Combustió

Combustió del coure

La combustió (del llatí combustio, -onis), en sentit ampli, pot entendre's com tota reacció química, relativament ràpida, de caràcter notablement exotèrmic, que es desenrolla en fase gaseosa o heterogénea (líquit-gas, sòlit) en o sense manifestació de flames o de radiacions visibles.

Des del punt de vista de la teoria clàssica, la combustió es referix a les reaccions d'oxidació que es produïxen de forma ràpida, de materials cridats combustibles, formats fonamentalment per carbono (C) i hidrogen (H) i en alguns casos per sofre (S), en presència d'oxigen, denominat el comburente i en gran solsida de calor. La combustió és a sovint una seqüència complicada de reaccions d'elements radicals. Els combustibles sòlits, com la fusta i el carbó, sofrixen primer endotèrmica pirólisis per a produir combustibles gaseosos la combustió dels quals suministra a continuació la calor necessària per a produir més d'ells. La combustió sol ser lo suficientment calenta com per a que incandescent llum en forma de lluentor o de flama. Un eixemple senzill pot vore's en la combustió d'hidrogen i oxigen en aigua vapor, una reacció que s'utilisa habitualment per a alimentar motors d'eixides. Esta reacció llibera 242 kJ/mol de calor i reduïx la entalpia en conseqüència (a temperatura i pressió constants):

Combustió des del punt de vista químic

Centrant-se en la química, es diu combustió a la reacció que es produïx entre un material oxidable i el oxigen, flúor, clor, etc i l'oxigen es torna reductor front al flúor pel diferencial d'electronegatividad del flúor que és de 4 i l'oxigen de 3.38 (3.5 en l'escala de Pauling), la qual es revela a través de les flames i genera la lliberació d'energia. Dit d'un atre modo: la combustió implica l'oxidació d'un element per mig d'un procés que es fa visible pel fòc i que inclou la solsida d'energia a modo de llum i calor. En avant, tot es referix a la teoria clàssica. En la realitat, en lloc d'oxigen pur, la reacció es produïx en presència d'aire, que normalment, per a simplificar els càlculs, se li considera en una composició en volum; de 21 % d'oxigen i 79 % de nitrogen.

Fases de la combustió

Archiu:15. Ослободување на големо количество енергија при согоровуање етанол.webm Les reaccions de combustió són en realitat molt més complexes de lo que pot semblar, degut principalment a l'enorme rapidea en que se succeïxen les distintes etapes. Fins a la flama més simple és el resultat de moltes reaccions químiques casi simultànees, l'estudi de les quals requerix la resolució de problemes d'aerodinàmica, de conducció de calor i de difusió molecular. La teoria clàssica simplifica tot este procés atenent més al resultat final, que a la dinàmica del procés. Els tres components indicats no es troben com a components purs, sino que formen part d'un compost que generalment coneixem com hidrocarbur. El procés de combustió es realisa en tres fases:

• En una primera fase es produïx una prerreacció en la que els hidrocarburs es descomponen per a reaccionar en el oxigen, formant uns composts inestables que reben el nom de radicals.
• La segona fase és la d'oxidació, en la qual es llibera la major part de la calor.
• En la tercera es completa l'oxidació i es formen els productes estables que seran els components dels gasos de combustió. En la primera fase, els radicals formats són molt actius i enormement inestables, de manera que es produïxen reaccions en cadena en la que estos evolucionen i desapareixen d'una forma equilibrada. Quan els radicals es formen a una velocitat superior a la que reaccionen posteriorment, la seua acumulació provoca una reacció massiva i violenta en l'oxigen que es coneix com explosió. L'ona expansiva que es produïx per la lliberació súbita d'energia, pot alcançar velocitats de transmissió superiors a 2500 m/s i sol estar acompanyada d'una detonació. Quan la velocitat de propagació és inferior a la del sò, no hi ha explosió i la reacció súbita es coneix com deflagració.

Tipos de combustió

Es poden distinguir cinc tipos de combustió:

• Combustió completa o perfecta: Quan les reaccions indicades estan desplaçades totalment a la dreta, és dir, els components es oxidan completament, formant diòxit de carbono (CO₂), aigua líquida (H₂O) i en el seu cas, diòxit de sofre (BAIX₂), independentment de la cantitat d'aire amprada en la reacció. Açò implica que el oxigen present en el aire, ha segut si més no, suficient per a oxidar completament els components.
• Combustió estequiomètrica o neutra: és la que té lloc quan s'utilisa la cantitat exacta d'aire. Conta en la particularitat de que resulta ser tan perfecta que únicament pot conseguir-se en un laboratori.
• Combustió incompleta: És aquella els gasos de la qual de combustió contenen composts parcialment oxidats cridats inquemados, com: monòxit de carbono (CO), partícules de carbono, hidrogen, etc.
• Combustió en excés d'aire: són les reaccions de combustió en les que hi ha una cantitat d'aire superior a l'estequiomètrica necessària, donant com a productes inquemados, com per eixemple la presència d'oxigen (O₂), produint-se ademés una pèrdua de calor.
• Combustió en defecte d'aire: són les reaccions de combustió en les que la cantitat d'aire present en la combustió no és suficient, produint en este cas inquemados com els de les combustió incompleta.

