La Combustión





Combustión, proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un aumento de calor y frecuentemente de luz. En el caso de los combustibles comunes, el proceso consiste en una reacción química con el oxígeno de la atmósfera que lleva a la formación de dióxido de carbono, monóxido de carbono y agua, junto con otros productos como dióxido de azufre, que proceden de los componentes menores del combustible. El término combustión, también engloba el concepto de oxidación en sentido amplio. El agente oxidante puede ser ácido nítrico, ciertos percloratos e incluso cloro o flúor. (Para la mayoría de los combustibles y productos químicos que se mencionan aquí, consúltese el artículo correspondiente).
LIBERACIÓN DE ENERGÍA

Despegue de un cohete
Un cohete despega de su plataforma de lanzamiento en cabo Cañaveral, Florida. La mayor parte del cohete está lleno de combustible líquido y un agente oxidante también líquido. El combustible y el agente oxidante se mezclan y arden en la cámara de combustión; la presencia del agente oxidante asegura que el combustible arda con mucha más eficacia que si sólo dependiera del aire que lo rodea para conseguir el oxígeno.

La mayoría de los procesos de combustión liberan energía (casi siempre en forma de calor), que se aprovecha en los procesos industriales para obtener fuerza motriz o para la iluminación y calefacción domésticas. La combustión también resulta útil para obtener determinados productos oxidados, como en el caso de la combustión de azufre para formar dióxido de azufre y ácido sulfúrico como producto final. Otro uso corriente de la combustión es la eliminación de residuos.
La energía liberada durante la combustión provoca una subida de temperatura en los productos. La temperatura alcanzada dependerá de la velocidad de liberación y disipación de energía, así como de la cantidad de productos de combustión. El aire es la fuente de oxígeno más barata, pero el nitrógeno, al constituir tres cuartos del aire en volumen, es el principal componente de los productos de combustión, con un aumento de temperatura considerablemente inferior que en el caso de la combustión con oxígeno puro. Teóricamente, en toda combustión sólo se precisa añadir una mínima porción de aire al combustible para completar el proceso. Sin embargo, con una mayor cantidad de aire, la combustión se efectúa con mayor eficacia y aprovechamiento de la energía liberada. Por otra parte, un exceso de aire reducirá la temperatura final y la cantidad de energía liberada. En consecuencia habrá de establecerse la relación aire-combustible en función de la temperatura y del grado de combustión deseados. Para lograr altas temperaturas se puede utilizar aire rico en oxígeno, o incluso oxígeno puro, como en el caso de la soldadura oxiacetilénica (véase Acetileno). El grado de combustión se puede aumentar partiendo el material combustible para aumentar su superficie y de este modo incrementar su velocidad de reacción. También se consigue dicho aumento añadiendo más aire para proporcionar más oxígeno al combustible. Cuando se necesita liberar energía de modo instantáneo, como en el caso de los cohetes, se puede incorporar el oxidante directamente al combustible durante su elaboración.
COMBUSTIBLES SÓLIDOS
Por orden de potencial calorífico, los combustibles sólidos más comunes son: el carbón, el coque, la madera, el bagazo de caña de azúcar y la turba. La combustión de estos materiales provoca la descomposición del combustible y la formación de materias volátiles como el gas, que arden con una llama tiznosa. Los residuos de sólidos carbónicos arden dependiendo de la difusión de oxígeno en su superficie. Esta combustión precisa una temperatura en la superficie que oscile entre 400 y 800 °C, que se puede conseguir por la radiación del calor procedente de un objeto o medio de temperatura elevada. Al quemar combustible en una chimenea, el aire debe ir atravesando el combustible sólido, y la temperatura necesaria se mantiene por radiación entre las partículas. Al objeto de lograr una combustión más rápida, al carbón se le añade aire y se le trata en un horno. La relación aire-combustible necesaria dependerá fundamentalmente del tipo de combustible empleado; así 1 kg de carbón común bituminoso requiere un mínimo de 11 kg de aire para completar la combustión. En el caso del carbón activado, la temperatura de las llamas puede llegar a los 1.540 °C. Si se quema carbón en polvo fino (polvo de carbón) o un hidrocarburo en circunstancias no controladas, la combustión se produce con gran rapidez, casi como una explosión. Ejemplos de estos procesos de combustión acelerada son los incendios en minas causados por el polvo de carbón. Véase Minería.
COMBUSTIBLES LÍQUIDOS Y GASEOSOS
Los combustibles líquidos más comunes son el fuel, la gasolina y las naftas derivadas del petróleo. Les siguen en importancia el alquitrán de hulla, el alcohol y el benzol obtenido en el proceso de elaboración de coque. En los hornos fijos se introduce fuel poco volátil en la cámara de combustión a través de unas boquillas, ya sea en presencia de vapor y aire o sin ella. En un motor de combustión interna, los combustibles volátiles como la gasolina o las mezclas de alcohol y gasolina (gasolina reformada) se evaporan y la mezcla penetra en el cilindro del motor, donde la combustión se provoca con una chispa. En el caso de estos combustibles se precisan entre 16 y 23 kg de aire para la combustión de 1 kg de combustible. En los motores diesel, el combustible se introduce en forma de lluvia atomizada en la cámara de combustión, donde el aumento de temperatura asociado con el nivel de compresión de dichos motores, es suficiente para provocar el encendido.
A los combustibles gaseosos como el gas natural, el gas refinado o los gases manufacturados, se les añade aire antes de la combustión para proporcionarles una cantidad suficiente de oxígeno. La mezcla de aire y combustible surge del quemador a una velocidad mayor que la de la propagación de la llama, evitando así el retroceso de ésta al quemador, pero permitiendo el mantenimiento de la llama en éste. Estos combustibles, en ausencia de aire, arden con llamas relativamente frías y humeantes. Cuando el gas natural arde en el aire alcanza temperaturas que superan los 1.930 °C.
Los cohetes espaciales suelen utilizar combustibles líquidos como el queroseno y la hidracina, y contienen oxidantes como el oxígeno líquido, el ácido nítrico o el peróxido de hidrógeno. Los lanzacohetes militares emplean combustibles sólidos como la cordita, a los que se incorpora oxígeno; éstos arden espontáneamente al calentarse por la radiación de los productos de la combustión.
INVESTIGACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES
Al ser la combustión un elemento clave en la producción de energía, se destinan grandes esfuerzos a la investigación y descubrimiento de procesos más eficaces para quemar combustibles. Otra parte del esfuerzo de los investigadores se dirige a conseguir reducir la cantidad de contaminantes que se liberan durante la combustión, pues estos productos son causa de importantes problemas de deterioro medioambiental como la lluvia ácida. En los laboratorios de combustión, los científicos se valen de complejos sistemas láser para el estudio de los motores y sistemas de combustión, con el fin de detectar fugas de combustible y mejorar tales sistemas. También es frecuente el uso del láser en pruebas destinadas a clarificar los procesos químicos que tienen lugar en las llamas, a fin de comprender mejor las formas y usos del fuego.

