externes d’energia, per això ens hem dotat
de la tecnologia.
La importància de l’energia és cabdal, és qui ens permet fer coses i portar la vida a la
que actualment estem acostumats.
 PRINCIPI DE CONSERVACIÓ DE L’ENERGIA
L’energia no s’exhaureix ni es consumeix, només es transforma. Això podria fer pensar
que 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 no
disponible, la suma de les quals és constant.
B. FORMES D’ENERGIA
Podem 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’energia
calorífica associada a la temperatura, energia química associada a la composició.
Les principals formes d’energia són:
Página 1 de 23

2. • Energia mecànica
• Energia química
• Energia calorífica
• Energia atòmica o nuclear
• Energia radiant o electromagnètica
 IMPACTE AMBIENTAL
El consum actual d’aquestes energies crea un impacte ambiental, és per això que
actualment es cerquen energies alternatives i les indústries s’adapten als problemes
ambientals 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 residus
Qualsevol activitat humana, en base a aquestes funcions, exerceix sobre el medi una
alteració que anomenem impacte ambiental.
El medi ambient sempre ha tingut mecanismes (autodepuració, efecte dispersant…) que
han fet que sigui capaç d’enfrontar-se als problemes de contaminació, donant-se així un
equilibri ecològic.
Però ara mateix la contaminació desestabilitza la situació d’equilibri fent moltes vegades
que sigui irreversible degut a una alta concentració en el temps i en l’espai de certs
contaminants i efectes.
Front a aquesta situació i preocupació la legislació ha anat augmentant fixant límits més
restrictius i aconsellant les millors tècniques disponibles o tecnologies netes.
C. RECURSOS ENERGÈTICS.
 CONSUM D’ENERGIA
El sistema energètic actual és intensiu en contaminació, sobreexplotació de recursos i
centralització del poder.
La correcció d’aquests efectes suposaria beneficis externs que mai es tenen en compte a
l’hora d’avaluar el veritable preu de l’energia que consumim.
Página 2 de 23

3. En canvi, una estructura energètica sostenible s’hauria de basar en un sistema intensiu
de generació del treball, respecte mediambiental, descentralització de la generació
energètica, aprofitant els recursos endògens i diversificats pel planeta.
La dependència d’una única font energètica té riscos econòmics. La diversificació i
l’aprofitament racional dels recursos genera economies més estables, sòlides i menys
dependents.
Anomenem energia primària a la que s’obté de les fonts d’origen sense sofrir cap
transformació intermèdia.
 ÚS ACTUAL DE L’ENERGIA
Les fonts d’energia primària: carbó, gas, petroli, nuclear i la resta, renovables o no s’usen
per a l’obtenció de treball i calor.
A partir de les diferents fonts d’energia es pot obtenir electricitat, que és quasi sempre
un 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 de
combustibles fòssils (gas natural (17%), carbó (25 %), petroli (36 %)). La restant ve de la
hidroelèctrica, nuclear i també cal destacar com a noves alternatives: combustió de fusta
o biomassa, combustió de residus sòlids urbans, geotèrmica, biogàs, eòlica, solar
tèrmica i solar fotovoltaica…
Però l’actual sistema energètic es basa fonamentalment en el consum del carbó, petroli i
gas natural.
D. SISTEMES I ENTORNS
Per a poder estudiar la transferència energètica necessitem enfocar la nostra atenció en
una 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+D
Els reactius i els productes formarien part del sistema, mentre que el recipient en el qual
transcorre 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. 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 +q
L’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 TERMODINÀMICA
Hem 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 la
termodinàmica, 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.  ENERGIA INTERNA (U)
A l’energia d’un sistema l’anomenen energia interna. L’energia interna és la suma de
totes les energies cinètica i potencial d’un sistema. Es representa amb la lletra U.
-Moviments de les molècules a l’espai
Energia interna (U) -Rotacions
-Vibracions internes
-Energia del nucli dels àtoms i dels electrons components
Així 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 sistema
allibera energia cap a l’entorn.
Ef < Ei ; ∆U < 0
Si l’estat d’energia inicial és menor que l’estat d’energia final, diem que el sistema
guanya o rep energia des de l’entorn cap al sistema.
Ef > Ei ; ∆U > 0
Si ens centrem en una reacció química com a sistema, l’estat inicial són els reactius i
l’estat final són els productes.
 RELACIÓ ENTRE ∆U, Q, W
L’energia interna d’un sistema canvia quan s’agrega o s’extreu calor, o quan realitzem
un treball sobre el sistema o quan aquest realitza treball.
Si augmenta l’energia : ∆U > 0
Si disminueix l’energia: ∆U < 0
El signe ve donat pel calor cedit o alliberat del sistema q o pel treball fet per o sobre el
sistema W.
∆U = q + W
SISTEMA
q > 0
∆U > 0
W > 0
Página 5 de 23

