capitulo combustion
TRANSCRIPT
Capitulo 15
Reacciones Químicas
Guía d estudio en PowerPoint
Para acompañar
Thermodynamics: An Engineering Approach, 6th edition
by Yunus A. Çengel and Michael A. Boles
2
Objetivos• Dar un vistazo a los combustibles y la combustión.
• Aplicar la conservación de la mas a sistemas reactivos para
determinar ecuaciones de reacción balanceadas.
• Definir los parámetros usados en el análisis de ion, tales
como razón de aire–combustible, por ciento de aire teórico,
y temperatura de punto de rocío.
• Aplicar balances de energía a sistemas reactivos para
volúmenes de control de flujo estable y sistemas de masas
fixed.
• Calcular la entalpia de reacción, entalpia de combustión, e
los valores caloríficos de los combustibles.
• Determinar la temperatura de flama adiabática para
mezclas reactivas.
• Evaluar el cambio de entropía de sistemas reactivos.
• Analizar los sistemas reactivos desde la perspectiva de la
segunda ley.
3
La mayoría de los hidrocarburos
se obtienen del petroleo crudo
por destilación.
Combustible: Cualquier material que pueda arder para liberar energía
térmica. Los combustibles mas comunes están compuestos primariamente
de hidrogeno y carbono.
Son llamados combustibles hidrocarburos y son denotados por la formula
general CnHm.
Los Hidrocarburos existen en todas la fases, algunos ejemplos son carbón,
gasolina (usualmente tratado como octano C8H18), y gas natural.
COMBUSTIBLES Y COMBUSTION
4
El proceso de combustión es una reacción química donde combustible es oxidado y
es liberada energía.
Los combustibles están usualmente compuestos de algún componente o mezcla de
carbono, C, e hidrogeno, H2.
Ejemplos de algunos combustibles hidrocarburos son
CH4 Metano
C8H18 Octano
Mezcla de carbón C, H2, S, O2, N2 y no combustibles
Inicialmente, solo consideraremos las reacciones completas. Los componentes antes
de la reacción son llamados reactivos y los componentes después de la reacción son
llamados productos.
5
Reactants Products
C O CO
H O H O
2 2
2 2 2
1
2
Para una combustión completa o estequiometria, todo el carbono es quemado y
convertido en dióxido de carbono (CO2) y todo el hidrogeno es convertido en agua
(H2O). Estas dos reacciones de combustión completas son como sigue:
Ejemplo 15-1
Una combustión completa de octano en oxigeno es representada por la ecuación
balanceada de combustión de octano en oxigeno. La ecuación balanceada de la
combustión se obtiene asegurándonos de que tenemos el mismo numero de átomos
de cada elemento en ambos lados de la ecuación. Esto es, nos aseguramos de que la
masa se conserva.
C H A O B CO D H O8 18 2 2 2
Note que podemos balancear el C y H para una combustión completa por inspección.
C H A O CO H O8 18 2 2 28 9
6
La cantidad de oxigeno se encuentra mediante un balance de oxigeno. Es mejor
conservar las especies en una base monoatómica como se muestra para el balance
de oxigeno.
O A
A
: ( ) ( ) ( )
.
2 8 2 9 1
12 5
C H O CO H O8 18 2 2 212 5 8 9.Nota: El numero de moles no se conserva, pero hemos conservado la masa en una
base total así como una base de especies.
El proceso de combustión completo es también llamado combustión estequiometria,
y todos los coeficientes son llamados coeficientes estequiometricos.
En la mayoría de los procesos de combustión, el oxigeno es suplido en forma de aire
mas que como oxigeno puro.
El aire se asume que contiene 21 por ciento de oxigeno y 79 por ciento nitrógeno
sobre una base volumétrica. Para una mezcla ideal de gases, el por ciento por
volumen es igual al por ciento en moles. Por tanto, por cada mol de oxigeno en el
aire, existe 79/21 = 3.76 moles de nitrógeno. Lo que indica que, la combustión
completa o teórica puede ser escrita comoC H O N
CO H O N
8 18 2 2
2 2 2
12 5 3 76
8 9 47
. ( . )
7
La razón aire–combustible (AF) representa la cantidad
de aire usado por unidad de masa de combustible
durante un proceso de combustión.
