Termoqumica y combustibles.

Termoqumica. La mayora de las maquinas de combustin interna obtienen su energa de la combustin de una mezcla de aire con hidrocarburos, la energa qumica se convierte en energa interna que es aprovechada por el motor. Existen miles de hidrocarburos, estos estn compuestos bsicamente de carbono e hidrogeno, pero algunos combustibles pueden contener; oxigeno, nitrgeno y/o azufre. La mxima energa qumica (calor) que puede obtenerse mediante la combustin depende de la cantidad estequiomtrica de oxigeno. El oxigeno estequiomtrico es cuando se transforma todo el carbn del combustible en CO2 y todo el hidrogeno en H2O. La ecuacin mas simple que representa lo anterior es la combustin del metano. CH4+2O2 CO2+2H2O

De la ecuacin anterior se muestra que dos moles de oxigeno reaccionan con un mol de metano, como resultado de la reaccin obtenemos un mol de dixido de carbono y dos moles de vapor de agua. Otro caso parecido es el octano que se muestra con la siguiente ecuacin: C8H18+12.5O2 8CO2+9H2O

En la ecuacin los compuestos se encuentran en moles. Un kg-mol de una sustancia es la masa en kilogramos igual al peso molecular de una sustancia. En el sistema ingles las unidades son lbmmol. (1) Donde: m- masa. N-Numero de moles. M-Peso molecular. En el sistema internacional de unidades (SI): 1 Kg-mol de CH4=16.04 Kg 1 Kg-mol de O2=32 Kg 1 Kg-mol =6.02x1026 molculas.

Peso molecular (Kg/Kg mol) o (lbm/lbm mol) Aire 28.97 Argn (Ar) 39.95 Carbn. (C) 12.01 Monxido de carbono. (CO) 28.01 Dixido de carbono. (CO2) 44.01 Hidrogeno. (H2) 2.02 Vapor de agua. (H2O) 18.02 Helio. (He) 4.00 Nitrgeno. (N2) 28.01 Sustancia

Los compuestos del lado izquierdo de la ecuacin qumica que estn presentes antes de la reaccin qumica- son llamados reactivos, mientras que los compuestos que se encuentran del lado derecho son conocidos como productos. Sera muy conveniente construir motores que utilizaran oxigeno puro, pero el hacer uso de oxigeno lo hara poco rentable. En vez de utilizar oxigeno puro utilizamos una mezcla que contiene dicho elemento, en este caso aire atmosfrico, que est compuesto por: 78% Nitrgeno. 21% Oxigeno. 1% Argn. Concentraciones mnimas de CO2, Ne, CH4, He, H2O, etc.

El nitrgeno y el argn son neutros y no reaccionan en el proceso de combustin. Pero la presencia de estos, afecta la presin y temperatura en la cmara de combustin. Para simplificar los clculos, sin tener errores considerables, la concentracin de argn es sumada con la concentracin del nitrgeno, de tal manera que decimos que la concentracin de nitrgeno en el aire es de 79%. Entonces, por cada 0.21 moles de oxigeno hay 0.79 moles de nitrgeno, o para un mol de oxigeno hay 0.79/0.21 moles de nitrgeno. Por cada mol de oxigeno necesario para la combustin, 4.76 moles de aire son necesarios: 1mol de oxigeno mas 3.76 moles de nitrgeno. La combustin estequiomtrica del metano con aire es: CH4+2 O2+2 (3.76) N2 Para el isooctano con aire es: C8H18+12.5 O2+12.5 (3.76) N2 8 CO2+9 H2O+12.5 (3.76) N2 CO2+2 H2O+2(3.76) N2

Es conveniente considerar 1 Kg mol de combustible en las ecuaciones de combustin. La energa liberada por la reaccin estar en unidades de energa por kg mol de combustible, podemos determinar la energa total cuando la relacin del flujo de combustible es conocido. La combustin puede ocurrir en los siguientes casos:

Cuando tenemos ms aire estequiomtrico. Cuando tenemos menos aire estequiomtrico.