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 EXOTÈRMICS
Quan es porta a terme un procés on el sistema absorbeix calor, el procés és coneix com
endotèrmic. Durant un procés endotèrmic, com la fusió del gel, el calor flueix cap a
dintre del sistema des del seu entorn. Si nosaltres, com a part de l’entorn, toquem el
recipient on s’està fonent el gel, sentim fred perquè el calor ha passat de les nostres
mans cap al recipient.
Un procés on el sistema perd calor, es coneix com exotèrmic. Durant un procés
exotèrmic, com la combustió de la benzina, la calor surt o flueix cap a fora del sistema,
és a dir, cap a l’entorn.
G. ENTALPIA
El 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 treball
pressió-volum ve donat per:
W = - P * ∆V
P 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 és
una quantitat positiva, i W és una quantitat negativa. És a dir, l’energia abandona el
sistema en forma de treball, indicant que es tracta de treball realitzat pel sistema sobre
l’entorn. Per altra part, quan es comprimeix un gas, ∆V és una quantitat negativa (el
volum disminueix), fent que W sigui una quantitat positiva. És a dir, l’energia entra al
sistema 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 processos
que 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 de
la pressió i el volum del sistema:
H = U + P*V
Página 6 de 23

7. L’entalpia és una funció d’estat, ja que l’energia interna, la pressió i el volum també ho
són.
Quan ocorre un canvi a pressió constant, el canvi d’entalpia, ∆H, està donat per la
següent 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 la
pressió pel canvi de volum.
Podem entendre millor el canvi d’entalpia, ja que si recordem ∆U = q + W i que el
treball involucrat en l’expansió o compressió de gasos és W = - P * ∆V, si en l’equació
substituïm –W per P*∆V i q + W per ∆U, tenim:
∆H =∆U + P*∆V =(q +W) – W = q
Així el canvi d’entalpia és igual a la calor guanyada o perduda a pressió constant. Com q
és pot mesurar o calcular fàcilment, i com molts del canvis físics ocorren a pressió
constant, l’entalpia és una funció més útil que la energia interna. En la majoria de les
reaccions, 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 és
endotèrmic.
Quan ∆H és negatiu (és a dir, quan q és negatiu) el sistema ha perdut calor, així és
exotèrmic,
Entorn Entorn
Sistema Calor Sistema
Calor
∆H > 0 ∆H < 0
H. ENERGIA TÈRMICA. CALOR I TEMPERATURA
Quan es posen dos cossos en contacte, el cos que és més calent cedeix energia al que
és 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 la
transferència d’energia tèrmica. En aquest sentit diem que és una mesura del nivell
tèrmic 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 diferent
temperatura s’anomena calor.
Página 7 de 23

8. L’energia és una cosa que posseeixen els cossos, mentre que la calor és una cosa que es
transfereix. És a dir, reservem el nom de calor per designar l’energia tèrmica quan està
sent transferida d’un cos a un altre.
 MESURA DE LA TEMPERATURA
Per poder mesurar la temperatura dels cossos ens cal una escala de temperatures. Una
escala de temperatura és una sèrie de nombres utilitzats per indicar el nivell tèrmic d’un
cos.
Al llarg de la història s’han fet servir diverses escales de temperatura. La més utilitzada
ha estat l’escala Celsius, coneguda popularment com escala centígrada. Els instruments
de mesura de la temperatura s’anomenen termòmetres. Al laboratori la temperatura és
normalment mesurada mitjançant termòmetres de vidre plens de líquid. El bulb conté
mercuri o alcohol acolorit que es dilata quan la temperatura augmenta, i en
conseqüència 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 nivell
tèrmic que cada un representa. Així, cal prendre dues temperatures de referència o
punts 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’escala
s’obté dividint l’espai entre aquests punts en 100 divisions iguals o graus; d’aquí el nom
de graus centígrads. Amb la mateixa altura de grau es pot estendre l’escala per sota de
0 ºC i per sobre de 100 ºC.
 TEMPERATURA I ENERGIA CINÈTICA
Les molècules de qualsevol cos són en moviment continu. Com més calent és un
objecte, 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 fred
augmenten la seva energia cinètica. La transferència de calories finalitza quan les
molècules de tots dos cossos tenen la mateixa energia cinètica en terme mitjà. Diem
aleshores que els cossos tenen la mateixa temperatura.
Página 8 de 23