Razón Aire-combustible
(AF) se expresa usualmente
en una base de masa y se
define como la razón de masa
de aire entre la masa de
combustible para un proceso
de combustión
m mass
N number of moles
M molar mass
Razón Combustible–aire (FA): es el reciproco de la razón aire–combustible
8
PROCESOS DE COMBUSTION TEORICO Y ACTUAL
Un proceso de combustión es completo si todos
los componentes del combustible se queman por
completo.
Combustión Completa: Si todo el carbono en el combustible se convierte en
CO2, todo el hidrogeno se convierte en H2O, y todo el azufre se convierte (si
hay) se convierte en SO2.
Combustión Incompleta : Si los productos de la combustión contienen
cualquier combustible sin quemar o componentes tales como C, H2, CO, o
OH.
Razones para una combustión incompleta: 1 Oxigeno insuficiente, 2
mezcla insuficiente en la cámara de combustión durante el tiempo limitado
que el oxigeno y el combustible entran en contacto y 3 disociación (a altas
temperaturas).
El oxigeno tiene mas
tendencia a combinarse
con el hidrogeno que
con el carbono. Por lo
tanto, el hidrogeno en el
combustible
normalmente se quema
por completo, formando
H2O.
9
El proceso de combustión completo sin oxigeno libre en
los productos es llamado combustión teórica.
Aire Estequiometrico o teórico: La cantidad mínima de aire que se requiere
para una combustión completa. También se refiere a ello como la cantidad
químicamente correcta de aire, o 100% de aire teórico.
Combustión Estequiometrico o combustión teórica: Es el proceso de
combustión ideal durante el cual el combustible es quemado completamente
con aire teórico.
Exceso de aire: La cantidad de aire que excede la cantidad estequiometrica.
Usualmente expresado en términos del aire estequiometrico como por ciento
de exceso de aire o aire teórico.
Deficiencia de aire: La cantidad de aire menos que la cantidad
estequiometrica. A menudo expresada como por ciento de deficiencia de aire.
Razón de Equivalencia: La razón entre la actual razón combustible –aire y la
razón estequiometrica de combustible–aire.
50% exceso de aire = 150% aire teórico
200% exceso de aire = 300% aire teórico.
90% aire teórico = 10% deficiencia de aire
10
Razón Aire-Combustible
Como el total de moles de una mezcla es igual a la suma de los moles de cada
componente, se requieren 12.5(1 + 3.76) = 59.5 moles de aire por cada mol de
combustible para el proceso de combustión completa.
Por lo regular la combustión completa del combustible no ocurrirá a menos que exista
un exceso de aire presente mayor que el aire teórico requerido para la combustión
completa.
Para determinar la cantidad de aire en exceso suplido para un proceso de combustión,
definamos la razón de aire-combustible AF Como
AFkmol air
kmol fuel
\Por tanto, para el ejemplo siguiente, la razón teoría de aire-combustible es
AFkmol air
kmol fuelth
12 5 1 376
159 5
. ( . ).
11
Sobre una base de masa, la razón teórica de aire-combustible es
AFkmol air
kmol fuel
kg air
kmol air
kg fuel
kmol fuel
kg air
kg fuel
th 59 5
28 97
8 12 18 1
1512
.
.
[ ( ) ( )]
.
Por ciento de aire teórico y aire en exceso
En muchos casos, mas del aire teórico es suministrado para asegurar la combustión
completa y para reducir o eliminar el monóxido de carbono (CO) de los productos de la
combustión. La cantidad de aire en exceso se expresa usualmente como porciento de
aire teórico y por ciento de aire en exceso.
Percent theoretical airAF
AF
actual
th
100%
Percent excess airAF AF
AF
actual th
th
100%
12
Estos resultados pueden ser expresados en términos de los moles de oxigeno solo como
Percent theoretical airN
N
O actual
O th
2
2
100%
Percent excess airN N
N
O actual O th
O th
2 2
2
100%
Ejemplo 15-2
Escriba la ecuación de combustión completa para la combustión completa del octano
con 120 por ciento de aire teórico (20 por ciento de exceso de aire).