Por ejemplo si el metano reacciona con 150% de aire estequiomtrico, el exceso de oxigeno en los productos de la ecuacin es notoria. CH4+3 O2+3 (3.76) N2 CO2+2 H2O+3(3.76) N2+O2

Para isooctano con 80% de aire estequiomtrico, dado esto no hay suficiente oxigeno como para convertir todo el carbn en CO2, es por ello que encontramos CO en los productos de la ecuacin qumica. C8H18+10 O2+10 (3.76) N2 3 CO2+9 H2O+5 CO+10 (3.76) N2

El monxido de carbono (CO) es un gas incoloro, inoloro y sobre todo un gas venenoso que debe ser quemado para formar CO2. El CO se forma en cualquier proceso de combustin cuando hay una deficiencia de oxigeno, este combustible sin quemar es desechado a la atmosfera como contaminante. Existen varios trminos para referirse al aire u oxigeno utilizado en la combustin. 80% Aire estequiomtrico= 80% Aire terico= 80% Aire= 20% de deficiencia de aire 133% Oxigeno estequiomtrico= 133% Oxigeno terico=133% Oxigeno=33% De excedente de oxigeno. En la combustin de un motor real, la relacin relativa entre la mezcla aire combustible esta definida como:

Donde: Relacin combustible aire. Relacin aire combustible. ma masa de aire. mf masa de combustible. Cuando: 1 Mezcla rica en combustible.

=1 Combustin donde los reactivos reaccionan perfectamente y se obtiene el mximo de energa. Generalmente las maquinas de combustin interna operan en un rango de que va de 0.9 a 1.2. EQUILIBRIO QUIMICO. Una reaccin qumica generalmente es representada por:

vAA+vBB

vCC+vDD

Donde A y B representan los reactivos, C y D representan los productos; vA, vB. vC y vD son los coeficientes estequiometricos de A, B, C y D. Composicin de equilibrio para esta reaccin, se puede encontrar si se conoce la constante de equilibrio qumico. [ Donde: ( ( ) ) ]( )

Ni Numero de moles de componentes i en equilibrio Nt Numero total de moles en equilibrio. P Presin absoluta en atmosferas. La constante de equilibrio para diferentes reacciones puede ser obtenida en libros de termodinmica o manuales de qumica tabulados en graficas logartmicas (ln o log10). Kc depende de la temperatura, cambiando en muchos rdenes de magnitud sobe el rango de temperaturas de un motor de combustin interna. Conforme Kc se hace ms grande el equilibrio qumico se hace patente del lado de los productos. Esto aumenta la entropa. En las reacciones de hidrocarburos con oxigeno (aire), la constante de equilibrio es muy grande, esto significa que existen pocos reactivos del lado izquierdo de la ecuacin qumica. Al examinar las constantes de equilibrio, estas nos muestran que algunos compuestos que son estables se disocian a altas temperaturas. Por ejemplo el CO2 se disocia en CO y O, O2 se disocia en O monoatmico, N2 se disocia en N monoatmico. Esto no afecta la combustin pero los elementos monoatmicos reaccionan fcilmente formndose xidos de nitrgeno NO y NO2 que contamina las atmosfera al ser gases txicos.

TEMPERATURA DE COMBUSTON. El calor liberado por una reaccin de combustin de hidrocarburos y y aire es igual a la diferencia entre la entalpia total de los productos y de la entalpia total de los reactivos. A esto se le conoce como calor de reaccon, calor de combustin o entalpia de la reaccin y esta dada por: Donde: Ni - Numero de moles del componente i ( )

Entalpia de formacin. La entalpia necesaria para formar 1 mol de un cmpuesto en condiciones estndar (25C y 1 atm). Cambio de entalpia a temperatura estndar para un compuesto i. Q puede ser negativo, esto significa que el calor es producido por la reaccin de los gases de escape y son cantidades molares especificas y pueden encontrarse en libros de termodinmica. La tabla XXXXXX muestra el calor para diferentes combustibles . El valor QHV es negativo para una reaccin de una unidad de combustible. Esto es calculado considerando que ambos reactivos