Calor de combustión

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El poder calorífico (o valor energético o poder calorífico ) de una sustancia , generalmente un combustible o un alimento (ver energía alimentaria ), es la cantidad de calor liberado durante la combustión de una cantidad específica de la misma.

El poder calorífico es la energía total liberada en forma de calor cuando una sustancia experimenta una combustión completa con oxígeno en condiciones estándar . La reacción química es típicamente un hidrocarburo u otra molécula orgánica que reacciona con oxígeno para formar dióxido de carbono y agua y liberar calor. Puede expresarse con las cantidades:

• energía / mol de combustible
• energía / masa de combustible
• energía / volumen del combustible

Hay dos tipos de calor de combustión, llamados poder calorífico más alto y más bajo, dependiendo de cuánto se permita que se enfríen los productos y si compuestos como H
₂Se permite que O se condense. Los altos valores caloríficos se miden convencionalmente con un calorímetro de bomba . Los valores de calor bajo se calculan a partir de datos de prueba de alto valor de calor. También se pueden calcular como la diferencia entre el calor de formación Δ H^⦵
_fde los productos y reactivos (aunque este enfoque es algo artificial ya que la mayoría de los calores de formación se calculan típicamente a partir de los calores de combustión medidos). Para un combustible de composición C _c H _h O _o N _n , el calor (más alto) de combustión es 418 kJ / mol ( c + 0.3 h - 0.5 o ) usualmente con una buena aproximación (± 3%), ^[1] aunque puede ser drásticamente incorrecto si o  +  n  >  c (por ejemplo, en el caso de la nitroglicerina ( C
₃H
₅norte
₃O
₉) esta fórmula predeciría un calor de combustión de 0 ^[2] ). El valor corresponde a una reacción exotérmica (un cambio negativo en la entalpía ) porque el doble enlace en el oxígeno molecular es mucho más débil que otros dobles enlaces o pares de enlaces simples, particularmente los de los productos de combustión dióxido de carbono y agua; la conversión de los enlaces débiles en oxígeno a enlaces más fuertes en dióxido de carbono y agua libera energía en forma de calor. ^[1]

Por convención, el calor (más alto) de combustión se define como el calor liberado para la combustión completa de un compuesto en su estado estándar para formar productos estables en sus estados estándar: el hidrógeno se convierte en agua (en su estado líquido), el carbono se convierte en gas dióxido de carbono y el nitrógeno se convierte en gas nitrógeno. Es decir, el calor de combustión, Δ H ° _comb , es el calor de reacción del siguiente proceso:

C _x H _y N _z O _n (estándar) + O ₂ (g, xs.) → x CO ₂ (g) + y ⁄ 2 H ₂ O (l) + z ⁄ 2 N ₂ (g)

El cloro y el azufre no están completamente estandarizados; generalmente se supone que se convierten en gas cloruro de hidrógeno y SO ₂ o SO ₃ , respectivamente, o en ácidos clorhídrico y sulfúrico acuosos diluidos, respectivamente, cuando la combustión se lleva a cabo en una bomba que contiene cierta cantidad de agua. ^{[3] [ fuente obsoleta ]}

Modos de determinación

Valor calorífico superior

El poder calorífico superior ( HHV ) (o energía bruta o poder calorífico superior o poder calorífico bruto ( GCV ) o poder calorífico superior ( HCV )) indica el límite superior de la energía térmica disponible producida por una combustión completa de combustible. Se mide como una unidad de energía por unidad de masa o volumen de sustancia. El HHV se determina devolviendo todos los productos de combustión a la temperatura original de precombustión y, en particular, condensando cualquier vapor producido. Estas medidas suelen utilizar una temperatura estándar de 25 ° C (77 ° F; 298 K) ^{[ cita requerida ]}. Este es el mismo que el calor termodinámico de combustión ya que el cambio de entalpía para la reacción asume una temperatura común de los compuestos antes y después de la combustión, en cuyo caso el agua producida por la combustión se condensa a un líquido. El valor calorífico más alto tiene en cuenta el calor latente de vaporización del agua en los productos de combustión y es útil para calcular los valores caloríficos de combustibles en los que la condensación de los productos de reacción es práctica (p. Ej., En una caldera de gas).utilizado para calentar el espacio). En otras palabras, HHV asume que todo el componente de agua está en estado líquido al final de la combustión (en el producto de la combustión) y que el calor entregado a temperaturas por debajo de 150 ° C (302 ° F) se puede utilizar.