C H O N
CO H O O N
8 18 2 2
2 2 2 2
12 12 5 376
8 9 0 2 12 5 12 47
. ( . ) ( . )
( . )( . ) . ( )
Note que(1)(12.5)O2 son requeridos para que la combustión completa produzca 8
kmol de dióxido de carbono y 9 kmol de agua; por tanto, (0.2)(12.5)O2 se encuentra
como exceso de oxigeno en los productos.
C H O N
CO H O O N
8 18 2 2
2 2 2 2
12 12 5 376
8 9 2 5 12 47
. ( . ) ( . )
. . ( )
13
Un segundo método para balancear la ecuación para exceso de aire (vea la
explicación de esta técnica en libro de texto) es:
C H A O N
CO H O A O A N
O A A
A
th
th th
th th
th
8 18 2 2
2 2 2 2
12 376
8 9 0 2 12 376
12 2 8 2 9 1 0 2 2
12 5
. ( . )
. . ( . )
: . ( ) ( ) ( ) . ( )
.
Combustión incompleta con por ciento de aire teórico conocido
Ejemplo 15-3
Considere la combustión de C8H18 con 120 % de aire teórico donde 80 % del C en el
combustible se convierte en CO2.
C H O N
CO CO H O X O N
8 18 2 2
2 2 2 2
12 12 5 376
08 0 2 9 12 47
. ( . ) ( . )
. (8) . (8) . ( )
14
Un balance da
O X
X
: . ( . )( ) . (8)( ) . (8)( ) ( ) ( )
.
12 12 5 2 08 2 0 2 1 9 1 2
33
Por que es X > 2.5?
Entonces la ecuación balanceada esC H O N
CO CO H O O N
8 18 2 2
2 2 2 2
12 12 5 376
6 4 16 9 33 12 47
. ( . ) ( . )
. . . . ( )
Ecuación de Combustión cuando el análisis de los productos gaseosos se
conoce
Ejemplo 15-4
Gas Propano C3H8 reacciona con aire de tal forma que los gases secos de los
productos son 11.5 por ciento CO2, 2.7 % O2, y 0.7 % CO en base volumétrica. Que
por ciento de aire teórico su suplido? Cual es la temperatura de punto de rocío para los
productos si la presión de estos de 100 kPa?
Asumimos 100 kmol de productos de gases secos; entonces el por ciento por unida de
volumen puede ser interpretado como números de moles. Pero no conocemos cuanto
combustible y aire se suministraron o cuanto agua se formo para obtener los 100 kmol
de productos de gases secos.
15
Entonces A es
A fairly good check851
37622 65
.
.. ( )
Estos dos métodos no dan el mismo resultado para A, pero están cerca.
Cuales seria las unidades de los coeficientes en la ecuación balanceada de
combustión?
Luego en el capitulo determinaremos la energía liberada por el proceso de
combustión en forma de calor transferido a los alrededores. Para simplificar estos
cálculos en mejor escribir la ecuación de combustión por kmol de combustible. Para
escribir la ecuación de combustión por kmol de combustible, dividimos por 4.07:
C H O N
CO CO O H O N
3 8 2 2
2 2 2 2
557 376
2 83 017 0 66 4 0 20 96
. ( . )
. . . . .La razón actual de aire-combustible es
AF
kmol airkg air
kmol air
kmol fuelkg fuel
kmol fuel
kg air
kg fuel
actual
(5. )( . ) .
[ ( ) ( )]
.
57 1 376 28 97
1 3 12 8 1
17 45
16
La ecuación de combustión teórica es
C H O N
CO H O N
3 8 2 2
2 2 2
5 376
3 4 0 1880
( . )
. .
La razón de aire-combustible teórica es
AF
kmol airkg air
kmol air
kmol fuelkg fuel
kmol fuel
kg air
kg fuel
th
(5)( . ) .
[ ( ) ( )]
.
1 376 28 97
1 3 12 8 1
1566
El por ciento de aire teórico es
Percent theoretical airAF
AF
actual
th
100%
17 45
1566100 111%
.
.
17
o
Percent theoretical airN
N
O actual
O th
2
2
100%
557
5100 111%
.
El por ciento de aire en exceso es
Percent excess airAF AF
AF
actual th
th
100%
17 45 1566
1566100 11%
. .
.