Pila de combustible





Pila de combustible
Pila de combustible, mecanismo electroquímico en el cual la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la pila.
Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible —comúnmente hidrógeno, amoníaco o hidracina— y un cátodo en el que se introduce un oxidante —normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrólito iónico conductor. En el caso de una pila de combustible de hidrógeno-oxígeno con un electrólito de hidróxido de metal alcalino, la reacción del ánodo es 2H2 + 4OH- → 4H 2O + 4e- y la reacción del cátodo es O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-. Los electrones generados en el ánodo se mueven por un circuito externo que contiene la carga y pasan al cátodo. Los iones OH- generados en el cátodo son conducidos por el electrólito al ánodo, donde se combinan con el hidrógeno y forman agua. El voltaje de la pila de combustible en este caso es de unos 1,2 V pero disminuye conforme aumenta la carga. El agua producida en el ánodo debe ser extraída continuamente para evitar que inunde la pila. Las pilas de combustible de hidrógeno-oxígeno que utilizan membranas de intercambio iónico o electrólitos de ácido fosfórico fueron utilizadas en los programas espaciales Gemini y Apolo respectivamente. Las de ácido fosfórico tienen un uso limitado en las instalaciones eléctricas generadoras de energía.
Actualmente se están desarrollando las pilas de combustible con electrólitos de carbonato fundido. El electrólito es sólido a temperatura ambiente, pero a la temperatura de operación (650 a 800 °C), es un líquido con iones carbonato conductores. Este sistema tiene la ventaja de utilizar monóxido de carbono como combustible, por lo que pueden utilizarse como combustible mezclas de monóxido de carbono e hidrógeno como las que se producen en un gasificador de carbón.
También se están desarrollando pilas de combustible que emplean dióxido de circonio sólido como electrólito. Estas pilas se llaman pilas de combustible de óxido sólido. El dióxido de circonio se convierte en un conductor iónico a unos 1.000 °C. Los combustibles más adecuados son el hidrógeno, el monóxido de carbono y el metano, y al cátodo se le suministra aire u oxígeno. La elevada temperatura de operación de las pilas de combustible de óxido sólido permite el uso directo de metano, un combustible que no requiere catalizadores costosos de platino sobre el ánodo. Las pilas de combustible de óxido sólido tienen la ventaja de ser relativamente insensibles a los contaminantes del combustible, como los compuestos de azufre y nitrógeno que empeoran el rendimiento de otros sistemas de combustible.
La temperatura relativamente elevada de operación de las pilas de combustible de carbonato fundido y óxido sólido facilitan la eliminación en forma de vapor del agua producida por la reacción. En las pilas de combustible de baja temperatura se deben tomar medidas para eliminar el agua líquida de la cámara del ánodo.



