INTRODUCCION

En toda reaccin qumica se produce siempre una absorcin o desprendimiento de energa. Sin embargo, esto no es del todo correcto, ya que la energa ni se crea ni se destruye, slo se transforma, por lo tanto lo que ocurre en una reaccin qumica es la conversin de la energa qumica (la asociada a la formacin y ruptura de enlaces qumicos) en otros tipos de energa y viceversa.A travs del tiempo la evolucin de los sistemas termodinmicos se desarrolla a travs de las interacciones entre las partculas que los componen y entre ellas y las exteriores. Normalmente la interaccin no es muy energtica y los procesos de relajacin a que da lugar se dice que son de tipo trmico (pudindose incluir aqu los cambios de fase), permaneciendo invariable la cantidad de cada especie qumica.

IMPORTANCIA DE LAS REACCIONES QUIMICASLa humanidad ha utilizado desde su existencia reacciones qumicas para producir energa. Desde las ms rudimentarias, de combustin de madera o carbn, hasta las ms sofisticadas, que tienen lugar en los motores de los modernos aviones o naves espaciales.Las reacciones qumicas, pues, van acompaadas de un desprendimiento, o en otros casos de una absorcin, de energa.Cunta energa puede producir una reaccin qumica? De dnde procede esa energa? Cmo puede medirse y calcularse?La energa es una propiedad inherente a la materia. La materia posee energa almacenada que se debe, por una parte, a la posicin o a la altura de un cuerpo (energa cintica) y, por otra, a la naturaleza o las sustancias de que est hecho el cuerpo al que se hace referencia, ya que a cada elemento o compuesto le corresponde cierta cantidad de energa qumica almacenada a la que se le denomina contenido energtico.

REACCIONES QUIMICAS Y ENERGIA DE COMBUSTIBLES

1. REACCIONES QUIMICASLos procesos reactivos son de particular importancia en combustin (motores trmicos, calderas, fuegos), en sntesis de materiales artificiales (metales, plsticos, cermica y vidrio, tejidos artificiales, etc), y en general en toda la industria de productos qumicos.*Tipos de reaccin: Aunque a nivel microscpico basta considerar tres tipos de reaccin (al menos de reacciones binarias, que son con mucho las ms frecuentes):

(Donde denota complejo activado) macroscpicamente se usa otra clasificacin para centrar el inters prctico: reacciones de combustin, de neutralizacin, de reduccin, etc. Atendiendo a la fase donde tienen lugar, tambin se clasifican en monofsicas (u homogneas) y multifsicas (o heterogneas)

(1.1)

Se quiere especificar lo siguiente:

1. Qu sustancias participan directamente, representadas por las Mi y las M,, que son las frmulas moleculares de las especies qumicas. Sea C el nmero total de componentes o especies qumicas que participan, que ser la suma de reactivos ms productos ms otras especies inertes que, aunque no se combinen, participan en los balances energticos y entrpicos; a veces los sumatorios en (1.1) se extienden a todos los compuestos (desde 1 hasta C) asignando coeficientes nulos a las sustancias que no participan en uno u otro lado.

2. En qu proporcin relativa vara la cantidad de sustancia de cada una al combinarse, representada por los Vi, que se les llama coeficientes estequiomtricos. Se ver que si las Mi representan las masas molares, la ecuacin (1.1) es ya un balance msico.

3. Cul es la direccin de nuestro inters, representada por la posicin de los smbolos; las especies a la izquierda se consideran reactivos y las especies que aparecen a la derecha se consideran productos de la reaccin.

1.1 Grado de reaccin El grado de reaccin, , es una variable que tiene dimensiones de cantidad de sustancia y mide el estado de avance de una reaccin. Sea un sistema cerrado, inicialmente con cantidades ni, de cada especie i. En otro instante t:

y su derivada temporal:

se llama velocidad de reaccin. Si se eligen los Vi tal que el de la especie de mayor inters (el principal reactivo consumido o el principal producto formado) sea la unidad, el grado de reaccin no es ms que la cantidad de reactivo consumida o de producto producida, pero la definicin general (segunda ecuacin) garantiza que sea independiente de la especie elegida.