9. Per tant, la temperatura és una mesura de l’energia cinètica mitjana de les molècules
d’un cos. Un objecte és a major temperatura que una altre si l’energia cinètica mitjana
de les seves molècules és més gran.
És important no confondre la temperatura d’un cos amb l’energia tèrmica total que té
aquest cos. L’aigua bullent que cap en una cullera és a la mateixa temperatura que
l’aigua bullent continguda en una olla, però l’energia que podem obtenir de l’aigua
bullent de l’olla és més gran que la de la cullera.
 EL ZERO ABSOLUT DE TEMPERATURA I L’ESCALA KELVIN DE TEMPERATURA
Com més baixa és la temperatura d’un cos, més baixa és l’energia cinètica que posseeixen les
seves molècules i més lentament es mouen. Podem esperar que existeixi una
temperatura tan baixa que ja no es produeixi moviment molecular. Aquesta temperatura
existeix i correspon aproximadament a -273 ºC. Aquesta temperatura s’anomena zero
absolut, 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 temperatura
absoluta, la més utilitzada és l’escala Kelvin. La unitat de temperatura d’aquesta escala
s’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 la
conversió d’una escala a l’altra és molt fàcil (només cal afegir 273 graus a la temperatura
Celsius).
A 0 K totes les substàncies són sòlides, i les partícules que les constitueixen no
presenten cap moviment; per tant, la seva energia tèrmica és nul·la; tan mateix, això no
vol dir que no tinguin energia: l’existència de forces d’atracció entre els àtoms que
formen les molècules, o entre les partícules subatòmiques que formen els àtoms,
implica que tenen una energia potencial.
 LA CAPACITAT CALORÍFICA
Alguns cossos són més difícils d’escalfar que altres, és a dir, necessiten absorbir més
energia que altres per augmentar la seva temperatura un determinat valor.
Página 9 de 23

10. L’energia tèrmica per produir un augment determinat en la temperatura d’un cos depèn
de 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 seva
temperatura augmenti molt, diem que tenen una capacitat més gran per
emmagatzemar energia tèrmica.
D’aquesta capacitat o propietat dels cossos se’n diu capacitat calorífica, i la mesurem
Energia tèrmica absorbida pel cos
mitjançant la relació:
������������������������������������������������������ ����������������������������������������������������� =
Increment de temperatura
Exemple 1: Per elevar la temperatura de 2 kg d’aigua 10 ºC, es necessiten 83.600 J
83600 J
d’energia tèrmica. La capacitat calorífica d’aquesta quantitat d’aigua és:
������������������������������������������������������ ������������������������������í������������������������ = = 8360 J/ºC
10 ºC
És 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 que
considerem.
Per disposar d’una propietat característica de la substància, hem de dividir la capacitat
calorífica per la massa, i d’aquesta manera obtindrem la que s’anomena capacitat
calorífica 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 numèricament
igual a l’energia tèrmica necessària per produir un augment d’1 ºC (1 K) en la massa d’1
kg d’aquesta substància.
Calors específiques d’algunes substàncies:
Página 10 de 23

