Un combustible es cualquier material que se pueda hacer reaccionar con otras sustancias para que libere energía en forma de energía térmica o para su uso en el trabajo . El concepto se aplicó originalmente únicamente a aquellos materiales capaces de liberar energía química, pero desde entonces también se ha aplicado a otras fuentes de energía térmica como la energía nuclear (a través de la fisión nuclear y la fusión nuclear ).
La energía térmica liberada por las reacciones de los combustibles se convierte en energía mecánica a través de un motor térmico . Otras veces, el calor en sí se valora por el calor, la cocción o los procesos industriales, así como la iluminación que viene con la combustión . Los combustibles también se utilizan en las células de los organismos en un proceso conocido como respiración celular , donde las moléculas orgánicas se oxidan para liberar energía utilizable. Los hidrocarburos y las moléculas relacionadas que contienen oxígeno son, con mucho, la fuente más común de combustible utilizada por los seres humanos, pero también se utilizan otras sustancias, incluidos los metales radiactivos.
Los combustibles se contrastan con otras sustancias o dispositivos que almacenan energía potencial, como los que liberan directamente energía eléctrica (como baterías y condensadores ) o energía mecánica (como volantes , resortes, aire comprimido o agua en un depósito).
Historia [ editar ]
El primer uso conocido de combustible fue la combustión de madera o palos por Homo erectus hace casi dos millones de años. [2] [ página necesaria ] A lo largo de la mayor parte de la historia de la humanidad, los seres humanos solo utilizaron combustibles derivados de grasas vegetales o animales. El carbón vegetal , un derivado de la madera, se ha utilizado desde al menos 6.000 a. C. para fundir metales. Solo fue suplantado por el coque , derivado del carbón, ya que los bosques europeos comenzaron a agotarse alrededor del siglo XVIII. Las briquetas de carbón vegetal ahora se utilizan comúnmente como combustible para cocinar a la parrilla . [3]
El petróleo crudo fue destilado por químicos persas , con descripciones claras en manuales árabes como los de Muhammad ibn Zakarīya Rāzi . [4] Describió el proceso de destilación de petróleo crudo / petróleo en queroseno , así como otros compuestos de hidrocarburos, en su Kitab al-Asrar ( Libro de los secretos ). También se produjo queroseno durante el mismo período a partir de esquisto bituminoso y betún calentando la roca para extraer el petróleo, que luego se destiló. Rāzi también dio la primera descripción de una lámpara de queroseno usando aceite mineral crudo, refiriéndose a ella como "naffatah". [5]
Las calles de Bagdad estaban pavimentadas con alquitrán , derivado del petróleo al que se podía acceder desde los campos naturales de la región. En el siglo IX, se explotaron campos petroleros en el área alrededor de la moderna Bakú , Azerbaiyán . Estos campos fueron descritos por el geógrafo árabe Abu al-Hasan 'Alī al-Mas'ūdī en el siglo X, y por Marco Polo en el siglo XIII, quien describió la salida de esos pozos como cientos de barcos cargados. [6]
Con la energía en forma de energía química que podría liberarse a través de la combustión , [7] pero el desarrollo del concepto de la máquina de vapor en el Reino Unido en 1769, el carbón se volvió más común como fuente de energía. El carbón se utilizó más tarde para impulsar barcos y locomotoras . En el siglo XIX, el gas extraído del carbón se utilizaba para el alumbrado público de Londres . En los siglos XX y XXI, el uso principal del carbón es generar electricidad , proporcionando el 40% del suministro de energía eléctrica del mundo en 2005. [8]
Los combustibles fósiles se adoptaron rápidamente durante la Revolución Industrial, porque eran más concentrados y flexibles que las fuentes de energía tradicionales, como la energía hidráulica. Se han convertido en una parte fundamental de nuestra sociedad contemporánea, con la mayoría de los países del mundo quemando combustibles fósiles para producir energía.
Actualmente la tendencia ha sido hacia los combustibles renovables, como los biocombustibles como los alcoholes.
