II.7.4. Determinarea căldurii de combustie.

Combustibilii sunt substanțe care degajă căldură, prin arderea lor.

Clasificarea combustibililor :

Fiecare combustibil este caracterizat de o constantă de material, numită putere calorică (notată cu q), pe care o luăm din tabelul următor.

Puterea calorică a combustibilului (q) reprezintă căldura care se degajă la arderea unității de masă (exprimată în MJ/kg) sau de volum (exprimată în MJ/m³).

În procesul de ardere a celor mai mulți combustibili se formează CO₂ și H₂O (ori în stare lichidă, ori în stare gazoasă). Căldura de vaporizare a apei este ΔH°_vap. = 44 kJ/mol, fiind pozitivă întrucât este un proces endoterm.

Puterea calorică a unui combustibil poate fi :
- puterea calorică superioară (q_s), atunci când rezultă apă în stare lichidă;
- puterea calorică inferioară (q_i), atunci când rezultă apă în stare gazoasă.

q_s > q_i, deoarece transformarea apei în vapori are loc cu consum de căldură.

🔦 Observație

Deși reacțiile de ardere sunt exoterme, prin convenție, puterea calorică se consideră pozitivă.

Căldura (entalpia) de combustie (ΔH°_combustie) reprezintă căldura care se degajă la arderea unui mol de substanță (exprimată în kJ/mol).

Relația dintre căldura de ardere și puterea calorică exprimată în MJ/kg:

q = puterea calorică (MJ/kg)
μ = masa molară a substanței (Kg/kmol)

Relația dintre căldura de ardere și puterea calorică exprimată în MJ/m3 :

q = puterea calorică (MJ/m³)
V_m = volumul molar = 22,4 m³

Pentru a determina experimental căldura (entalpia) de combustie (ΔH°_combustie) se folosește bomba calorimetrică.

Bomba calorimetrică este alcătuită dintr-un recipient de oțel inoxidabil cufundat într-un calorimetru cu apă. O anumită masă de substanță se aprinde în camera de reacție prin intermediul curentului electric, arzând instantaneu. Se măsoară variația temperaturii apei din calorimetru și se determină căldura de ardere la volum constant, din care se calculează căldura de combustie la presiune constantă, (ΔH°_combustie), în condiții standard (25 °C și 1 atm).

🔦 Observație

Hidrocarburile prin ardere degajă căldură și formează CO₂ și H₂O.

Reacția generală de ardere a hidrocarburilor este:

🔓 Problemă rezolvată

1. Ce masă de motorină cu puterea calorică de 42 MJ/kg, prin ardere, încălzește 2 kg de apă de la temperatura de 10 °C la 90°C ?

Rezolvare:

Scriem datele problemei:
m_motorină = ?
q = 42 MJ/kg = 42000 kJ/kg
m_apă = 2 kg
c = 4,18 kJ/kg ∙ grad

Atenție la căldura specifică a apei, deoarece avem diferite valori în funcție de unitățile ei de măsură. Putem avea c = 4,18 J/g ∙ grad = 4,18 ∙ 10^-3 kJ/ g ∙ grad = 4,18 kJ/kg ∙ grad.

De asemenea, trebuie acordată atenție și la valorile puterii calorice a combustibililor, deoarece poate fi exprimată în MJ/kg, MJ/m³, kcal/kg etc.

Δt = t_f – t_i = variația temperaturii apei din calorimetru = 90°C - 10°C = 80°C

Calculăm căldura primită de apa din calorimetru:
Q_p = m_apă ∙ c ∙ Δt = 2 kg ∙ 4,18 kJ/ kg ∙ grad ∙ 80°C = 668,8 kJ

Calculăm căldura cedată de motorină prin arderea sa:
Q_c = m_motorină ∙ q = m_motorină ∙ 42000 kJ/kg

Scriem ecuația calorimetrică, înlocuim valorile calculate și scoatem necunoscuta:

🤔 Pentru curioși

Într-un motor cu combustie internă compuşii organici se aprind şi generează dioxid de carbon şi vapori de apă, adică gazele care creează presiunea necesară pentru a pune în mişcare pistoanele. În practică combustia nu este însă niciodată completă, iar uneori hidrocarburile rămase nearse se pot autoaprinde ceea ce duce la ”trepidarea” motorului şi scăderea randamentului. Un antidot al acestei probleme sunt compuşii cu plumb, o metodă la care s-a renunţat însă treptat din cauza toxicităţii metalului.

În mașinile de Formula 1 combustibilul folosit este benzina obişnuită, la care se adaugă diferiți aditivi, în limitele legale ale concursului. Etanolul, metanolul, metil terţ-butil-eterul (MTBE) şi etil terţ-butil-eterul (ETBE) sunt câteva exemple de compuşi care măresc eficienţa combustiei datorită conţinutului lor de oxigen.

Înainte de cursa de Formula 1 este testat anti-doping nu numai pilotul, ci şi automobilul, respectiv benzina. Înainte de curse fiecare echipă trebuie să furnizeze Federaţiei Internaţionale a Automobilului (FIA) o mostră de combustibil pentru a fi analizată prin tehnica denumită cromatografie gazoasă. Rezultatul obţinut este apoi comparat cu cel generat de o mostră de combustibil de referinţă, iar dacă diferenţele sunt mai mari decât cele specificate de norme, combustibilul este considerat necorespunzător, iar maşina este descalificată.