11. L’aigua té una capacitat calorífica extraordinàriament alta, el que fa que sigui una
substància útil per transportar i emmagatzemar energia tèrmica, i també com a
refrigerant.
Si coneixem la massa d’una substància i la seva capacitat calorífica específica, es pot
calcular l’energia tèrmica necessària per produir un augment determinat de
temperatura.
Si reordenem l’equació de la capacitat calorífica específica,
Energia tèrmica transferida = massa x capacitat calorífica específica x increment de
temperatura
és 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 substància
cedeix a una altra quan la seva temperatura disminueix.
Exemple 2. Quanta energia tèrmica es necessita per elevar la temperatura de 5,0 kg
d’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 J
Una altra unitat utilitzada per expressar el calor són les calories. L’equivalència entre
calories i joules:
1 cal = 4,18 J
La 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. I. LA MATÈRIA I ELS SEUS CANVIS D’ESTAT
 CANVIS D’ESTAT
No sempre que escalfem un sòlid o un líquid augmenta la seva temperatura. Pot succeir
que el sòlid es fongui, o que el líquid es vaporitzi, és a dir, que es produeixi un canvi
d’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 del
gel té més energia que el gel; tanmateix, aquest augment d’energia no és gens ni mica
evident, ja que la temperatura no ha augmentat.
El pas de sòlid a líquid significa, a nivell molecular, que les molècules, vencent les forces
d’atracció entre elles, se separen prou per poder canviar de posició, i d’aquesta manera
adquirir l’estructura d’un líquid. Augmentar la seva separació significa augmentar la seva
energia potencial. Per tant, tota l’energia tèrmica absorbida durant la fusió s’empra per
separar les molècules i augmentar la seva energia potencial, sense que hi hagi cap canvi
en 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 la
tendència a passar a gas, encara que no els escalfem; extreuen l’energia necessària dels
voltants (evaporació).
L’energia tèrmica necessària per convertir una massa determinada de líquid en gas
s’anomena calor latent de vaporització, o simplement calor de vaporització. Aquesta
energia és l’energia necessària per vèncer les forces d’atracció entre les molècules del
líquid i separar-les fins a distàncies en què les forces són pràcticament nul·les. La calor
de vaporització es fa servir, doncs, a augmentar l’energia potencial de les molècules.
 LA DILATACIÓ
Tant els sòlids com els líquids i els gasos augmenten el seu volum en augmentar la seva
temperatura, si bé ho fan amb diferent extensió. D’aquest fenomen se’n diu dilatació
tèrmica, i la seva existència es deguda a l’augment de separació entre les partícules
motivada per l’augment d’amplitud dels seus moviments. Té importants conseqüències
a la natura, condiciona l’ús que fem dels materials i dóna lloc a nombroses aplicacions.
• La dilatació dels sòlids
En escalfar un sòlid, les seves partícules vibren amb més energia, i l’amplitud de la seva
vibració es fa més gran. En conseqüència, el sòlid s’expandeix lleugerament en totes
direccions. Quan el refredem, s’esdevé justament el contrari.
Página 12 de 23

13. Els sòlids es dilaten poc quan són escalfats, però la força produïda durant l’expansió pot
ser prou gran per ocasionar el trencament d’una biga de formigó o doblegar una barra
d’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 es
allargada, la dilatació lineal és la més important.
L’allargament d’una barra sòlida per a un determinat augment de la temperatura és
directament proporcional a la seva longitud i l’augment relatiu de longitud és
proporcional a l’augment de temperatura.
Aplicacions:
Les barretes d’acer poden ser incloses en les bigues de formigó per reforçar-les ja que
tenen el mateix coeficient de dilatació; si la dilatació, en augmentar la temperatura, fos
diferent, l’acer podria trencar el formigó.
El vidre pyrex s’utilitza per construir recipients destinats a contenir líquids calents, a
causa del seu coeficient de dilatació més baix que el vidre normal. Si tirem aigua bullent
en un got de vidre normal, la part interior s’escalfa abans que l’exterior, i en
conseqüència es dilata més, creant-se una tensió que pot trencar el got. Si el got és de
pyrex, 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 llarg
de tota la seva longitud. Pot ser de llautó (aliatge de coure i zinc) i d’invar (un aliatge
d’acer i níquel); la làmina de llautó es dilata aproximadament 20 vegades més que la
làmina d’invar. Quan augmenta la temperatura, la major dilatació de la làmina de llautó
fa que la làmina bimetàl·lica es doblegui, deixant d’invar a la part interior. En canvi, quan
disminueix la temperatura, és la lamina de llautó la que es contreu més, i la làmina
bimetàl·lica es doblega deixant el llautó a l’interior.
La làmina bimetàl·lica té moltes aplicacions. S’utilitza, entre altres coses, com a
termòmetre i com a termòstat. Els termòmetres bimetàl·lics consisteixen en una làmina
bimetàl·lica en forma d’espiral. Un extrem de l’espiral s’uneix a una agulla que es pot
moure sobre una escala graduada en °C; l’altre
extrem és fix. Quan la temperatura augmenta,
l’espiral bimetàl·lica s’enrotlla encara més sobre si
mateixa, i l’agulla es mou sobre l’escala. Els
termòmetres bimetàl·lics no són tan exactes com els
altres tipus de termòmetre, però són més robustos i
més fàcils de llegir.
Els termòstats són dispositius que controlen la
Página 13 de 23