Química [ editar ]
Los combustibles químicos son sustancias que liberan energía al reaccionar con las sustancias que los rodean, sobre todo mediante el proceso de combustión . La mayor parte de la energía química liberada en la combustión no se almacenó en los enlaces químicos del combustible, sino en el doble enlace débil del oxígeno molecular. [9]
Los combustibles químicos se dividen de dos formas. Primero, por sus propiedades físicas, como sólido, líquido o gas. En segundo lugar, en función de su aparición: primario (combustible natural) y secundario (combustible artificial) . Así, una clasificación general de combustibles químicos es:
| Primario (natural) | Secundario (artificial) | |
|---|---|---|
| Combustibles sólidos | madera , carbón , turba , estiércol , etc. | coque , carbón |
| Combustibles liquidos | petróleo | diésel , gasolina , queroseno , GLP , alquitrán de hulla , nafta , etanol |
| Combustibles gaseosos | gas natural | hidrógeno , propano , metano , gas de carbón , gas de agua , de alto horno de gas, coque de gas de horno, CNG |
Combustible sólido [ editar ]
El combustible sólido se refiere a varios tipos de material sólido que se utilizan como combustible para producir energía y proporcionar calor , generalmente liberado a través de la combustión . Los combustibles sólidos incluyen madera , carbón vegetal , turba , carbón , tabletas de combustible de hexamina y pellets hechos de madera (ver pellets de madera ), maíz , trigo , centeno y otros granos . La tecnología de cohetes de combustible sólido también utiliza combustible sólido (ver propulsores sólidos). La humanidad ha utilizado combustibles sólidos durante muchos años para crear fuego . El carbón fue la fuente de combustible que permitió la revolución industrial , desde la combustión de hornos hasta el funcionamiento de las máquinas de vapor . La madera también se utilizó ampliamente para hacer funcionar locomotoras de vapor . Tanto la turba como el carbón todavía se utilizan en la generación de electricidad en la actualidad. El uso de algunos combustibles sólidos (por ejemplo, carbón) está restringido o prohibido en algunas áreas urbanas, debido a niveles peligrosos de emisiones tóxicas. El uso de otros combustibles sólidos como madera está disminuyendo a medida que mejora la tecnología de calefacción y la disponibilidad de combustible de buena calidad. En algunas zonas, el carbón sin humo suele ser el único combustible sólido que se utiliza. En Irlanda, turbalas briquetas se utilizan como combustible sin humo. También se utilizan para iniciar un fuego de carbón.
Combustibles líquidos [ editar ]
Los combustibles líquidos son moléculas combustibles o generadoras de energía que se pueden aprovechar para crear energía mecánica , que generalmente produce energía cinética . También deben tomar la forma de su recipiente; los vapores de los combustibles líquidos son inflamables, no los fluidos.
La mayoría de los combustibles líquidos de uso generalizado se derivan de los restos fosilizados de plantas y animales muertos por exposición al calor y la presión dentro de la corteza terrestre. Sin embargo, hay varios tipos, tales como combustible de hidrógeno (para automoción usos), etanol , combustible de aviación y bio-diesel , que están clasificados como combustibles líquidos. Los combustibles emulsionados de aceite en agua, como la orimulsión , se han desarrollado como una forma de hacer que las fracciones de aceite pesado se puedan utilizar como combustibles líquidos. Muchos combustibles líquidos juegan un papel primordial en el transporte y la economía.
Algunas propiedades comunes de los combustibles líquidos son que son fáciles de transportar y se pueden manipular con facilidad. También son relativamente fáciles de usar para todas las aplicaciones de ingeniería y en el hogar. Los combustibles como el queroseno están racionados en algunos países, por ejemplo, en las tiendas subvencionadas por el gobierno en la India para uso doméstico.
El diesel convencional es similar a la gasolina en que es una mezcla de hidrocarburos alifáticos extraídos del petróleo . El queroseno se utiliza en lámparas de queroseno y como combustible para cocinar, calentar y motores pequeños. El gas natural , compuesto principalmente de metano , solo puede existir como líquido a temperaturas muy bajas (independientemente de la presión), lo que limita su uso directo como combustible líquido en la mayoría de las aplicaciones. El gas LP es una mezcla de propano y butano , los cuales son gases fácilmente comprimibles en condiciones atmosféricas estándar. Ofrece muchas de las ventajas degas natural comprimido (GNC), pero es más denso que el aire, no se quema tan limpiamente y se comprime mucho más fácilmente. Usado comúnmente para cocinar y calentar espacios, el gas LP y el propano comprimido se están usando cada vez más en vehículos motorizados. El propano es el tercer combustible de motor más utilizado a nivel mundial.
Gas combustible [ editar ]
El gas combustible es uno de varios combustibles que son gaseosos en condiciones normales. Muchos gases combustibles están compuestos de hidrocarburos (como metano o propano ), hidrógeno , monóxido de carbono o mezclas de los mismos. Dichos gases son fuentes de energía térmica potencial o energía luminosa que pueden transmitirse y distribuirse fácilmente a través de tuberías desde el punto de origen directamente hasta el lugar de consumo. El gas combustible se contrasta con los combustibles líquidos y de los combustibles sólidos , aunque algunos gases combustibles se licuanpara almacenamiento o transporte. Si bien su naturaleza gaseosa puede ser ventajosa, evitando la dificultad de transportar combustible sólido y los peligros de derrame inherentes a los combustibles líquidos, también puede ser peligroso. Es posible que un gas combustible no se detecte y se acumule en ciertas áreas, lo que genera el riesgo de una explosión de gas . Por esta razón, se agregan aromatizantes a la mayoría de los gases combustibles para que puedan ser detectados por un olor distintivo. El tipo más común de gas combustible en uso actual es el gas natural .