Valor calorífico inferior

El poder calorífico inferior ( LHV ) ( valor calorífico neto ( NCV ) o poder calorífico inferior ( LCV )) es otra medida de energía térmica disponible producida por la combustión de combustible, medida como una unidad de energía por unidad de masa o volumen de sustancia. A diferencia del HHV, el LHV considera las pérdidas de energía como la energía utilizada para vaporizar el agua, aunque su definición exacta no está uniformemente acordada. Una definición es simplemente restar el calor de vaporización del agua del poder calorífico más alto. Esto trata el H ₂ O formado como vapor. Por tanto, la energía necesaria para vaporizar el agua no se libera en forma de calor.

Los cálculos de LHV asumen que el componente de agua de un proceso de combustión está en estado de vapor al final de la combustión, a diferencia del valor calorífico más alto (HHV) (también conocido como valor calorífico bruto o CV bruto ) que asume que toda el agua en una combustión El proceso está en estado líquido después de un proceso de combustión.

Otra definición de LHV es la cantidad de calor que se libera cuando los productos se enfrían a 150 ° C (302 ° F). Esto significa que no se recupera el calor latente de vaporización del agua y otros productos de reacción. Es útil para comparar combustibles en los que la condensación de los productos de combustión no es práctica, o el calor a una temperatura inferior a 150 ° C (302 ° F) no se puede utilizar.

Una definición de valor calorífico inferior, adoptada por el Instituto Americano del Petróleo (API), utiliza una temperatura de referencia de 60 ° F ( 15 ° C).+5 ⁄ 9  ° C).

Otra definición, utilizada por la Asociación de Proveedores de Procesadores de Gas (GPSA) y utilizada originalmente por API (datos recopilados para el proyecto de investigación API 44), es la entalpía de todos los productos de combustión menos la entalpía del combustible a la temperatura de referencia (se utilizó el proyecto de investigación API 44). 25 ° C. GPSA actualmente usa 60 ° F), menos la entalpía del oxígeno estequiométrico (O ₂ ) a la temperatura de referencia, menos el calor de vaporización del contenido de vapor de los productos de combustión.

La definición en la que todos los productos de combustión vuelven a la temperatura de referencia se calcula más fácilmente a partir del valor calorífico superior que cuando se utilizan otras definiciones y, de hecho, dará una respuesta ligeramente diferente.

Valor calorífico bruto

El valor calorífico bruto tiene en cuenta el agua en el escape que sale como vapor e incluye agua líquida en el combustible antes de la combustión. Este valor es importante para combustibles como la madera o el carbón , que normalmente contienen cierta cantidad de agua antes de quemar.

Medición de valores caloríficos

El poder calorífico más alto se determina experimentalmente en un calorímetro de bomba . La combustión de una mezcla estequiométrica de combustible y oxidante (por ejemplo, dos moles de hidrógeno y un mol de oxígeno) en un recipiente de acero a 25 ° C (77 ° F) se inicia mediante un dispositivo de encendido y se deja que las reacciones se completen. Cuando el hidrógeno y el oxígeno reaccionan durante la combustión, se produce vapor de agua. El recipiente y su contenido se enfrían luego a los 25 ° C originales y el poder calorífico más alto se determina como el calor liberado entre temperaturas inicial y final idénticas.

Cuando se determina el valor calorífico inferior (LHV), el enfriamiento se detiene a 150 ° C y el calor de reacción solo se recupera parcialmente. El límite de 150 ° C se basa en el punto de rocío del gas ácido .

Nota: El poder calorífico más alto (HHV) se calcula con el producto del agua en forma líquida, mientras que el poder calorífico más bajo (LHV) se calcula con el producto del agua en forma de vapor .

Relación entre valores caloríficos

La diferencia entre los dos valores caloríficos depende de la composición química del combustible. En el caso de carbono puro o monóxido de carbono, los dos valores de calefacción son casi idénticas, siendo la diferencia el contenido de calor sensible de dióxido de carbono entre 150 ° C y 25 ° C ( calor sensible de cambio causa un cambio de la temperatura. En contraste, latente se agrega o se resta calor para las transiciones de fase a temperatura constante (Ejemplos: calor de vaporización o calor de fusión ). Para el hidrógenola diferencia es mucho más significativa ya que incluye el calor sensible del vapor de agua entre 150 ° C y 100 ° C, el calor latente de condensación a 100 ° C y el calor sensible del agua condensada entre 100 ° C y 25 ° C . Con todo, el poder calorífico más alto del hidrógeno es un 18,2% por encima de su poder calorífico inferior (142 MJ / kg frente a 120 MJ / kg). Para los hidrocarburos, la diferencia depende del contenido de hidrógeno del combustible. En el caso de la gasolina y el diésel, el poder calorífico superior supera el poder calorífico inferior en aproximadamente un 10% y un 7% respectivamente, y para el gas natural en aproximadamente un 11%.