Temperatura de punto de rocío
La temperatura de punto de rocío para los gases de los productos es la temperatura
a la cual el agua en los productos empezara a condensarse cuando estos se enfrían
a temperatura constante. La temperatura de punto de rocío es igual a la temperatura
de saturación del agua a su presión parcial en los productos.
18
T T P y P
yN
N
v
v
e
dp sat v products
water
products
at
Ejemplo 15-5
Determine la temperatura de punto de rocío para los productos del Ejemplo 15-4.
products
dp sat
40.1398
2.83 0.17 0.66 4 20.96
0.1398(100 )
13.98
at13.98kPa
=52.31
v
v v
o
y
P y P kPa
kPa
T T
C
Que pasara si los gases de los productos se enfrían a 100oC o a 30oC?
19
Ejemplo 15-6
Un combustible hidrocarburo desconocido, CXHY reacciona con aire de tal forma
que los gases secos de los productos son 2.1% CO2, 3.8 %t O2, y 0.9% CO en base
volumétrica. Cual es la reposición de combustible promedio?
Asumimos que 100 kmol (debe asumir siempre 100 kmol?) de productos de gases
secos; entonces el % por volumen puede ser interpretado como números molares.
No conocemos cuanto aire fue suministrado o cuanta agua se formo para llegar a
100 kmol de productos de gases secos, pero asumimos 1 kmol de combustible
desconocido.
C H A O N
CO CO O B H O D N
X Y ( . )
. . .
2 2
2 2 2 2
376
121 0 9 38
Los 5 coeficientes desconocidos A, B, D, X, y Y se encuentran a través de la
conservación de la masa para cada especie, C, H, O, y N mas otra ecuación. Aquí
usamos el método de sustracción para el nitrógeno para generar la quinta ecuación
independiente para las variables desconocidas.
C H A O N
CO CO O B H O D N
X Y ( . )
. . .
2 2
2 2 2 2
376
121 0 9 38
20
Los coeficientes desconocidos A, B, D, X, e Y se encuentran a través de la
conservación de la masa para cada especie. Aquí asumimos que el resto de los
productos de gases secos es nitrógeno.
N D2 100 121 0 9 38 83 2: ( . . . ) .
O AD
O A B
B
C X
X
H Y B
Y
23 76
83 2
3 7622 13
2 12 1 2 0 9 1 38 2 1
1154
1 12 1 1 0 9 1
13 0
1 2
23 08
:.
.
..
: ( ) ( . )( ) ( . )( ) ( . )( ) ( )
.
: ( ) . ( ) ( . )( )
.
: ( ) ( )
.
La ecuación balanceada es
C H O N
CO CO O H O N
13 23 08 2 2
2 2 2 2
2213 376
121 0 9 38 1154 832
. . ( . )
. . . . .
21
Entalpia de Formación
Cuando un compuesto se forma de sus elementos (e.g., metano, CH4, de C y H2),
hay transferencia de calor. Cuando el calor se libera, la reacción es llamada
exotérmica. Cuando se requiere calor, la reacción se llama endotérmica. Considere
lo9 siguiente.
La ecuación de reacción es la siguiente
C H CH2 2 4
La conservación de la energía para un proceso de combustión de estado estable es
E E
Q H H
Q H H
in out
net
net
Reactants Products
Products Reactants
22
Q N h N h
Q h h h
net e e i i
net CH C H
Products Reactants
1 1 24 2
( )
Un estado de referencia común para la entalpia de todos los componentes reactivos
se establece como
La entalpia de los elementos o sus elementos estables se define
como cero a 25oC (298 K) y 1 atm (o 0.1 MPa).
Q h
h
net CH
CH
1 1 0 2 04
4
( ( ) ( ))
h f
oEsta transferencia de calor se llama entalpia de formación para metano , . El
súper índice (o) implica el valor de 1 atm de presión y en subindice (f) implica 25ºC ,
esta dado en la Tabla A-26.