1.2 Afinidad La Termodinmica de las reacciones qumicas se rige por las mismas leyes de conservacin (especies atmicas, cantidad de movimiento y energa) y la misma relacin entre las variables en el equilibrio:

en variables energticas; aqu a los sistemas reactantes monofsicos y particularmente a una masa de control.1.3 Energa de las reacciones qumicasCuando por alguna causa tiene lugar un reagrupamiento de tomos en un medio (reaccin qumica), la modificacin de la configuracin molecular lleva asociada un transvase energtico entre los modos de almacenamiento potencial (energa de enlace) y los modos de almacenamiento cinticos (movimiento de translacin, rotacin y vibracin de las partculas que entran en juego); como se sabe, esta ltima manifestacin energtica est directamente ligada a la temperatura del sistema, la cual variar normalmente durante el transcurso de la reaccin (en la mayora de los casos exotrmicamente, como se ver al estudiar la viabilidad).

Considerando una reaccin concreta dada, O= viMi, se definen la energa interna, entalpa, entropa y funcin de Gibbs (entalpa libre) de reaccin, como: (a)Por ejemplo, la es la variacin de la entalpa del sistema (masa de control), a presin y temperatura constantes, por unidad de avance del grado de reaccin, es decir, por m01 de reactivo consumido o producido si su Vi en (9.2) es la unidad; y de forma anloga para las otras variables definidas en (a). Ntese que h, no es la entalpa molar del sistema (Hln) ni la entalpa de reaccin por unidad de cantidad de sustancia del sistema (M/n), sino por unidad de cantidad de sustancia procesada qumicamente, normalizada con su coeficiente estequiomtrico respectivo para que no dependa del reactante elegido.

1.4 Viabilidad de una reaccinLa Termodinmica del equilibrio ensea hacia dnde es posible (y hacia dnde imposible) que tenga lugar la evolucin de un sistema al liberar restricciones, as como cul sera el nuevo estado de equilibrio final posible, pero no establece un camino definido ni una velocidad para la evolucin. Es decir, slo se deduce la viabilidad de un cierto proceso y su posible estado final, y no si se ser el proceso real, ni si se alcanzar el equilibrio en el tiempo que dure la observacin. Por ejemplo, se puede tener en equilibrio aparente una mezcla de hidrgeno y oxgeno en un recipiente en condiciones ambientales normales; la Termodinmica no permite saber si reaccionarn (depende del material del recipiente, de una pequea perturbacin introducida por un catalizador, una chispa, un golpe), ni saber cules seran los productos aunque reaccionara (podra formarse H202 O H20 segn los catalizadores), ni si se tardara un segundo (explosin) o un siglo (no se observara) en producirse lo que fuere a producirse. Pero una vez que la experiencia muestra que el sistema en las condiciones reales dadas s evoluciona, y da un cierto resultado (calor de reaccin, composicin de equilibrio), la Termodinmica ensea cosas muy tiles: cmo vara el calor de reaccin con la temperatura, qu relacin existe entre las concentraciones de equilibrio, cmo vara la composicin de equilibrio con la temperatura o la presin o la adicin de reactivos, etc., todo ello de gran inters en la ingeniera de procesos.

2. COMBUSTIBLES Y COMBUSTINCualquier material que puede quemarse para liberar energa recibe el nombre de combustible. La mayora de los combustibles conocidos se componen principalmente de hidrgeno y carbono. Reciben el nombre de combustibles hidrocarburos y se denotan por la frmula general CnHm. Los combustibles hidrocarburos existen en todas las fases, y algunos son el carbn, la gasolina y el gas natural. El principal constituyente del carbn mineral es el carbono; tambin contiene cantidades variables de oxgeno, hidrgeno, nitrgeno, azufre, humedad y ceniza. Es difcil indicar un anlisis msico exacto del carbn mineral, puesto que su composicin vara de un rea geogrfica a otra e incluso dentro de la misma regin. La mayor parte de los combustibles hidrocarburos lquidos son una mezcla de numerosos hidrocarburos y se obtienen del petrleo crudo mediante destilacin (Fig. 1). Los hidrocarburos ms voltiles se vaporizan primero, formando lo que se conoce como gasolina. Los combustibles menos voltiles que se obtienen durante la destilacin son el queroseno, el disel y el combustleo. La composicin de un combustible particular depende de la fuente de petrleo crudo, as como de la refinera.