Un método común de relacionar HHV con LHV es:

${\displaystyle \mathrm {HHV} =\mathrm {LHV} +H_{\mathrm {v} }\left({\frac {n_{\mathrm {H_{2}O,out} }}{n_{\mathrm {fuel,in} }}}\right)}$

donde H _v es el calor de vaporización del agua, n _{H 2 O, out} son los moles de agua vaporizada yn _{combustible, in} es el número de moles de combustible quemado. ^[4]

• La mayoría de las aplicaciones que queman combustible producen vapor de agua, que no se utiliza y, por lo tanto, desperdicia su contenido de calor. En tales aplicaciones, el valor calorífico más bajo debe usarse para dar un "punto de referencia" para el proceso.
• Sin embargo, para cálculos de energía real en algunos casos específicos, el valor calorífico más alto es correcto. Esto es particularmente relevante para el gas natural , cuyo alto contenido de hidrógeno produce mucha agua, cuando se quema en calderas de condensación y centrales eléctricas con condensación de gases de combustión que condensan el vapor de agua producido por la combustión, recuperando el calor que de otro modo se desperdiciaría.

Uso de términos

Los fabricantes de motores suelen calificar el consumo de combustible de sus motores por los valores de calentamiento más bajos, ya que el escape nunca se condensa en el motor, y hacer esto les permite publicar números más atractivos que los que se utilizan en términos de centrales eléctricas convencionales. La industria de la energía convencional había utilizado HHV (alto valor calorífico) exclusivamente durante décadas, aunque prácticamente todas estas plantas tampoco condensaron los gases de escape. Los consumidores estadounidenses deben ser conscientes de que la cifra de consumo de combustible correspondiente basada en el valor calorífico superior será algo mayor.

La diferencia entre las definiciones de HHV y LHV causa una confusión infinita cuando los cotizadores no se molestan en indicar la convención que se está utilizando. ^[5] ya que normalmente hay una diferencia del 10% entre los dos métodos para una central eléctrica que quema gas natural. Para comparar simplemente parte de una reacción, el LHV puede ser apropiado, pero el HHV debe usarse para los cálculos generales de eficiencia energética, aunque solo sea para evitar confusiones y, en cualquier caso, el valor o la convención deben indicarse claramente.

Contabilización de la humedad

Tanto HHV como LHV se pueden expresar en términos de AR (toda la humedad contada), MF y MAF (solo agua de la combustión de hidrógeno). AR, MF y MAF se utilizan comúnmente para indicar los valores caloríficos del carbón:

• AR (como se recibió) indica que el valor calorífico del combustible se ha medido con todos los minerales formadores de humedad y cenizas presentes.
• MF (sin humedad) o seco indica que el poder calorífico del combustible se ha medido después de que el combustible se haya secado de toda la humedad inherente, pero aún conserva sus minerales formadores de cenizas.
• MAF (sin humedad ni cenizas) o DAF (seco y sin cenizas) indica que el poder calorífico del combustible se ha medido en ausencia de minerales inherentes que forman humedad y cenizas.

Mesas de calor de combustión

Valores caloríficos más altos (HHV) y más bajos (LHV)
de algunos combustibles comunes ^[6] a 25 ° C

Combustible	HHV MJ / kg	HHV BTU / lb	HHV kJ / mol	LHV MJ / kg
Hidrógeno	141,80	61.000	286	119,96
Metano	55,50	23,900	889	50,00
Etano	51,90	22.400	1,560	47,62
Propano	50,35	21,700	2.220	46,35
Butano	49,50	20,900	2.877	45,75
Pentano	48,60	21,876	3,507	45,35
Cera parafina	46,00	19,900		41,50
Queroseno	46,20	19,862		43,00
Diesel	44,80	19,300		43,4
Carbón ( antracita )	32,50	14.000
Carbón ( lignito - EE . UU. )	15.00	6.500
Madera ( MAF )	21,70	8.700
Combustible de madera	21.20	9.142		17.0
Turba (seca)	15.00	6.500
Turba (húmeda)	6,00	2500

Poder calorífico superior
de algunos combustibles menos comunes ^[6]