Durante la formación del metano de los elementos a 298 K, 0.1 MPa, el calor es
cedido (reacción exotérmica) tal como
Q hkJ
kmolnet f
o
CHCH
4
4
74 850,
23
La entalpia de formación es tabulada para componentes típicos . La entalpia de
formación de los elementos en su forma estable se toma como cero. La entalpia de
formación de los elementos encontrados naturalmente como elementos biatómicos,
tales como el nitrógeno, oxigeno, e hidrogeno, se define como cero. La entalpia de
formación para muchos componentes de la combustión están dados en la siguiente
tabla
h f
o
h f
o
Substance Formula M kJ/kmol
Air 28.97 0
Oxygen O2 32 0
Nitrogen N2 28 0
Carbon dioxide CO2 44 -393,520
Carbon monoxide CO 28 -110,530
Water (vapor) H2Ovap 18 -241,820
Water (liquid) H2Oliq 18 -285,830
Methane CH4 16 -74,850
Acetylene C2H2 26 +226,730
Ethane C2H6 30 -84,680
Propane C3H8 44 -103,850
Butane C4H10 58 -126,150
Octane (vapor) C8H18 114 -208,450
Dodecane C12H26 170 -291,010
24
Las entalpias son calculadas en relación a una base común o de referencia llamada
entalpia de formación. La entalpia de formación es la transferencia de calor requerida
para formar un compuesto a partir de sus elementos a 25oC (77 F) o 298 K (537 R),
1 atm. La entalpia a cualquier otra temperatura esta dada por
h h h hf
o
T
o( )
Aquí el termino es la entalpia de cualquier componente a 298 K. Las entalpias a
las temperaturas T y 298 K pueden ser encontradas en las tablas A-18 hasta A-25. si
las tablas no están disponibles, la diferencia de entalpia debido a la diferencia de
temperatura puede ser calculada de
h o
Basado en una convención de signos clásica, la transferencia de calor neta al sistema
reactivo es Q H H
N h h h N h h h
net P R
e f
o
T
o
e i f
o
T
o
i[ ( )] [ ( )]Products Reactants
En un proceso de combustión actual, es el valor de Qnet positivo o negativo?
25
Ejemplo 15-7
Gas Butano C4H10 es quemado en aire teórico como se muestra debajo. Encuentre
la transferencia de calor neta por unidad de kmol de combustible.
Ecuación de combustión balanceada:
C H O N
CO H O N
4 10 2 2
2 2 2
65 376
4 5 24 44
. ( . )
.
La transferencia de calor para flujo estable es
Q H H
N h h h N h h h
net P R
e f
o
T
o
e i f
o
T
o
i[ ( )] [ ( )]Products Reactants
26
Reactivos: TR = 298 K
h f
ohT
h o N h h hi f
o
T
o
i[ ( )]Comp Ni
kmol/kmol
fuel
kJ/kmol kJ/kmol kJ/kmol kJ/kmol fuel
C4H10 1 -126,150 -- -- -126,150
O2 6.5 0 8,682 8,682 0
N2 24.44 0 8,669 8,669 0
H N h h h
kJ
kmol C H
R i f
o
T
o
i[ ( )]
,
Reactants
126 1504 10Productos: TP = 1000 K
h f
ohT
h o N h h he f
o
T
o
e[ ( )]Comp Ne
kmol/kmol
fuel
kJ/kmol kJ/kmol kJ/kmol kJ/kmol fuel
CO2 4 -393,520 42,769 9,364 -1,440,460
H2O 5 -241,820 35,882 9,904 -1,079,210
N2 24.44 0 30,129 8,669 +524,482
27
H N h h h
kJ
kmol C H
P e f
o
T
o
e[ ( )]
, ,
Products
1 9951884 10
Q H H
kJ
kmol C H
net P R
1869 0384 10
, ,
Temperatura de flama adiabática
La temperatura que los productos tienen cuando un proceso de combustión ocurre
adiabáticamente es llamada Temperatura de flama adiabática.
Ejemplo 15-8
Octano Liquido C8H18(liq) es quemado con 400% de aire teórico. Encuentre la
temperatura de flama adiabática cuando los reactivos entran a 298 K, 0.1 MPa, y los
productos salen a 0.1MPa.
28
La ecuación de combustión es
C H O N
CO O H O N
8 18 2 2
2 2 2 2
4 12 5 376
8 37 5 9 188
( . ) ( . )
.La transferencia de calor para flujo estable es
Q H H
N h h h N h h h
Adiabatic Combustion
net P R
e f
o
T
o
e i f
o
T
o
i[ ( )] [ ( )]
( )
Products Reactants
0
Entonces, HP = HR para combustión adiabática. Necesitamos resolver esta ecuación
para TP.