14. temperatura. S’utilitzen en els escalfadors d’immersió, en els forns, en els refrigeradors i
en les estufes. N’hi ha de diferents tipus, però els formats per una làmina bimetàl·lica
són els més comuns.
En el termòstat que controla una estufa elèctrica, quan la temperatura de l’habitació
puja, la làmina bimetàl·lica es doblega més, i els contactes elèctrics queden separats, la
qual cosa significa que l’estufa es desconnecta. Quan la temperatura de l’habitació
baixa, la làmina bimetàl·lica disminueix la seva curvatura, s’estableix de nou el contacte
elèctric i l’estufa torna a funcionar.
• La dilatació dels líquids
Igual que els sòlids, els líquids es dilaten quan són escalfats, si bé hi ha excepcions. En el
cas dels líquids és l’augment de volum el que s’ha de considerar; és impossible mesurar
una 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 dilata
aproximadament cinc vegades més que l’acer.
La dilatació dels líquids és el fonament dels termòmetres, tant dels de mercuri com dels
d’alcohol. Sempre que un líquid s’emmagatzema en un recipient tancat, s’ha de deixar
un espai lliure en previsió de la dilatació que es pugui produir. Els circuits tancats per a
l’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 es
contreu quan es refreda. Aquest comportament anòmal de l’aigua té lloc entre els 0 ºC i
els 4 ºC. Quan l’aigua a 0 ºC, s’escalfa, el seu volum disminueix lleugerament fins als 4
ºC. A partir dels 4 ºC, l’aigua va augmentant de volum a mesura que la temperatura
augmenta. 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 estany
gelat es pot trobar a 4 ºC, mentre que la superfície és gelada.
• Dilatació dels gasos
S’ha de considerar com varia la pressió, a més del volum, en variar la temperatura. La
pressió, el volum i la temperatura d’una determinada massa de gas estan relacionats, de
manera que la variació en un d’aquests factors sempre produeix una variació almenys en
un 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 superfície
en el mateix interval de temps. Com a resultat de tots dos factors la pressió augmenta.
Página 14 de 23

15. La pressió d’una massa fixa de gas és directament proporcional a la temperatura
absoluta, 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 seves
parets és mòbil, en augmentar la temperatura el que passarà és que la paret elàstica o
mòbil es desplaçarà com a conseqüència dels impactes més forts de les molècules, i per
consegüent 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-Lussac
Hi 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 gas
es 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 de
qualsevol 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 força
exactitud a baixes pressions en els gasos reals.
pV=nRT
p: 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·K
Llei de Dalton.
La pressió total és la suma de les pressions parcials dels components individuals d’una
mescla gasosa.
pt = ∑pi
Página 15 de 23

16. 1.2 COMBUSTIÓ
A. INTRODUCCIÓ
La principal font de calor a la indústria és la combustió de gas natural, petroli o
productes 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 en
les 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 substància
combustible amb l’oxigen (que pot ser pur o be formant part de l’aire) amb producció
de calor i formació d’una massa de gasos incandescents, que és la flama.
Combustible + x O2 → y CO2 + z H2O + Q
L’agent portador d’oxigen rep el nom de comburent. L’aire és el comburent més
habitual.
La reacció es produeix de forma controlada en uns dispositius anomenats cremadors
que es dissenyen per una amplia gama de potències i per la combustió d’un
combustible determinat.
Aquesta forma de disposar d’energia pot ser molt eficient, i va en funció del tipus
d’aparell usat on es realitza la combustió: forns, calderes, càmeres de combustió, però
tot i ser molt eficient no està exempta de problemes, ja que com a resultat de la
combustió es poden produir substàncies nocives i contaminants, que s’han d’eliminar o
minimitzar-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’emprar
aire pur i una combustió perfecta són CO2 (efecte hivernacle) i H2O(vapor).
Generalment també trobem en els gasos de combustió el nitrogen que acompanya a
l’oxigen de l’aire, més oxigen, ja que per assegurar una combustió completa s’utilitza
aire en excés.
El nitrogen absorbeix calor de la combustió per escalfar-se a la temperatura de
combustió, restant eficàcia al procés. Aquesta eficàcia es pot augmentar de forma
significativa amb l’ús de sistemes de recuperació de calor (economitzadors o
recuperadors) 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. El
CO a altes concentracions té un aspecte de fum negre, i és combustible. Així, per
exemple, en un incendi, quan el foc es troba localitzat en una habitació, es recomanable
tancar portes i finestres per extingir el foc per falta d’oxigen; en aquest cas la falta
Página 16 de 23