Excés d'aire

La reacció de combustió del C es pot escriure de la següent manera:$$\mathrm{C}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$$Les cantitats en pes i volum, en condiciones normals a 0 °C i 101,3 kPa de pressió, que intervenen de cada substància en la reacció: 12 grams de carbono necessiten 22,4 litros d'oxigen per a que s'obtinguen 22,4 litros de diòxit de carbono. Si açò es produïx exactament aixina, és lo que es diu reacció estequiomètrica. A partir de la cantitat estequiomètrica d'oxigen i tenint en conte que l'aire ho conté en un 21% del seu volum, podem calcular el aire mínim necessari per a aportar l'oxigen estequiomètric. Per a un combustible, que conté un determinat percentage en pes de carbono, hidrogen i sofre, es calcula l'oxigen necessari per a oxidar cada element i la suma d'estes cantitats serà el aire mínim necessari per a cremar completament una unitat del mateix.

En la pràctica, com ya es va dir, aportant a un procés de combustió esta cantitat d'aire mínima, no es conseguix una combustió completa. No cal oblidar que en un procés industrial, tant el combustible com l'aire estan en moviment, lo que fa que la mescla combustible-comburente no siga homogénea. Si a açò s'afigen; la velocitat de les reaccions, l'escàs temps de permanència de la mescla en la cambra i les variacions de temperatura, el resultat és que una fracció del combustible escapa pel fumeral sense haver-se cremat, o per lo manco, no totalment. Quan una partícula de carbono, no troba l'aire suficient per a cremar-se, la reacció que es produïx és:$$\mathrm{C}+\frac{1}{2}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{C}\mathrm{O}+10204\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{k}\mathrm{g}\mathrm{C}$$Açò significa que per cada quilogram de C que passe a CO, es perden 23.671 kJ, ademés de la perillositat que implica la formació de monòxit de carbono. Es fa puix imprescindible, aportar un excés d'aire (n), és dir, una cantitat major de la estequiométricamente necessària, per a que totes les partícules de combustible troben l'oxigen suficient per a oxidarse totalment. Podria aplegar-se a la conclusió de que aportar molt aire garantisa una combustió completa i per tant és una bona estratègia. No obstant, tot l'aire afegit no necessari, entra i ix de la cámara sense haver fet una atra cosa que calfar-se, lo que supon una pèrdua de calor i per tant una baixada del rendiment. Lo eficaç, en conseqüència, serà afegir l'excés d'aire just per a conseguir una oxidació completa.

Productes de combustió

Els fums o productes de combustió estan formats pels gasos resultants de les reaccions; diòxit de carbono, vapor d'aigua i òxit de sofre quan ho té el combustible, aixina com el nitrogen corresponent al volum d'aire utilisat. També es pot trobar oxigen i nitrogen procedents de l'aire no utilisat, òxits de nitrogen i a voltes atres gasos que pogueren formar part de l'aire aportat. El seu càlcul es realisa de la mateixa forma indicada per a l'oxigen, a partir de les reaccions de combustió i contant en l'excés d'aire utilisat. La suma dels volums obtinguts per a cada gas més el nitrogen contingut en el aire mínim, tot això multiplicat pel coeficient (n) d'excés d'aire, dona com resultat el volum de gasos humits. Si en la suma no es té en conte l'aigua formada, s'obté el volum de gasos secs.

La relació entre el volum de CO₂ i el volum total de gasos secs, és la concentració d'este component en base seca, màxima que es pot medir en els anàlisis normals dels gasos de combustió. L'obtenció en un anàlisis d'un valor menor, significa:

• Que s'ha utilisat un excés d'aire major del necessari, ya que encara que la cantitat de CO₂ siga la prevista, la concentració disminuïx, ya que aumenta el volum de gasos en el que es diluïx. En este cas també apareixerà O₂ en l'anàlisis, tanto más cuanto més excés d'aire.
• O be, part del carbono no s'ha oxidado, normalment per defecte d'aire, en el cas del qual es trobaran en l'anàlisis cantitats de monòxit de carbono (CO), pot aparéixer H₂ i en molt defecte d'aire partícules de carbono sense cremar (suja). També pot aparéixer monòxit de carbono en excés d'aire, sobretot en combustibles líquits, per una mala atomisació del combustible i a un defecte de mescla combustible-comburente.