29
Como la temperatura de los reactivos es 298 K, ( )i = 0, h hT
o
H N h
kJ
kmol C H
R i f
o
iReactants
1 249 950 4 12 5 0 4 12 5 376 0
249 9504 10
( , ) ( . )( ) ( . )( . )( )
,
Como lo productos están a la temperatura de flama adiabática, TP > 298 K
2
2
2
2
2 2
2 2
Products
, ,
, ,
4 10
[ ( )]
8( 393,520 9364)
9( 241,820 9904)
37.5(0 8682)
188(0 8669)
( 7,443,845 8 9
37.5 188 )
P
P
P
P
P
P P
P P
o o
P e f T e
T CO
T H O
T O
T N
T CO T H O
T O T N
H N h h h
h
h
h
h
h h
kJh h
kmol C H
30
Por tanto, haciendo HP = HR produce
N h h h h he T e
oducts
T CO T H O T O T NP P P P P,
Pr
, , , ,.
, ,
8 9 37 5 188
7 193 895
2 2 2 2
Para estimar TP, asuma que todos los productos se comportan como N2 y estime la
temperatura de flama adiabática de los datos del nitrógeno, Tabla A-18.
242 5 7 193 895
29 6655
985
2
2
2
. , ,
, .
,
,
h
hkJ
kmol N
T K
T N
T N
p
P
P
Porque el CO2 y H2O son gases triatómicos y calores específicos mayores que los
gases biatómicos, la temperatura actual será algo menos que 985 K. Pruebe TP =
960 K y 970K.h K960
h K970
N he T eP ,
Produts
Ne
CO2 8 40,607 41,145
H2O 9 34,274 34,653
O2 37.5 29,991 30,345
N2 188 28,826 29,151
7,177,572 7,259,362
31
La Interpolación produce: TP = 962 K.
Ejemplo 15-9
Octano Liquido C8H18(liq) es quemado con exceso de aire. La temperatura de flama
adiabática es 960 K cuando los reactivos entran a 298 K, 0.1 MPa, y los productos
salen a 0.1MPa. Que por ciento de aire es suministrado?
Deje que A sea el exceso de aire; entonces la ecuación de combustión es
C H A O N
CO A O H O A N
8 18 2 2
2 2 2 2
1 12 5 376
8 12 5 9 1 12 5 376
( )( . ) ( . )
. ( )( . )( . )
32
La transferencia de calor para flujo estable es
Q H H
N h h h N h h h
Adiabatic combustion
net P R
e f
o
T
o
e i f
o
T
o
i[ ( )] [ ( )]
( )
Products Reactants
0
Aquí, como las temperaturas son conocidas, los valores de se conocen. Los
números de los productos gaseosos son desconocidos pero son función de la
cantidad de exceso de aire, A. El balance de energía puede ser resuelto para A.
hTP
A 3
O sea, 300 % de exceso, o 400 por ciento de aire teórico es suministrado.
Ejemplo 15-10
Tabule la temperatura de flama adiabática como una función del exceso de aire para
la combustión completa del C3H8 cuando el combustible entra a la cámara de
reacción de flujo estable a 298 K y aire entra a 400 K.
La ecuación de combustión es
C H A O N
CO A O H O A N
3 8 2 2
2 2 2 2
1 376
3 5 4 1 376
( )(5) ( . )
( )(5)( . )
33
Donde A es el valor de aire en exceso en forma decimal.
La Transferencia de calor para flujo estable
Q H H
N h h h N h h h
Adiabatic combustion
net P R
e f
o
T
o
e i f
o
T
o
i[ ( )] [ ( )]
( )
Products Reactants
0
Percent Excess
Air
Adiabatic Flame
Temp. K
0 2459.3
20 2191.9
50 1902.5
100 1587.1
217 1200
34
Entalpia de Reacción y Entalpia de Combustión
Cuando los productos y los reactivos están a la misma temperatura, la entalpia de
reacción hR, es la diferencia de sus entalpias. Cuando la combustión se asume
como completa con aire teórico suministrado la entalpia de reacción es llamada
entalpia de combustión hC. La entalpia de combustión puede ser calculada para
cualquier valor de la temperatura, pero es usualmente determinada a 25oC o 298 K.
h H H when T T C K
N h N h
C P R P R
o
e f
o
e i f
o
i
25 298
Products Reactants
Valor Calorífico
El Valor calorífico, HV, de un combustible es el valor absoluto de la entalpia de
combustión o solo el negativo de la entalpia de combustión.
