Temperatura de llama adiabática

En el estudio de la combustión , la temperatura adiabática de la llama es la temperatura que alcanza una llama en condiciones ideales. Es un límite superior de la temperatura que se alcanza en los procesos reales.

Existen dos tipos de temperatura de llama adiabática : volumen constante y presión constante , dependiendo de cómo se complete el proceso. La temperatura de llama adiabática a volumen constante es la temperatura que resulta de un proceso de combustión completo que ocurre sin ningún trabajo , transferencia de calor o cambios en la energía cinética o potencial . Su temperatura es más alta que en el proceso a presión constante porque no se utiliza energía para cambiar el volumen del sistema (es decir, generar trabajo).

En la vida diaria, la gran mayoría de las llamas que uno encuentra son aquellas causadas por la oxidación rápida de hidrocarburos en materiales como madera , cera , grasa , plásticos , propano y gasolina . La temperatura de llama adiabática a presión constante de tales sustancias en el aire está en un rango relativamente estrecho alrededor de 1,950 °C (2,220 K; 3,540 °F). ^{[ cita requerida ]} Esto se debe principalmente a que el calor de combustión de estos compuestos es aproximadamente proporcional a la cantidad de oxígeno consumido, lo que aumenta proporcionalmente la cantidad de aire que debe calentarse, por lo que se compensa el efecto de un mayor calor de combustión en la temperatura de la llama. La reacción incompleta a una temperatura más alta reduce aún más el efecto de un mayor calor de combustión. ^{[ cita requerida ]}

Como la mayoría de los procesos de combustión que ocurren de forma natural se dan al aire libre, no hay nada que confine el gas a un volumen determinado como el cilindro de un motor. Como resultado, estas sustancias se quemarán a una presión constante, lo que permite que el gas se expanda durante el proceso.

Suponiendo condiciones atmosféricas iniciales (1  bar y 20 °C), la siguiente tabla ^[1] enumera la temperatura de llama para varios combustibles en condiciones de presión constante. Las temperaturas mencionadas aquí corresponden a una mezcla estequiométrica de combustible y oxidante (es decir, relación de equivalencia φ  = 1).

Tenga en cuenta que estas son temperaturas de llama teóricas, no reales, producidas por una llama que no pierde calor. La más cercana será la parte más caliente de una llama, donde la reacción de combustión es más eficiente. Esto también supone una combustión completa (por ejemplo, una llama perfectamente equilibrada, sin humo, generalmente azulada). Varios valores de la tabla difieren significativamente de la literatura ^[1] o de las predicciones de las calculadoras en línea.

Temperatura de llama adiabática (presión constante) de combustibles comunes

Combustible	Oxidante 1 bar 20 °C	${\displaystyle T_{\text{anuncio}}}$
		(°C)	(°F)
Acetileno ( C2H2 )​​​	Aire	2.500	4.532
	Oxígeno	3.480	6.296
Butano ( C 4 H 10 )	Aire	2.231	4.074 [2]
Cianógeno ( C2N2 )​​​	Oxígeno	4.525	8,177
Dicianoacetileno ( C 4 N 2 )	Oxígeno	4.990	9.010
Etano ( C2H6 )​​​	Aire	1.955	3.551
Etanol ( C2H5OH )​​​​	Aire	2.082	3.779 [3]
Gasolina	Aire	2.138	3.880 [3]
Hidrógeno ( H2 )​	Aire	2.254	4.089 [3]
Magnesio (Mg)	Aire	1.982	3.600 [4]
Metano ( CH4 )​	Aire	1.963	3.565 [5]
Metanol ( CH3OH )​​	Aire	1.949	3.540 [5]
Nafta	Aire	2.533	4.591 [2]
Gas natural	Aire	1.960	3.562 [6]
Pentano ( C 5 H 12 )	Aire	1.977	3.591 [5]
Propano ( C3H8 )​​​	Aire	1.980	3.596 [7]
Metilacetileno ( CH3CCH )​​	Aire	2.010	3.650
	Oxígeno	2.927	5.301
Tolueno ( C 7 H 8 )	Aire	2.071	3.760 [5]
Madera	Aire	1.980	3.596
Queroseno	Aire	2.093 [8]	3.801
Fuelóleo ligero	Aire	2.104 [8]	3.820
Combustible de tamaño medio	Aire	2.101 [8]	3.815
Fuelóleo pesado	Aire	2.102 [8]	3.817
Carbón bituminoso	Aire	2.172 [8]	3.943
Antracita	Aire	2.180 [8]	3.957
	Oxígeno	≈3.500 [9]	≈6,332
Aluminio	Oxígeno	3.732	6.750 [5]
Litio	Oxígeno	2.438	4.420 [5]
Fósforo (blanco)	Oxígeno	2.969	5.376 [5]
Circonio	Oxígeno	4.005	7,241 [5]

De la primera ley de la termodinámica para un sistema de reacción cerrado tenemos

${\displaystyle {}_{R}Q_{P}-{}_{R}W_{P}=U_{P}-U_{R}}$

donde, y son el calor y el trabajo transferidos desde el sistema a los alrededores durante el proceso, respectivamente, y y son la energía interna de los reactivos y productos, respectivamente. En el caso de temperatura de llama adiabática de volumen constante, el volumen del sistema se mantiene constante y, por lo tanto, no se produce trabajo:$Estilo de visualización: {}_{R}Q_{P}}$$Estilo de visualización: {}_{R}W_{P}}$$Estilo de visualización U_{R}$$Estilo de visualización U_P$

${\displaystyle {}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=0}$

Tampoco hay transferencia de calor porque el proceso se define como adiabático: . Como resultado, la energía interna de los productos es igual a la energía interna de los reactivos: . Como se trata de un sistema cerrado, la masa de los productos y reactivos es constante y la primera ley se puede escribir en base a la masa,$estilo de visualización {}_{R}Q_{P}=0}$$Estilo de visualización U_{P}=U_{R}$

${\displaystyle U_{P}=U_{R}\Rightarrow m_{P}u_{P}=m_{R}u_{R}\Rightarrow u_{P}=u_{R}}$.