Combustible	MJ / kg	BTU / libra	kJ / mol
Metanol	22,7	9,800	726,0
Etanol	29,7	12,800	1.300,0
1-propanol	33,6	14.500	2.020,0
Acetileno	49,9	21.500	1.300,0
Benceno	41,8	18.000	3.270,0
Amoníaco	22,5	9,690	382,6
Hidracina	19,4	8.370	622.0
Hexamina	30,0	12,900	4.200,0
Carbón	32,8	14.100	393,5

Valor calorífico más bajo para algunos compuestos orgánicos
(a 25 ° C [77 ° F]) ^{[ cita requerida ]}

Combustible	MJ / kg	MJ / L	BTU / libra	kJ / mol
Alcanos
Metano	50.009	6,9	21,504	802.34
Etano	47.794	-	20,551	1.437,2
Propano	46.357	25,3	19,934	2.044,2
Butano	45.752	-	19,673	2.659,3
Pentano	45.357	28,39	21,706	3.272,6
Hexano	44.752	29.30	19.504	3.856,7
Heptano	44.566	30,48	19,163	4.465,8
Octano	44.427	-	19,104	5.074,9
Nonano	44.311	31,82	19,054	5.683,3
Decano	44.240	33,29	19.023	6.294,5
Undecano	44.194	32,70	19,003	6.908,0
Dodecano	44.147	33.11	18,983	7.519,6
Isoparafinas
Isobutano	45.613	-	19,614	2.651,0
Isopentano	45.241	27,87	19,454	3.264,1
2-metilpentano	44.682	29.18	19,213	6.850,7
2,3-dimetilbutano	44.659	29,56	19,203	3.848,7
2,3-dimetilpentano	44.496	30,92	19,133	4.458,5
2,2,4-trimetilpentano	44.310	30.49	19,053	5.061,5
Naftenos
Ciclopentano	44.636	33,52	19.193	3.129,0
Metilciclopentano	44.636?	33,43?	19.193?	3.756,6?
Ciclohexano	43.450	33,85	18,684	3.656,8
Metilciclohexano	43.380	33.40	18,653	4.259,5
Monoolefinas
Etileno	47.195	-	-	-
Propileno	45.799	-	-	-
1-buteno	45.334	-	-	-
cis -2-buteno	45.194	-	-	-
trans -2-buteno	45.124	-	-	-
Isobuteno	45.055	-	-	-
1-penteno	45.031	-	-	-
2-metil-1-penteno	44.799	-	-	-
1-hexeno	44.426	-	-	-
Diolefinas
1,3-butadieno	44.613	-	-	-
Isopreno	44.078	-	-	-
Derivado nitroso
Nitrometano	10.513	-	-	-
Nitropropano	20.693	-	-	-
Acetilenos
Acetileno	48.241	-	-	-
Metilacetileno	46.194	-	-	-
1-Butyne	45.590	-	-	-
1-pentina	45.217	-	-	-
Aromáticos
Benceno	40.170	-	-	-
Tolueno	40.589	-	-	-
o -Xileno	40.961	-	-	-
m -Xileno	40.961	-	-	-
p -xileno	40.798	-	-	-
Etilbencina	40.938	-	-	-
1,2,4-trimetilbenceno	40.984	-	-	-
n -propilbenceno	41.193	-	-	-
Cumeno	41.217	-	-	-
Alcoholes
Metanol	19.930	15,78	8.570	638,55
Etanol	26,70	22,77	12,412	1.329,8
1-propanol	30.680	24,65	13.192	1.843,9
Isopropanol	30.447	23,93	13,092	1.829,9
n- Butanol	33.075	26,79	14,222	2.501,6
Isobutanol	32.959	26,43	14.172	2.442,9
terc- butanol	32.587	25.45	14.012	2.415,3
n- pentanol	34.727	28.28	14,933	3.061,2
Alcohol isoamílico	31.416?	35,64?	13.509?	2.769,3?
Éteres
Metoximetano	28.703	-	12,342	1.322,3
Etoxietano	33.867	24,16	14,563	2.510,2
Propoxipropano	36.355	26,76	15,633	3,568.0
Butoxibutano	37.798	28,88	16,253	4.922,4
Aldehídos y cetonas
Formaldehído	17.259	-	-	570,78 [7]
Acetaldehído	24.156	-	-	-
Propionaldehído	28.889	-	-	-
Butiraldehído	31.610	-	-	-
Acetona	28.548	22,62	-	-
Otras especies
Carbono (grafito)	32.808	-	-	-
Hidrógeno	120.971	1.8	52,017	244
Monóxido de carbono	10.112	-	4.348	283,24
Amoníaco	18.646	-	8.018	317.56
Azufre ( sólido )	9.163	-	3.940	293,82

Nota

• No hay diferencia entre los valores caloríficos inferior y superior para la combustión de carbono, monóxido de carbono y azufre, ya que no se forma agua durante la combustión de esas sustancias.
• Los valores de BTU / lb se calculan a partir de MJ / kg (1 MJ / kg = 430 BTU / lb).

