Temperatura de llama adiabática

En el estudio de la combustión, hay dos tipos de temperatura de llama adiabática que depende de cómo el proceso está completado, volumen constante y presión constante, esta describe la temperatura de los productos de la combustión teóricamente alcanzada si no se pierde energía al ambiente exterior.

La temperatura de flama adiabática a volumen constante es la temperatura que resulta de un proceso de combustión completa que ocurre sin cualquier trabajo, transferencia de calor o cambios en cinética o energía potencial. La temperatura de flama adiabática a presión constante es la temperatura que resulta de un proceso de combustión completa que ocurre sin transferencia de calor o cambios en cinética o energía potencial. Su temperatura es más baja que el proceso de volumen constante porque parte de la energía se utiliza para cambiar el volumen del sistema (i.e., genera trabajo).

Flamas comunes

Octano

En la vida diaria, la gran mayoría de las flamas que encontramos son las de compuestos orgánicos como la madera, cera, grasa, plásticos comunes, propano, gas y gasolina. La flama adiabática a presión constante de tales sustancias en el aire está en un rango relativamente estrecho alrededor de 1950 °C. Esto es debido a que, en términos de la estequiometria, la combustión de un compuesto orgánico con n átomos de carbono consiste en romper aproximadamente 2n enlaces C–H, n enlaces C–C , y 1.5 n enlaces O₂ para formar aproximadamente n moléculas de CO₂ y n moléculas de H₂O.

Debido a que la mayoría de los procesos de combustión que ocurren naturalmente en el aire libre, no hay nada que limite al gas a un volumen determinado, como el cilindro en un motor. Como resultado, estas sustancias se queman a una presión constante, permitiendo que el gas se expanda durante el proceso.

Temperaturas de flama comunes

Suponiendo condiciones atmosféricas (1 bar y 20 °C), la siguiente tabla muestra la temperatura de llama adiabática para varios gases a presión constante. Las temperaturas que se mencionan aquí son para una relación estequiometria de combustible-oxidante de la mezcla (i.e. proporción de equivalencia φ = 1).

Nota: estos son datos teóricos de la temperatura de la llama que se producen por un proceso que no pierde calor. El más cercano será la parte más caliente de la llama, donde la reacción de combustión es más eficiente. Esto también supone una combustión completa (p. ej. perfectamente equilibrado, normalmente llama azulada).

Temperatura de llama adiabática (presión constante) de materiales de gases/comunes
Combustible	Oxidante	(°C) $T_{ad}$	(°F) $T_{ad}$
Acetileno (C2H2)	Aire	2500	4532
Acetileno (C2H2)	Oxígeno	3480	6296
Butano (C4H10)	Aire	1970	3578
Cianógeno (C2N2)	Oxígeno	4525	8177
Dicianoacetileno (C4N2)	Oxígeno	4990	9010
Etano (C2H6)	Aire	1955	3551
Etanol (C2H5OH)	Aire	2082	3779^[1]
Gasolina	Aire	2138	3880^[2]
Hidrógeno (H2)	Aire	2254	4089^[3]
Hidrógeno (H2)	Oxígeno	3200	5792^[4]
Metano (CH4)	Aire	1963	3565^[5]
Metanol (CH4O)	Aire	1949	3540^[6]
Gas natural	Aire	1960	3562^[7]
Pentano (C5H12	Aire	1977	3591^[8]
Propano (C3H8)	Aire	1980	3596^[9]
Propano (C3H8)	Oxígeno	2526	4579
MAPP Gasista Metilacetileno (C3H4)	Aire	2010	3650
MAPP Gasista Metilacetileno (C3H4)	Oxígeno	2927	5301
Tolueno (C7H8)	Aire	2071	3760^[10]
Madera	Aire	1980	3596
Queroseno	Aire	2093^[11]	3801
Aceite combustible ligero	Aire	2104^[11]	3820
Aceite combustible medio	Aire	2101^[11]	3815
Aceite combustible pesado	Aire	2102^[11]	3817
Carbón bituminoso	Aire	2172^[11]	3943
Antracita	Aire	2180^[11]	3957
Antracita	Oxígeno	≈2900^{[see 1]}	≈5255
Aluminio	Oxígeno	3732	6750^[12]
Litio	Oxígeno	2438	4420^[13]
Fósforo (blanco)	Oxígeno	2969	5376^[14]
Circonio	Oxígeno	4005	7241^[15]

↑ La temperatura igual a ≈3200 K corresponde al 50 % de la disociación química de CO2 a la presión de 1 atm. El último permanece invariante para la llama adiabática y el dióxido de carbono constituye el 97% del total de la salida de gas en el caso de antracita se quema en oxígeno. Las temperaturas más altas ocurren para la reacción de salida, mientras van en alta presión (hasta 3800 K y por encima, vease e.j. Jongsup Hong et al , p.8).