17. d’oxigen fa que es generi molt CO de manera que no convé obrir portes i finestres
perquè al fer-ho tot el CO calent contingut es combinaria ràpidament amb l’oxigen de
l’aire i pot arribar a produir una deflagració o inclús una explosió.
En primer lloc parlarem de les propietats dels combustibles, principalment líquids i
gasosos que han substituït al carbó (combustible sòlid).
B. CLASSIFICACIÓ DELS COMBUSTIBLES
Segons 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. C. PROPIETATS
Les 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 Wobbe
C.1. Composició
La composició d’un combustible és essencial per a poder determinar els paràmetres
característics estequiomètrics de la reacció de combustió: a més, la composició diu si és
apte en funció de la presència de determinats components que puguin tenir
importància en la contaminació.
La forma habitual d’indicar la composició d’un gas es fa amb percentatge de volum de
cadascun dels components , en condicions normals. L’expressió en tant per un equival a
la fracció molar. Els components més habituals d’un combustible gasos són hidrocarburs
CnHm, CO2, CO, H2, O2, N2, SO2, SH2, H2O.
Si es tracta d’un combustible líquid o sòlid, la forma més habitual d’indicar la
composició 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 calorífic
El poder calorífic d’un combustible és la quantitat d’energia despresa en la reacció de
combustió, referida a una unitat de combustible (kg, kmol, Nm3). Hi ha diverses
definicions especifiques depenent de si el vapor d’aigua present en els fums queda
finalment en estat líquid.
PCS: Poder Calorífic Superior. Quantitat de calor que es desprèn en la reacció de
combustió completa de la unitat de combustible dessecat, amb l’aigua dels fums en
forma 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. PCI: Poder Calorífic Inferior. És la quantitat de calor que es desprèn en la reacció de
combustió 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 valor
amb suficient aproximació. El seu valor es dona en kJ/Nm3 combustible dessecat.
C.3. Viscositat
La viscositat té gran importància en els combustibles líquids a efectes
d’emmagatzematge i transport. La determinació és experimental i els valors típics es
troben tabulats per als diferents combustibles industrials líquids. Existeix legislació
específica sobre els valors de viscositat màxima cinemàtica en mm2/s permesos per a
combustibles industrials líquids.
C.4. Densitat
La densitat relativa té molta importància pel fet que determina si el gas s’acumula en el
sostre o en el sòl, en cas d’una fuga en un local tancat.
Página 19 de 23

20. Per als combustibles líquids, només de forma aproximada, es pot emprar l’expressió
empírica:
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 inflamació
LÍMITS D’INFLAMABILITAT
Aquesta propietat fa referència als combustibles gasosos; estableix la proporció de gas i
aire necessària per a que es produeixi la combustió, mitjançant un límit superior i un
inferior.
Es denominen, llavors, “límits d’inflamabilitat” a les composicions volumètriques en % de
gas a l’aire entre les que, a pressió i temperatura ambient, la mescla és inflamable en
unes condiciones d’assaig determinades i amb la substància pura. Amb percentatges
per 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/interval
d’inflamabilitat” com l’interval de composicions compreses entre ambdós límits, i on per
tant sí es inflamable. Per a determinar-se els límits d’inflamabilitat d’una barreja de
gasos, 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 per
exemple l’energia de la font d’ignició, el contingut d’humitat, la presència de gasos
combustibles o pols combustibles en suspensió (anomenades mescles híbrides i que
normalment presenten una explosivitat més acusada que els límits de les substàncies
pures independentment).
PUNT D’INFLAMACIÓ I TEMPERATURA DE COMBUSTIÓ
Es coneix com a punt de flama la temperatura a la que el combustible produeix suficient
quantitat de vapors per a que la mescla d’aquests amb l’aire sigui capaç d’inflamar-se al
contacte amb una flama pilot. La combustió que se produeix és efímera i desapareix
quan es retira la flama pilot
Si la combustió es dóna de forma espontània, sense flama pilot, tenim el punt
d’inflamació. Per a que es doni la reacció de combustió, la barreja de combustible i
comburent deu assolir una temperatura mínima necessària, que rep el nom de punt
d’inflamació. Una vegada iniciada la combustió, el calor romandrà la temperatura per
Página 20 de 23