Mayor poder calorífico de los gases naturales de diversas fuentes

La Agencia Internacional de Energía informa los siguientes valores caloríficos típicos más altos por metro cúbico estándar de gas: ^[8]

• Argelia : 39,57 MJ / Sm ³
• Bangladesh : 36,00 MJ / Sm ³
• Canadá : 39,00 MJ / Sm ³
• China : 38,93 MJ / Sm ³
• Indonesia : 40,60 MJ / Sm ³
• Irán : 39,36 MJ / Sm ³
• Holanda : 33,32 MJ / Sm ³
• Noruega : 39,24 MJ / Sm ³
• Pakistán : 34,90 MJ / Sm ³
• Qatar : 41,40 MJ / Sm ³
• Rusia : 38,23 MJ / Sm ³
• Arabia Saudita : 38,00 MJ / Sm ³
• Turkmenistán : 37,89 MJ / Sm ³
• Reino Unido : 39,71 MJ / Sm ³
• Estados Unidos : 38,42 MJ / Sm ³
• Uzbekistán : 37,89 MJ / Sm ³

El valor calorífico más bajo del gas natural es normalmente alrededor del 90 por ciento de su poder calorífico más alto. Esta tabla está en metros cúbicos estándar (1 atm , 15 ° C), para convertir a valores por metro cúbico normal (1 atm, 0 ° C), multiplique la tabla anterior por 1.0549.

Ver también

• Temperatura de llama adiabática
• Densidad de energia
• Valor energético del carbón
• Reacción exotérmica
• Fuego
• Eficiencia de combustible # Contenido energético del combustible
• Energía alimentaria
• Energía interna
• Eficiencia térmica
• Índice de Wobbe : densidad de calor
• ISO 15971
• Eficiencia electrica
• Eficiencia mecánica
• Figura de mérito
• Costo relativo de la electricidad generada por diferentes fuentes.
• Eficiencia de conversión de energía

Referencias

• Guibet, J.-C. (1997). Carburants et moteurs . Publication de l'Institut Français du Pétrole. ISBN 978-2-7108-0704-9.

1. Schmidt-Rohr, K (2015). "Por qué las combustiones son siempre exotérmicas, produciendo alrededor de 418 kJ por mol de O 2 " . J. Chem. Educ. 92 (12): 2094-2099. Código bibliográfico : 2015JChEd..92.2094S . doi : 10.1021 / acs.jchemed.5b00333 .
2. Sin embargo, cuenta que un compuesto como la nitroglicerina para el que la fórmula predice un calor de combustión cero en realidad no se "quema" en el sentido de reaccionar con el aire o el oxígeno. La nitroglicerina explotará, emitiendo calor, pero esta es una descomposición que no requiere oxígeno molecular para reaccionar con la nitroglicerina. La fórmula también da malos resultados para formaldehído (gaseoso)y monóxido de carbono .
3. Kharasch, MS (febrero de 1929). "Calores de combustión de compuestos orgánicos". Revista de Investigación de la Oficina de Normas . 2 (2): 359. doi : 10.6028 / jres.002.007 . ISSN 0091-1801 . 
4. Ingeniería de calidad del aire, CE 218A, W. Nazaroff y R. Harley, Universidad de California Berkeley, 2007
5. "Todos los ingenieros energéticos entienden claramente la diferencia entre LCV y HCV (o valor calorífico superior e inferior, o neto y bruto). No existe una definición 'correcta' o 'incorrecta'. - Grupo Claverton" . www.claverton-energy.com .
6. "Libro web de química del NIST" . webbook.nist.gov .
7. "Metanal" . webbook.nist.gov .
8. "Estadísticas energéticas mundiales clave (2016)" (PDF) . iea.org .

Enlaces externos

• Libro web de química del NIST
• "Valores de calefacción más bajos y más altos de combustibles gaseosos, líquidos y sólidos" (PDF) . Libro de datos de energía de biomasa . Departamento de Energía de EE. UU. 2011.