En el caso de la temperatura de llama adiabática a presión constante, la presión del sistema se mantiene constante, lo que da como resultado la siguiente ecuación para el trabajo:

${\displaystyle {}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=p\left({V_{P}-V_{R}}\right)}$

Nuevamente no se produce transferencia de calor porque el proceso se define como adiabático: . De la primera ley, encontramos que,$estilo de visualización {}_{R}Q_{P}=0}$

${\displaystyle -p\left({V_{P}-V_{R}}\right)=U_{P}-U_{R}\Rightarrow U_{P}+pV_{P}=U_{R}+pV_{R}}$

Recordando la definición de entalpía obtenemos . Como se trata de un sistema cerrado, la masa de los productos y los reactivos es la misma y la primera ley se puede escribir en términos de masa:${\displaystyle H_{P}=H_{R}}$

${\displaystyle H_{P}=H_{R}\Rightarrow m_{P}h_{P}=m_{R}h_{R}\Rightarrow h_{P}=h_{R}}$.

Vemos que la temperatura de llama adiabática del proceso a presión constante es menor que la del proceso a volumen constante. Esto se debe a que parte de la energía liberada durante la combustión se destina, en forma de trabajo, a modificar el volumen del sistema de control.

Si asumimos que la combustión se completa (es decir, formando solo CO
₂y H
₂O ), podemos calcular la temperatura de llama adiabática a mano, ya sea en condiciones estequiométricas o con estequiometría pobre (exceso de aire). Esto se debe a que hay suficientes variables y ecuaciones molares para equilibrar los lados izquierdo y derecho.

${\displaystyle {\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\to \nu _{1}{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{4}{\rm {O}}_{\rm {2}}}$

Rico en estequiometría no hay suficientes variables porque la combustión no puede completarse con al menos CO y H
₂necesarios para el equilibrio molar (estos son los productos más comunes de la combustión incompleta),

${\displaystyle {\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\to \nu _{1}{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{5}{\rm {CO}}+\nu _{6}{\rm {H}}_{\rm {2}}}$

Sin embargo, si incluimos la reacción de desplazamiento del gas de agua ,

${\displaystyle {\rm {CO}}_{\rm {2}}+H_{2}\Leftrightarrow {\rm {CO}}+{\rm {H}}_{\rm {2}}{\ habitación {O}}}$

y utilizamos la constante de equilibrio para esta reacción, tendremos suficientes variables para completar el cálculo.

Diferentes combustibles con distintos niveles de energía y componentes molares tendrán diferentes temperaturas de llama adiabática.

En la siguiente figura podemos ver por qué el nitrometano ( _{CH3NO2 ) se utiliza a menudo como potenciador de los coches. Puesto que cada molécula de nitrometano contiene un oxidante con enlaces de energía relativamente alta entre el} nitrógeno y el oxígeno, puede arder mucho más caliente que los hidrocarburos o el metanol que contiene oxígeno. Esto es análogo a añadir oxígeno puro, que también aumenta la temperatura de la llama adiabática. Esto, a su vez, le permite acumular más presión durante un proceso de volumen constante. Cuanto mayor sea la presión, mayor será la fuerza sobre el pistón, lo que creará más trabajo y más potencia en el motor. Se mantiene relativamente caliente y rico en estequiometría porque contiene su propio oxidante. Sin embargo, el funcionamiento continuo de un motor con nitrometano acabará fundiendo el pistón o el cilindro debido a esta temperatura más alta.

En aplicaciones del mundo real, la combustión completa no suele ocurrir. La química dicta que la disociación y la cinética cambiarán la composición de los productos. Hay varios programas disponibles que pueden calcular la temperatura de llama adiabática teniendo en cuenta la disociación a través de constantes de equilibrio (Stanjan, NASA CEA, AFTP). La siguiente figura ilustra que los efectos de la disociación tienden a reducir la temperatura de llama adiabática. Este resultado se puede explicar a través del principio de Le Chatelier .

• Velocidad de la llama

• Babrauskas, Vytenis (25 de febrero de 2006). «Temperaturas en llamas e incendios». Fire Science and Technology Inc. Archivado desde el original el 12 de enero de 2008. Consultado el 27 de enero de 2008 .
• Cálculo de la temperatura de llama adiabática
• Temperatura de llama adiabática

• "Temperatura de llama adiabática". The Engineering Toolbox . Archivado desde el original el 28 de enero de 2008. Consultado el 27 de enero de 2008 .Temperatura de llama adiabática de hidrógeno, metano, propano y octano con oxígeno o aire como oxidantes.
• "Temperaturas de llama para algunos gases comunes". The Engineering Toolbox . Archivado desde el original el 7 de enero de 2008. Consultado el 27 de enero de 2008 .
• Temperatura de una llama azul y materiales comunes

• Calculadora de temperatura de llama adiabática en línea con Cantera
• Programa de temperatura de llama adiabática
• Gaseq, programa para realizar cálculos de equilibrio químico.
• Calculadora de temperatura de llama: combustión adiabática con bipropelente a presión constante
• Calculadora de temperatura de llama adiabática