Fig. 1. La mayor parte de los combustibles hidrocarburos se obtienen dl petrleo por destilacin Aunque los combustibles hidrocarburos lquidos son mezclas de muchos hidrocarburos diferentes, por conveniencia suelen considerarse como un solo hidrocarburo. El gas natural (combustible hidrocarburo gaseoso), que es una mezcla de metano y cantidades ms pequeas de otros gases, algunas veces se trata como metano, CH4, por simplicidad. Los vehculos son una fuente importante de contaminantes del aire, como xidos ntricos, monxido de carbono e hidrocarburos, as como el dixido de carbono, y por ende existe un creciente cambio en la industria del transporte para sustituir los combustibles tradicionales basados en petrleo (como la gasolina y el combustible disel) por combustibles alternativos de quema limpia ms amigables con el ambiente, como el gas natural, alcoholes (etanol y metanol), gas licuado de petrleo (LPG) e hidrgeno. El uso de autos elctricos tambin est al alza. En la tabla 1 se presenta una comparacin de algunos combustibles alternativos para la transportacin de gasolina.

Tabla n 1. Comparacin de algunos combustibles alternativos contra los combustibles tradicionales basados en petrleo usados en la industria del transporte.

2.1 Procesos de combustin terica y realMuchas veces es muy til estudiar la combustin de un combustible con la suposicin de que la combustin es completa. Un proceso de combustin est completo si todo el carbono en el combustible se transforma en CO2, todo el hidrgeno se transforma en H2O y todo el azufre (si lo hay) se transforma en SO2. Esto es, todos los componentes combustibles de un combustible se queman totalmente durante un proceso de combustin completa (Fig. 1). Por el contrario, un proceso de combustin es incompleto si los productos de combustin contienen algo de combustible o componentes no quemados, como C, H2, CO, o bien, OH.

Fig. 2 Un proceso de combustin es completo si todos los componentes inflamables del combustible se queman por completo.

El oxgeno insuficiente es una razn obvia para la combustin incompleta, pero no la nica. La combustin incompleta sucede incluso cuando en la cmara de combustin hay ms oxgeno del necesario para la combustin completa. Esto puede atribuirse al mezclado insuficiente en la cmara de combustin durante el limitado tiempo en que el oxgeno y el combustible quedan en contacto. Otra causa de combustin incompleta es la disociacin, la cual se vuelve importante a elevadas temperaturas.El oxgeno es atrado con mayor fuerza hacia el hidrgeno que hacia el carbono. Por consiguiente, el hidrgeno en el combustible normalmente se quema por completo, formando H2O, aun cuando exista menos oxgeno del necesario para la combustin completa. No obstante, una parte del carbono termina como CO o como simples partculas C (holln) en los productos.La cantidad mnima de aire necesaria para la combustin completa de un combustible recibe el nombre de aire estequiomtrico o terico. De manera que cuando un combustible se quema por completo con aire terico, no estar presente el oxgeno sin combinar el producto de los gases. El aire terico tambin se conoce como cantidad de aire qumicamente correcta o aire 100 por ciento terico. Un proceso de combustin con cantidad de aire menor est condenado a ser incompleto. El proceso de combustin ideal durante el cual un combustible se quema por completo con aire terico se conoce como combustin estequiomtrica o terica de ese combustible (Fig. 15-9). Por ejemplo, la combustin terica del metano es