Teoria de la flama

Les flames són reaccions de combustió en moviment, a velocitats inferiors a la del sò.

La flama pot definir-se com una reacció de combustió que es propaga a través de l'espai, a velocitat inferior a la del sò. El concepte de flama implica el de moviment i per tant, un front d'alvanç de la reacció denominat front de flama. La forma que té la flama, o massa de combustible en combustió, depén del mig tècnic que prepara el combustible, el comburente, la mescla d'abdós i aporta l'energia d'activació, que és el cremador. Per a que tinga lloc la combustió es té que alcançar la temperatura d'ignició, molt superior a la del punt d'inflamació que és aquella en la que el combustible està en condicions d'iniciar la combustió, pero si es retira l'energia d'activació, la flama s'apaga. A partir d'això, totes les reaccions de combustió en les seues distintes fases, tenen lloc en este mig gaseós que és la flama. Una volta iniciada, si s'aporten el combustible i comburente suficients, a la mateixa velocitat en que es propaga el front de flama, la flama s'estabilisa i persistix, encara que es retire l'energia d'activació inicial. La velocitat de propagació de la flama depén de cada combustible, del seu major o menor grau de purea i del excés d'aire en que s'efectua la combustió. La temperatura de la flama depén del poder calorífic, del excés d'aire i del tipo de llar o cámara. Es coneix com a temperatura teòrica de flama adiabàtica a la major temperatura que es pot obtindre d'un combustible, la qual s'alcança quan no hi ha excés d'aire. Sobre el color, depén del combustible. En general es pot dir que deu ser clara i lluminosa, sense productes humeantes. Quan hi ha falta d'aire, la flama s'enfosquix i humea per partícules de carbono incandescents.

Problemes associats a la combustió incompleta

Problemes migambientals

Els òxits es combinen en l'aigua i l'oxigen de l'atmòsfera, creant àcit nítric i àcit sulfúric, que tornen a la superfície de la Terra en forma de deposición àcida, o "pluja àcida". La deposición àcida perjudica als organismes aquàtics i mata els arbres. En formar certs nutrients menys disponibles per a les plantes, com el calcio i el fòsfor, reduïx la productivitat de l'ecosistema i de les explotacions agrícoles. Un atre problema associat als òxits de nitrogen és que, junt en els hidrocarburs contaminants, contribuïxen a la formació d'ozon troposfèric, un dels principals components del smog.

Problemes per a la salut humana

Respirar monòxit de carbono provoca mal de cap, marejos, bossades i nàusees. Si els nivells de monòxit de carbono són lo suficientment alts, les persones perden el coneiximent o moren. L'exposició a nivells moderats i alts de monòxit de carbono durant periodos prolongats està positivament correlacionada en el risc de cardiopaties. Les persones que sobreviuen a una intoxicació greu per monòxit de carbono poden sofrir problemes de salut a llarc determini. El monòxit de carbono de l'aire s'absorbix en els pulmons i s'unix a la hemoglobina dels glòbuls rojos. Açò reduiria la capacitat dels glòbuls rojos per a transportar oxigen per tot el cos.

Fòc cremat

La combustió llenta, a baixa temperatura i sense flama és una forma de combustió sostinguda per la calor generada quan l'oxigen ataca directament la superfície d'un combustible en fase condensada. Es tracta d'una reacció de combustió incompleta. Entre els materials sòlits que poden mantindre una reacció de combustió llenta s'inclouen el carbó, la celosa, la fusta, el cotó, el tabac, la turba, el femta, el humus, les bromera sintètiques, els polímer carbonizados (inclosa la bromera de poliuretano) i la pols. Eixemples comuns de fenomens de combustió llenta són l'inici d'incendis residencials en mobles tapizados per fonts de calor dèbils (per eixemple, un cigarret, un cable cortocircuitado) i la combustió persistent de biomassa darrere dels fronts llameantes dels incendis forestals.

Vore també

• Flama (química)
• Deflagració
• Detonació
• Teoria del flogisto
• Reducció-oxidació
• Reacció irreversible
• Dosado
• Temperatura d'autoignición
• Combustió química en bucle
• Combustió espontànea
• Respiració
• Combustió completa
• Motor de combustió interna

Bibliografia

• Campsa. Manual tècnic sobre l'utilisació de combustibles líquits en l'indústria.
• Catalana de Gas i Electricitat. Aforro d'energia en l'indústria (us racional dels combustibles). Index. ISBN 8470872257.
• Howell, John R., i Richard O. Buckius. Principis de termodinàmica per a ingeniers. McGraw Hill. ISBN 9684225717.
• Salvi, Giuliano. La combustió (teoria i aplicacions). Dossat S. A. ISBN 8423704254.

Enllaços externs

Combustió en el Viccionari. Tens que especificar títul = i url = al usar {{cita web}}..