HV hC
El Valor calorífico inferior, LHV, es el valor calorífico cuando agua aparece como
gas en los productos.
LHV h h with H O in productsC C gas2
35
El valor calorífico inferior es usado a menudo como la cantidad de energía por kmol
de combustible suministrado al motor de la turbina de gas.
El Valor calorífico superior, HHV, es el valor calorífico cuando agua aparece como
liquido en los productos.
HHV h h with H O in productsC C liquid2
El valor calorífico superior es usado a menudo como la cantidad de energía por kmol
de combustible suministrado al ciclo de potencia de vapor.
Vea la Tabla A-27 para los Valores caloríficos de combustibles a 25oC. Note que los
Valores caloríficos están en unidades de kJ/kg de combustible. Multiplicamos el valor
calorífico listado por la masa molar del combustible para determinar el valor calorífico
en unidades de kJ/kmol de combustible.
Los valores caloríficos superior e inferior están relacionados por la cantidad de agua
que se forma durante el proceso de combustión y la entalpia de vaporización del
agua a la temperatura.
HHV LHV N hH O fg H O2 2
36
Ejemplo 15-11
La entalpia de combustión de Octano gaseoso C8H18 a 25oC con agua liquida en los
productos es -5,500,842 kJ/kmol. Encuentre el valor calorífico inferior del octano
liquido.8 18 8 18 2 2
2
8 18 8 18 2
8 18
5,500,842 9 (44,010)
5,104,752
gas gasC H C H H O fg H OLHV HHV N h
kJ kmol H O kJ
kmol C H kmol C H kmol H O
kJ
kmol C H
8 18 8 18 8 18
8 18
8 18
(5,104752 41,382)
5,063,370
liq gasC H C H fg C H
liq
LHV LHV h
kJ
kmol C H
kJ
kmol C H
Puede explicar por que LHVliq< LHVgas?
37
Análisis de Sistemas Cerrados
Ejemplo 15-12
Una mezcla de 1 kmol C8H18 gas y 200 % de exceso de aire a 25oC, 1 atm, es
quemado completamente en un sistema cerrado (una bomba) y se enfría a 1200 K.
Encuentre la transferencia de calor desde en sistema y la presión final del sistema.
Aplique la primera ley para sistemas cerrados:
38
Asuma que los reactivos y los productos son gases ideales; entonces
PV NR Tu
La ecuación de combustión balanceada para 200 % de exceso de aire (300 % de
aire teórico) es C H O N
CO O H O N
8 18 2 2
2 2 2 2
3 12 5 376
8 25 9 141
( )( . ) ( . )
39
Q
h h
kJ
kmol C H
net CO
H O
O
N
K
o
C H
O
N
8 393 520 53 848 9364 8 314 1200
9 241820 44 380 9904 8 314 1200
25 0 38 447 8682 8 314 1200
141 0 36 777 8669 8 314 1200
1 208 450 8 314 298
37 5 0 8682 8682 8 314 298
141 0 8669 8669 8 314 298
112 10
2
2
2
2
8 18
2
2
298
6
8 18
( , , . ( ))
( , , . ( ))
( , . ( ))
( , . ( ))
( , . ( ))
. ( . ( ))
( . ( ))
.
Para encontrar la presión final, asumimos que los reactivos y los productos son
mezclas de gases ideales.
PV N R T
PV N R T
u
u
1 1 1 1
2 2 2 2
40
Donde el estado 1 es el estado de la mezcla de los reactivos antes del proceso de
combustión y el estado 2 es el estado de la mezcla de los productos después de que
el proceso de combustión a ocurrido. Note que el total de moles de los reactivos no
es igual al total de moles de los productos.
PV
PV
N R T
N R T
u
u
2 2
1 1
2 2
1 1
pero V2 = V1.