Note que los productos de la combustin terica no contienen metano sin quemar ni C, H2, CO, OH u O2 libre.En los procesos de combustin reales es una prctica comn emplear ms aire que la cantidad estequiomtrica, con el fin de aumentar las oportunidades de combustin completa o para controlar la temperatura de la cmara de combustin. La cantidad de aire en exceso de la cantidad estequiomtrica se llama exceso de aire. La cantidad de exceso de aire suele expresarse en trminos del aire estequiomtrico como exceso de aire porcentual o aire terico porcentual. Por ejemplo, 50 por ciento de exceso de aire equivale a 150 por ciento de aire terico, y 200 por ciento de exceso de aire equivale a 300 por ciento de aire terico. Desde luego, el aire estequiomtrico puede expresarse como 0 por ciento de exceso de aire o como 100 por ciento de aire terico. Cantidades de aire menores que la cantidad estequiometria reciben el nombre de deficiencia de aire, y se expresan a menudo como deficiencia de aire porcentual. Por ejemplo, 90 por ciento de aire terico equivale a 10 por ciento de deficiencia de aire. La cantidad de aire utilizado en procesos de combustin se expresa tambin en trminos de la relacin de equivalencia, la cual es la proporcin entre la relacin real combustible-aire y la relacin estequiometria combustible-aire.

2.2 Entalpa de formacin y entalpa de combustinDurante una reaccin qumica se rompen algunos de los enlaces qumicos que unen a los tomos en las molculas y se forman otros nuevos. En general, la energa qumica asociada a estos enlaces es diferente para los reactivos y los productos. Por lo tanto, un proceso que implica reacciones qumicas implicar cambios en las energas qumicas, los cuales deben tomarse en cuenta en un balance de energa. Si se supone que los tomos de cada reactivo permanecen intactos (sin reacciones nucleares) y se ignora cualquier cambio en las energas cinticas y potencial, el cambio de energa de un sistema durante una reaccin qumica se deber a un cambio en el estado, y a un cambio en la composicin qumica. Es decir:

Por consiguiente, cuando los productos formados durante una reaccin qumica salen de la cmara de reaccin en el estado de entrada de los reactivos, se tiene Eestado = 0 y, en este caso, el cambio de energa del sistema se debe tan slo a los cambios de su composicin qumica.2.2.1 Entalpa de reaccinSe define como la diferencia entre la entalpa de los productos en un estado especificado y la entalpa de los reactivos en el mismo estado para una reaccin completa.2.2.2 Entalpa de combustinRepresenta la cantidad de calor liberado durante un proceso de combustin de flujo estacionario cuando 1 kmol (o 1 kg) de combustible se quema por completo a una temperatura y presin especificadas (Fig. 3). Esto se expresa as:

Fig. 3 La entalpa de combustin representa la cantidad de energa liberada cuando un combustible se quema durante un proceso de flujo estacionario a un estado especificado.2.2.3 Entalpa de formacinla cual puede considerarse como la entalpa de una sustancia en un estado especificado debida a su composicin qumica.

CONCLUSIONES

Cualquier material que pueda quemarse para liberar energa recibe el nombre de combustible.

A la reaccin qumica durante la cual un combustible se oxida y se libera una gran cantidad de energa se le conoce como combustin. El oxidante empleado con mayor frecuencia en los procesos de combustin es el aire. El aire seco se modela como una mezcla de 21 por ciento de oxgeno y 79 por ciento de nitrgeno, a base molar. Por lo tanto:

Durante un proceso de combustin, los componentes que existen antes de la reaccin reciben el nombre de reactivos, y los componentes que existen despus de la reaccin se denominan productos.

Las ecuaciones qumicas se balancean con base en el principio de la conservacin de la masa, el cual establece que la masa total de cada elemento se conserva durante una reaccin qumica. La relacin entre la masa del aire y la masa del combustible durante un proceso de combustin se denomina relacin aire-combustible AC:

Durante una reaccin qumica, algunos enlaces qumicos se rompen y otros se forman. Por ello, un proceso que incluye reacciones qumicas implicar cambios en las energas qumicas. Debido al cambio en la composicin, es necesario contar con un estado de referencia estndar para todas las sustancias, el cual se ha establecido en 25 C (77 F) y 1 atm.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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l. Martnez: Termodinmica basica y aplicada

CENGEL, Y.A. Y BOLES, M.A. 2012. Termodinmica. 7 edicin, Mc. Graw Hill. Mxico.

ANEXO

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