Biocombustibles [ editar ]
El biocombustible puede definirse ampliamente como combustible sólido, líquido o gaseoso que consiste en biomasa o se deriva de ella . La biomasa también se puede utilizar directamente para calefacción o energía, lo que se conoce como combustible de biomasa . El biocombustible se puede producir a partir de cualquier fuente de carbono que se pueda reponer rápidamente, por ejemplo, plantas. Se utilizan muchas plantas diferentes y materiales derivados de plantas para la fabricación de biocombustibles.
Quizás el primer combustible empleado por los seres humanos sea la madera. La evidencia muestra que el fuego controlado se utilizó hasta hace 1,5 millones de años en Swartkrans , Sudáfrica. Se desconoce qué especies de homínidos utilizaron el fuego por primera vez, ya que tanto Australopithecus como una de las primeras especies de Homo estaban presentes en los sitios. [10] Como combustible, la madera ha permanecido en uso hasta el día de hoy, aunque ha sido reemplazada para muchos propósitos por otras fuentes. La madera tiene una densidad energética de 10 a 20 MJ / kg . [11]
Recientemente se han desarrollado biocombustibles para su uso en el transporte automotor (por ejemplo, bioetanol y biodiésel ), pero existe un debate público generalizado sobre la eficiencia de carbono de estos combustibles.
Combustibles fósiles [ editar ]
Los combustibles fósiles son hidrocarburos , principalmente carbón y petróleo ( petróleo líquido o gas natural ), que se forman a partir de restos fosilizados de plantas y animales antiguos [12] por exposición a altas temperaturas y presión en ausencia de oxígeno en la corteza terrestre durante cientos de millones. de años. [13] Comúnmente, el término combustible fósil también incluye recursos naturales que contienen hidrocarburos que no se derivan completamente de fuentes biológicas, como las arenas bituminosas . Estas últimas fuentes se conocen propiamente como combustibles minerales .
Los combustibles fósiles contienen altos porcentajes de carbono e incluyen carbón , petróleo y gas natural . [14] Van desde materiales volátiles con bajas proporciones de carbono : hidrógeno como el metano , pasando por el petróleo líquido y los materiales no volátiles compuestos de carbono casi puro, como el carbón de antracita . El metano se puede encontrar en los campos de hidrocarburos , solo, asociado con el petróleo o en forma de clatratos de metano . Combustibles fósiles formados a partir de restos fosilizados de plantas muertas [12]por exposición al calor y la presión en la corteza terrestre durante millones de años. [15] Esta teoría biogénica fue introducida por primera vez por el erudito alemán Georg Agricola en 1556 y más tarde por Mikhail Lomonosov en el siglo XVIII.
La Administración de Información Energética estimó que en 2007 las fuentes primarias de energía consistían en petróleo 36,0%, carbón 27,4%, gas natural 23,0%, lo que representa una participación de 86,4% de los combustibles fósiles en el consumo de energía primaria en el mundo. [16] Las fuentes no fósiles en 2006 incluyeron hidroeléctrica 6,3%, nuclear 8,5% y otras ( geotérmica , solar , mareomotriz , eólica , madera , residuos ) por valor de 0,9%. [17] El consumo mundial de energía crecía aproximadamente un 2,3% anual.
Los combustibles fósiles son recursos no renovables porque tardan millones de años en formarse y las reservas se están agotando mucho más rápido que las nuevas. Por tanto, debemos conservar estos combustibles y utilizarlos con prudencia. La producción y el uso de combustibles fósiles plantean preocupaciones medioambientales. Por lo tanto, está en marcha un movimiento global hacia la generación de energía renovable para ayudar a satisfacer las crecientes necesidades energéticas. La quema de combustibles fósiles produce alrededor de 21,3 mil millones de toneladas (21,3 gigatoneladas ) de dióxido de carbono (CO 2) por año, pero se estima que los procesos naturales solo pueden absorber alrededor de la mitad de esa cantidad, por lo que hay un aumento neto de 10.650 millones de toneladas de dióxido de carbono atmosférico por año (una tonelada de carbono atmosférico equivale a 44/12 o 3,7 toneladas de dióxido de carbono). [18] El dióxido de carbono es uno de los gases de efecto invernadero que aumenta el forzamiento radiativo y contribuye al calentamiento global , provocando que la temperatura media de la superficie de la Tierra aumente en respuesta, lo que la gran mayoría de los científicos del clima están de acuerdo en que causará importantes efectos adversos . Los combustibles son una fuente de energía.