41
Análisis de Segunda ley para Sistemas Reactivos
Segunda ley para sistemas abiertos
Las relaciones para el balance de entropía desarrolladas en el capitulo 7 son
igualmente aplicables a ambos sistemas, reactivos y no reactivos siempre que las
entropías de los componentes individuales sean evaluadas apropiadamente usando
una base común.
Tomando la transferencia de calor hacia el sistema como positiva, la relación de
balance de entropía puede ser expresada para una cámara de combustión para flujo
estable comoQ
TS S S S kJ kk
k
gen CVReact Prod ( / )
42
Para un proceso adiabático, de flujo estable, la relación de balance de entropía se
reduce aS S Sgen adiabatic, Prod React 0
La tercera ley de la termodinámica establece que la entropía de una sustancia pura
cristalina a la temperatura del cero absoluto es cero. La tercera ley provee una base
común para la entropía de todas las sustancias, y los valores de entropía relativos a
esta base son llamadas entropía absoluta.
Las tablas de gas ideal listan los valores de entropía absoluta sobre un gran rango
de temperaturas pero a una presión de Po = 1 atm. Los valores de entropía absoluta
a otras presiones P para cualquier temperatura T se determinan de
s T P s T P RP
PkJ kmol Ko
o u
o
( , ) ( , ) ln [ / ( )]
Para un componente i de una mezcla de gases ideales, la entropía absoluta puede
ser escrita como
s T P s T P Ry P
PkJ kmol Ki i i
o
o ui m
o
( , ) ( , ) ln [ / ( )]
donde Pi es la presión parcial, yi es la fracción molar del componente, y Pm es la
presión total de la mezcla expresada en atmosferas.
43
Ejemplo 15-13
Una mezcla de etano gas C2H6 y oxigeno entra a una cámara de combustión a 1
atm, 25oC. Los productos salen a 1 atm, 900 K. Asumiendo combustión completa, el
proceso viola la segunda ley?
La ecuación balanceada de combustión es
C H O CO H O2 6 2 2 235 2 3.
44
La fracción molar para los reactivos y los productos es
y
y
y
y
C H
O
CO
H O
2 6
2
2
2
1
1 35
1
4 5
35
1 35
35
4 5
2
2 3
2
5
3
2 3
3
5
. .
.
.
.
.
Ahora calculando la entropía de cada componente por separado .
Para los gases reactivos:
45
S N s
kJ
kmol K
i i
C H
React
Reactants
1 242 0 35 2071
966 9
2 6
( . ) . ( . )
.
46
Para los gases de los productos:
47
S N s
kJ
kmol K
e e
C H
Prod
Products
2 2712 3 232 6
1240 2
2 6
( . ) ( . )
.
El cambio de entropía para el proceso de combustión es
S SkJ
kmol K
kJ
kmol K
C H
C H
Prod React ( . . )
.
1240 2 966 9
2733
2 6
2 6
Ahora para encontrar el cambio de entropía debido a la transferencia de calor con los
alrededores. La conservación de la energía para flujo estable para el volumen de
control esQ H H
N h h h N h h h
net sys P R
e f
o
T
o
e i f
o
T
o
i[ ( )] [ ( )]Products Reactants
48
Q
h h
kJ
kmol C H
net sys CO
H O
K
o
C H
O
2 393 520 37 405 9364
3 241820 31828 9904
1 214 820
35 0 8682 8682
1306 10
2
2
2 6
2
298
6
2 6
( , , )
( , , )
( , )
. ( )
.
Q
T
Q
T
kJ
kmol C H
K
kJ
kmol C H K
k
k
net sys
o
1306 10
25 273
4 383
6
2 6
2 6
.
( )
,
49
La entropía generada por este proceso de combustión es
como Sgen, o Snet , es ≥ 0, la segunda ley no es violada
50
Sumario• Combustibles y combustión
• Procesos de combustión teóricos y actuales
• Entalpia de formación y entalpia de
combustión
• Análisis de Primera ley de sistemas reactivos
– Sistemas de flujo estable
– Sistemas Cerrados
• Temperatura de flama adiabática
• Cambio de entropía de sistemas reactivos
• Análisis de segunda ley de sistemas reactivos