En el ejemplo típico de una célula de membrana intercambiadora de protones (o electrolito polimérico) hidrógeno/oxígeno de una celda de combustible (PEMFC, en inglés: proton exchange membrane fuel cell), una membrana polimérica conductora de protones (el electrolito), separa el lado del ánodo del lado del cátodo.
En el lado del ánodo, el hidrógeno que llega al ánodo catalizador se disocia en protones y electrones. Los protones son conducidos a través de la membrana al cátodo, pero los electrones están forzados a viajar por un circuito externo (produciendo energía) ya que la membrana está aislada eléctricamente. En el catalizador del cátodo, las moléculas del oxígeno reaccionan con los electrones (conducidos a través del circuito externo) y protones para formar el agua. En este ejemplo, el único residuo es vapor de agua o agua líquida. Es importante mencionar que para que los protones puedan atravesar la membrana, esta debe estar convenientemente humidificada dado que la conductividad protónica de las membranas poliméricas utilizadas en este tipo de pilas depende de la humedad de la membrana. Por lo tanto, es habitual humidificar los gases previamente al ingreso a la pila.
Además de hidrógeno puro, también se tiene el hidrógeno contenido en otras moléculas de combustibles incluyendo el diésel, metanol (véase DMFC) y los hidruros químicos, el residuo producido por este tipo de combustibles además de agua es dióxido de carbono, entre otros.

Combustibles





Combustible, sustancia que reacciona químicamente con otra sustancia para producir calor, o que produce calor por procesos nucleares. El término combustible se limita por lo general a aquellas sustancias que arden fácilmente en aire u oxígeno emitiendo grandes cantidades de calor. Los combustibles se utilizan para calentar, para producir vapor con el fin de obtener calor y energía, para proporcionar energía a los motores de combustión interna, y como fuente directa de energía en aviones y cohetes a propulsión. En los casos en que el combustible debe proporcionar su propio oxígeno, como ocurre en ciertos cohetes y en la propulsión a chorro, se le añade a la mezcla de combustible un agente oxidante como el peróxido de hidrógeno o el ácido nítrico.
Las reacciones químicas de la combustión suponen la combinación del oxígeno con el carbono, hidrógeno o azufre presentes en los combustibles. Los productos finales son dióxido de carbono, agua y dióxido de azufre. Las demás sustancias presentes en los combustibles no contribuyen a la combustión, pero salen en forma de vapor o permanecen después de la combustión en forma de ceniza.
La eficacia del combustible, o capacidad calorífica, se mide normalmente en términos de energía térmica (calor) desarrollada cuando una cantidad dada del combustible se quema bajo condiciones estándar o patrón. Las capacidades caloríficas de los combustibles sólidos y líquidos se miden en julios por kilogramo o metro cúbico. A veces se hace una distinción entre capacidad calorífica superior, que es el calor total desarrollado durante la combustión, y capacidad calorífica inferior, que es el calor neto desarrollado, descontando el calor perdido en la evaporación del agua durante la combustión. Las capacidades caloríficas superiores aproximadas de los combustibles sólidos comunes son (J/kg): carbón, de 28 a 35 millones; lignito, de 14 a 17 millones; coque, 29 millones, y madera seca, 20 millones. Para los combustibles líquidos comunes son: alcohol, 25 millones; aceite combustible, 44 millones; petróleo, 48 millones, y parafina, 46 millones. Para los combustibles gaseosos son: acetileno, 55 millones; gas de altos hornos, 3,5 millones; monóxido de carbono, 12 millones; gas de horno de coque o gas de hulla, unos 22 millones; hidrógeno, 12 millones; gas natural, de 39 a 82 millones; gas de petróleo, 19 millones, y gas pobre, 5 millones. (Véanse artículos individuales sobre la mayoría de estos combustibles).

La principal característica de un combustible es su poder calorífico, que es el calor desprendido por la combustión completa de una unidad de masa (kilogramo) de combustible. Este calor o poder calorífico, también llamado capacidad calorífica, se mide en julio (joule en inglés), caloría o BTU, dependiendo del sistema de unidades.
Tabla de poderes caloríficos de sustancias combustibles
Combustible
MJ/kg
kcal/kg
53,6
12 800
48,55
11 600
46,0
11 000
42,7
10 200
40,2
9 600
34,7
8 300
32,6
7 800
29,3
7 000
Alcohol de 95º
28,2
6 740
20,0
4 800
19,7
4 700
16,7
4 000
17,7
4 000

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