Energía [ editar ]
The amount of energy from different types of fuel depends on the stoichiometric ratio, the chemically correct air and fuel ratio to ensure complete combustion of fuel, and its specific energy, the energy per unit mass.
| Fuel | Specific energy (MJ/kg) | AFR stoich. | FAR stoich. | Energy @ λ=1 (MJ/kg(Air)) |
|---|---|---|---|---|
| Diesel | 48 | 14.5 : 1 | 0.069 : 1 | 3.310 |
| Ethanol | 26.4 | 9 : 1 | 0.111 : 1 | 2.933 |
| Gasoline | 46.4 | 14.7 : 1 | 0.068 : 1 | 3.156 |
| Hydrogen | 142 | 34.3 : 1 | 0.029 : 1 | 4.140 |
| Kerosene | 46 | 15.6 : 1 | 0.064 : 1 | 2.949 |
| LPG | 46.4 | 17.2 : 1 | 0.058 : 1 | 2.698 |
| Methanol | 19.7 | 6.47 : 1 | 0.155 : 1 | 3.045 |
| Methane | 55.5 | 17.2 : 1 | 0.058 : 1 | 3.219 |
| Nitromethane | 11.63 | 1.7 : 1 | 0.588 : 1 | 6.841 |
1 MJ ≈ 0.28 kWh ≈ 0.37 HPh.
Nuclear[edit]
Nuclear fuel is any material that is consumed to derive nuclear energy. Technically speaking, all matter can be a nuclear fuel because any element under the right conditions will release nuclear energy,[dubious ] but the materials commonly referred to as nuclear fuels are those that will produce energy without being placed under extreme duress. Nuclear fuel is a material that can be 'burned' by nuclear fission or fusion to derive nuclear energy. Nuclear fuel can refer to the fuel itself, or to physical objects (for example bundles composed of fuel rods) composed of the fuel material, mixed with structural, neutron moderating, or neutron reflecting materials.
Most nuclear fuels contain heavy fissile elements that are capable of nuclear fission. When these fuels are struck by neutrons, they are in turn capable of emitting neutrons when they break apart. This makes possible a self-sustaining chain reaction that releases energy with a controlled rate in a nuclear reactor or with a very rapid uncontrolled rate in a nuclear weapon.
The most common fissile nuclear fuels are uranium-235 (235U) and plutonium-239 (239Pu). The actions of mining, refining, purifying, using, and ultimately disposing of nuclear fuel together make up the nuclear fuel cycle. Not all types of nuclear fuels create power from nuclear fission. Plutonium-238 and some other elements are used to produce small amounts of nuclear power by radioactive decay in radioisotope thermoelectric generators and other types of atomic batteries. Also, light nuclides such as tritium (3H) can be used as fuel for nuclear fusion. Nuclear fuel has the highest energy density of all practical fuel sources.
Fission[edit]
The most common type of nuclear fuel used by humans is heavy fissile elements that can be made to undergo nuclear fission chain reactions in a nuclear fission reactor; nuclear fuel can refer to the material or to physical objects (for example fuel bundles composed of fuel rods) composed of the fuel material, perhaps mixed with structural, neutron moderating, or neutron reflecting materials. The most common fissile nuclear fuels are 235U and 239Pu, and the actions of mining, refining, purifying, using, and ultimately disposing of these elements together make up the nuclear fuel cycle, which is important for its relevance to nuclear power generation and nuclear weapons.
Fusion[edit]
Fuels that produce energy by the process of nuclear fusion are currently not utilized by humans but are the main source of fuel for stars. Fusion fuels tend to be light elements such as hydrogen which will combine easily. Energy is required to start fusion by raising temperature so high all materials would turn into plasma, and allow nuclei to collide and stick together with each other before repelling due to electric charge. This process is called fusion and it can give out energy.