21. damunt de la d’inflamació, i la reacció continuarà fins a esgotar-se el combustible o el
comburent.
No es pot emmagatzemar un producte a una temperatura superior al seu punt
d’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 la
combustió. 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 ºC
C.6. Contingut en sofre
El contingut de sofre que poden tenir els combustibles és important, ja que determina la
quantitat de SO2 que apareixerà als fums com a resultat de la combustió. El SO2 s’oxida
lentament 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 combustió
no pugui baixar de 170 ºC, ja que per sota d’aquesta temperatura pot condensar, sent
molt corrosiu.
Una forma d’evitar la formació del triòxid de sofre és controlar l’excés d’aire, així
s’estableix el mínim excés d’aire.
C.7. Índex de Bacharach dels fums
Si 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 dipositen
sobre les superfícies per les quals circulen els gasos de la combustió. Això provoca
inconvenients, com la disminució del coeficient de transmissió global de calor. Els fums
cedeixen menys entalpia i el rendiment de la combustió disminueix.
A l’augmentar la quantitat de partícules sòlides, la opacitat dels fums augmenta; per a
determinar aquesta opacitat, s’ha establert l’índex de Bacharach: es basa en
l’enfosquiment d’un paper de filtre al pas de través seu d’una corrent de gasos de
combustió, extreta mitjançant una bomba manual, i en la comparació del color d’aquest
filtre amb una escala d’intensitats de color que varia des del 0, que és blanc fins al 9 que
és negre. Fonamentalment, s’empra des del punt de vista de la contaminació
atmosfèrica.
C.8. Índex de Wobbe i potencial de combustió
Página 21 de 23

22. La reacció de combustió d’un gas combustible es fa en un dispositiu anomenat
cremador que gradua convenientment el cabal de gas i d’aire, per a una combustió
correcta.
De vegades és convenient plantejar-se la necessitat d’usar un gas diferent al que s’havia
usat en el cremador; aquesta operació d’intercanvi no sempre és possible, si no s’ajusten
alguns elements del cremador. Per a determinar si és possible intercanviar un gas per un
altre, 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, per
a substituir gasos de la primera i segona família, per tant aquests índexs s’aplicaran als
gasos de la primera i segona família, així com a les barreges d’aire butanat i propanat.
CLASSIFICACIÓ DELS GASOS COMBUSTIBLES
En funció del valor de W (Wobbe), els gasos es classifiquen en tres famílies (a la taula de
la 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
principal
Família
Límits
Nom
Gas
tat
Gas
1ra. Metà+H Tòxic, en 19,13 a
manufac <1 5,23 ------- 6 a 45
Família 2+CO desús 27,64
turat
2da. Gas 39,1 a Tetrahidro
Metà No tòxic <1 12,2 ------- 5 a 15
Família Natural 54,7 tiofè
Inodor
Incolor
3ra. 72,9 a
GLP Propà No tòxic >1 27,29 14,0 2,4 a 9,5 Mercaptà
Família 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.  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 WOBBE
Es representa amb la lletra W i es defineix a partir de la expressió:
W=PCS/ (ϼ)½
On ρ és la densitat relativa del gas respecte a l’aire en les mateixes condicions. Com els
gasos es poden intercanviar lliurement, han de tenir entre altres requisits, el mateix
índex de Wobbe, així tindran la mateixa potència en el cremador.
En càlculs molt precisos, s’usa un índex corregit mitjançant factors que tenen en compte
la viscositat, usant els 2 factors K1 i K2
W ’ = W* K1 *K2
Per a obtenir els valors d’aquests factors s’usaran els gràfics corresponents.
POTENCIAL DE COMBUSTIÓ
El potencial de combustió o índex de Delbourg és un índex relacionat amb la velocitat
de 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 empíriques
establertes per mitjans experimentals. La seva expressió ve donada per:
C = u (vH2 + 0.3 vCH4 0.7 v CO + V v CnHm)/ρr
on:
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 gasos
de la primera i segona família.
Página 23 de 23