Termodinámica

A partir de la primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado tenemos,

{}_{R}Q_{P}-{}_{R}W_{P}=U_{P}-U_{R}

donde ${}_{R}Q_{P}$ y ${}_{R}W_{P}$ son el calor y el trabajo transferido desde el sistema a los alrededores durante el proceso respectivamente, y $U_{R}$ y $U_{P}$ son la energía interna de los reactivos y productos, respectivamente. En el caso de la flama a volumen constante, el volumen del sistema se mantiene constante por lo tanto no hay ningún trabajo que ocurra;

{}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=0

y no hay transferencia de calor debido a que el proceso está definido para ser adiabático: ${}_{R}Q_{P}=0$ . Como resultado, la energía interna de los productos es igual a la energía interna de los reactivos $U_{P}=U_{R}$ . Debido a que este es un sistema cerrado, la masa de los productos y de los reactivos es constante y la primera ley se puede escribir sobre una base de masa;

.

U_{P}=U_{R}\Rightarrow m_{P}u_{P}=m_{R}u_{R}\Rightarrow u_{P}=u_{R}

Entalpía contra temperatura. Esquema que ilustra cálculos en un sistema cerrado

Energía interna contra Temperatura. Esquema que ilustra cálculos en un sistema cerrado

En el caso de que el proceso de la flama adiabática se lleve a cabo a presión constante la ecuación del trabajo se traduce a; ${}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=p\left({V_{P}-V_{R}}\right)$ Otra vez no hay ninguna transferencia de calor ocurriendo porque el proceso está definido para ser adiabático: . ${}_{R}Q_{P}=0$ De la primera ley, encontramos que,

-p\left({V_{P}-V_{R}}\right)=U_{P}-U_{R}\Rightarrow U_{P}+pV_{P}=U_{R}+pV_{R}

Recordando la definición de entalpía $H_{P}=H_{R}$ .Porque es un sistema cerrado, la masa de los reactivos y los productos son constantes y la primera ley de la termodinámica se puede traducir en,

.

H_{P}=H_{R}\Rightarrow m_{P}h_{P}=m_{R}h_{R}\Rightarrow h_{P}=h_{R}

Podemos observar que la temperatura de la flama adiabática de un proceso a presión constante es menor que la de un proceso a volumen constante. Esto es porque alguna de la energía realizada durante la combustión va a cambiar el volumen de control del sistema. Una analogía que se hace comúnmente entre los dos procesos es a través de la combustión en un motor de combustión interna. Para el proceso adiabático a volumen constante, se piensa que la combustión ocurre instantáneamente cuando el pistón alcanza la parte superior de su vértice (ciclo de Otto o ciclo de volumen constante). Para el proceso adiabático presión constante, mientras que la combustión se produce el pistón se mueve con el fin de mantener la presión constante (ciclo Diesel o ciclo de presión constante).

Si asumimos que la combustión se completó (i.e. $CO_{2}$ y $H_{2}O$ ), podemos calcular la temperatura de la flama adiabática a mano, ya sean en condiciones estequiometricas o apoyarse de estequiometria (exceso de aire). Esto se debe a que hay suficientes variables y ecuaciones molares para equilibrar los lados izquierdo y derecho,

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\to \nu _{1}{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{4}{\rm {O}}_{\rm {2}}

Ricos de estequiometría no hay suficientes variables porque la combustión no puede ser completada al menos con $CO$ y $H_{2}$

necesarios para el balance molar (estos son los productos más comunes incompletos de la combustión),

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\to \nu _{1}{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{5}{\rm {CO}}+\nu _{6}{\rm {H}}_{\rm {2}}

Sin embargo, si incluimos la reacción de desplazamiento de gas de agua,

{\rm {CO}}_{\rm {2}}+H_{2}\Leftrightarrow {\rm {CO}}+{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}

y el uso de la constante de equilibrio para esta reacción, tendremos suficientes variables para completar el cálculo.

Diferentes combustibles con diferentes niveles de componentes de energía y molares tendrán diferentes temperaturas de flama adiabática.