In stars that undergo nuclear fusion, fuel consists of atomic nuclei that can release energy by the absorption of a proton or neutron. In most stars the fuel is provided by hydrogen, which can combine to form helium through the proton-proton chain reaction or by the CNO cycle. When the hydrogen fuel is exhausted, nuclear fusion can continue with progressively heavier elements, although the net energy released is lower because of the smaller difference in nuclear binding energy. Once iron-56 or nickel-56 nuclei are produced, no further energy can be obtained by nuclear fusion as these have the highest nuclear binding energies. The elements then on use up energy instead of giving off energy when fused. Therefore, fusion stops and the star dies. In attempts by humans, fusion is only carried out with hydrogen (isotope of 2 and 3) to form helium-4 as this reaction gives out the most net energy. Electric confinement (ITER), inertial confinement(heating by laser) and heating by strong electric currents are the popular methods used. .[19]
Liquid fuels for transportation[edit]
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Most transportation fuels are liquids, because vehicles usually require high energy density. This occurs naturally in liquids and solids. High energy density can also be provided by an internal combustion engine. These engines require clean-burning fuels. The fuels that are easiest to burn cleanly are typically liquids and gases. Thus, liquids meet the requirements of being both energy-dense and clean-burning. In addition, liquids (and gases) can be pumped, which means handling is easily mechanized, and thus less laborious.
See also[edit]
- Alcohol fuel
- Alternative fuels
- Ammonia
- Battery (electricity)
- Bitumen-based fuel
- Biofuels
- Compressed natural gas
- Cryogenic fuel
- Emulsified fuel
- Fuel card
- Fuel cell
- Fuel container
- Fuel management systems
- Fuel oil
- Fuel poverty
- Filling station
- Hydrogen economy
- Hydrogen fuel
- Hypergolic fuel
- Liquid fuels
- List of energy topics
- Marine fuel management
- Propellant
- Recycled fuel
- Solid fuel
- World energy resources and consumption
Footnotes[edit]
- ^ Schobert, Harold (2013). Chemistry of Fossil Fuels and Biofuels. Cambridge University Press. ISBN 978-0521114004.
- ^ Leakey, Richard (1994). Origin of Humankind. Basic Books. ISBN 978-0-465-03135-1.
- ^ Hall, Loretta (2007). "Charcoal Briquette". How Products Are Made. Retrieved 1 October 2007.
- ^ Forbes, Robert James (1958). Studies in Early Petroleum History. Brill Publishers. p. 149.
- ^ Bilkadi, Zayn. "The Oil Weapons". Saudi Aramco World. 46 (1): 20–27.
- ^ Salim Al-Hassani (2008). "1000 Years of Missing Industrial History". In Emilia Calvo Labarta; Mercè Comes Maymo; Roser Puig Aguilar; Mònica Rius Pinies (eds.). A shared legacy: Islamic science East and West. Edicions Universitat Barcelona. pp. 57–82 [63]. ISBN 978-84-475-3285-8.
- ^
One or more of the preceding sentences incorporates text from a publication now in the public domain: Chisholm, Hugh, ed. (1911). "Fuel". Encyclopædia Britannica. 11 (11th ed.). Cambridge University Press. pp. 274–286. - ^ "History of Coal Use". World Coal Institute. Archived from the original on 7 October 2006. Retrieved 10 August 2006.
- ^ Schmidt-Rohr, K (2015). "Why Combustions Are Always Exothermic, Yielding About 418 kJ per Mole of O2". J. Chem. Educ. 92 (12): 2094–2099. Bibcode:2015JChEd..92.2094S. doi:10.1021/acs.jchemed.5b00333.
- ^ Rincon, Paul (22 March 2004). "Bones hint at first use of fire". BBC News. Retrieved 11 September 2007.
- ^ Elert, Glenn (2007). "Chemical Potential Energy". The Physics Hypertextbook. Retrieved 11 September 2007.
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- ^ "International Energy Annual 2006". Archived from the original on 5 February 2009. Retrieved 8 February 2009.
- ^ "US Department of Energy on greenhouse gases". Retrieved 9 September 2007.
- ^ Fewell, M. P. (1995). "The atomic nuclide with the highest mean binding energy". American Journal of Physics. 63 (7): 653–658. Bibcode:1995AmJPh..63..653F. doi:10.1119/1.17828.
One or more of the preceding sentences incorporates text from a publication now in the public domain: Chisholm, Hugh, ed. (1911). "Fuel". Encyclopædia Britannica. 11 (11th ed.). Cambridge University Press. pp. 274–286.References[edit]
- Ratcliff, Brian; et al. (2000). Chemistry 1. Cambridge University press. ISBN 978-0-521-78778-9.
Further reading[edit]
 | Wikimedia Commons has media related to Fuels. |
- "Directive 1999/94/EC of the European Parliament and of the council of 13 December 1999, relating to the availability of consumer information on fuel economy and CO2 emissions in respect of the marketing of new passenger cars" (PDF). (140 KB).
- Council Directive 80/1268/EEC Fuel consumption of motor vehicles.
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