Podemos ver por la figura siguiente qué nitrometano (CH₃NO₂) se utiliza a menudo como un impulso de energía para los coches. Dado que cada mol de nitrometano contiene dos moles de oxígeno, este puede arder muy caliente porque este proporciona su propio oxidante junto con el combustible. Esto a su vez permite que se acumule más presión durante un proceso de volumen constante. Cuanto mayor sea la presión, más fuerza sobre el pistón hay, creando más trabajo y más potencia en el motor. Es interesante observar que se mantiene relativamente caliente rica de estequiometría, ya que contiene su propio oxidante. Sin embargo, el funcionamiento continuo de un motor en nitrometano finalmente funde el pistón y / o cilindro debido a esta temperatura más alta.

En las aplicaciones del mundo real, la combustión completa no ocurre típicamente. La Química dicta que la disociación y cinética cambiará los componentes relativos del producto. Hay un número de programas disponibles que pueden calcular la temperatura de la flama adiabática, teniendo en cuenta la disociación a través de constantes de equilibrio (Stanjan, NASA CEA, AFTP). La siguiente figura ilustra que los efectos de la disociación tienden hacer más baja la temperatura de la flama. Estos resultados pueden ser explicados a través del principio de Le Chatelier.

Ver también

Proceso adiabatico

Referencias

↑ Flame Temperature Analysis and NOx Emissions for Different Fuels
↑ Flame Temperature Analysis and NOx Emissions for Different Fuels
↑ Flame Temperature Analysis and NOx Emissions for Different Fuels
↑ Flame temperatures
↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51
↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51
↑ North American Combustion Handbook, Volume 1, 3rd edition, North American Mfg Co., 1986.
↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51
↑ [1]
↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51
↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Power Point Presentation: Flame Temperature, Hsin Chu, Department of Environmental Engineering, National Cheng Kung University, Taiwan
↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51
↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51
↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51
↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51

Enlaces externos

Información general

Babrauskas, Vytenis (2006-02-25). Babrauskas, Vytenis (25 de febrero de 2006). «Temperatures in flames and fires». Fire Science and Technology Inc. Archivado desde el original el 12 January 2008. Consultado el 27 de enero de 2008. Recuperó Babrauskas, Vytenis (25 de febrero de 2006). «Temperatures in flames and fires». Fire Science and Technology Inc. Archivado desde el original el 12 January 2008. Consultado el 27 de enero de 2008.
Computación de temperatura de llama adiabática
Temperatura de llama adiabática

Tablas

"Temperatura de Llama adiabática". «Adiabatic Flame Temperature». The Engineering Toolbox. Archivado desde el original el 28 January 2008. Consultado el 27 de enero de 2008. Archived Del original el 28 de enero de 2008. Recuperó 2008-01-27. Temperatura de llama adiabática de hidrógeno, metano, propane y octane con oxígeno o aire como oxidizers
"Temperaturas de llama para algunos Gases Comunes". «Flame Temperatures for some Common Gases». The Engineering Toolbox. Archivado desde el original el 7 January 2008. Consultado el 27 de enero de 2008. Archived Del original el 7 de enero de 2008. Recuperó 2008-01-27.
Temperatura de una llama azul y materiales comunes

Calculadoras

Temperatura de llama adiabática on-line la calculadora que utiliza Cantera
Programa de temperatura de llama adiabático
Gaseq, programa para actuar cálculos de equilibrio químico.
Calculadora de Temperatura de la llama - presión Constante bipropellant combustión adiabática
Calculadora de Temperatura de Llama adiabática

[12] La temperatura igual a ≈3200 K corresponde al 50 % de la disociación química de CO2 a la presión de 1 atm. El último permanece invariante para la llama adiabática y el dióxido de carbono constituye el 97% del total de la salida de gas en el caso de antracita se quema en oxígeno. Las temperaturas más altas ocurren para la reacción de salida, mientras van en alta presión (hasta 3800 K y por encima, vease e.j. Jongsup Hong et al , p.8).

[1] Flame Temperature Analysis and NOx Emissions for Different Fuels

[2] Flame Temperature Analysis and NOx Emissions for Different Fuels

[3] Flame Temperature Analysis and NOx Emissions for Different Fuels

[4] Flame temperatures

[5] CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51

[6] CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51

[7] North American Combustion Handbook, Volume 1, 3rd edition, North American Mfg Co., 1986.

[8] CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51

[9] [1]

[10] CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51

[Chu-11] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Power Point Presentation: Flame Temperature, Hsin Chu, Department of Environmental Engineering, National Cheng Kung University, Taiwan

[13] CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51

[14] CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51

[15] CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51

[16] CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51

[1]

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[5]

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[see 1]

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