Temperatura adiabática de llama

En el estudio de la combustión, existen dos tipos de temperatura adiabática de llama que dependen de cómo se haya completado el proceso: a volumen constante y a presión constante. Esta propiedad describe teóricamente la temperatura de los productos de la combustión si no se pierde energía al ambiente exterior.

La temperatura adiabática de llama a volumen constante es la temperatura que resulta de un proceso de combustión completa que ocurre sin trabajo, transferencia de calor o cambios en cinética o energía potencial. Su temperatura es más alta que la que se produce en la combustión a presión constante, ya que en este último caso parte de la energía se utiliza para aumentar el volumen del sistema, produciendo trabajo.

Llamas comunes

 

Propano

 

Octano

En la vida diaria, la gran mayoría de los combustibles que se utilizan habitualmente son compuestos orgánicos como la madera, cera, grasa, plásticos comunes, propano, gas y gasolina. La temperatura adiabática de llama a presión constante de tales sustancias en el aire se sitúa en un rango relativamente estrecho alrededor de 1950 °C. Esto se debe a que, en términos estequiométricos, la combustión de un compuesto orgánico con n átomos de carbono consiste en romper aproximadamente 2n enlaces C–H, n enlaces C–C , y 1.5 n enlaces O₂ para formar aproximadamente n moléculas de CO₂ y n moléculas de H₂O.

Debido a que la mayoría de los procesos de combustión ocurren naturalmente al aire libre, los gases de combustión no se encuentran confinados en un volumen determinado, como ocurre en el cilindro de un motor. Como consecuencia, estas sustancias se queman a una presión constante, permitiendo que el gas se expanda durante el proceso.

Temperaturas de llama comunes

Suponiendo condiciones atmosféricas (1 bar y 20 °C), la siguiente tabla muestra las temperaturas adiabáticas de llama para varios gases a presión constante. Las temperaturas que se indican aquí son para una relación estequiométrica de combustible-oxidante de la mezcla, es decir, dosado relativo ϕ = 1.

Nota: estos son datos teóricos de la temperatura de llama que se producen por un proceso que no pierde calor. El más cercano será la parte más caliente de la llama, donde la reacción de combustión es más eficiente. Esto también supone una combustión completa (p. ej. perfectamente equilibrado, normalmente llama azulada).

Combustible	Comburente	°C	°F
Gasolina	Aire	2138	3880^[1]​
Hidrógeno (H2)	Aire	2254	4089^[1]​
Hidrógeno (H2)	Oxígeno	3200	5792^[2]​
Metano (CH4)	Aire	1963	3565^[3]​
Metanol (CH4O)	Aire	1949	3540^[3]​
Gas natural	Aire	1960	3562^[4]​
Pentano (C5H12	Aire	1977	3591^[3]​
Propano (C3H8)	Aire	1980	3596^[5]​
Propano (C3H8)	Oxígeno	2526	4579
Gas MAPP Metilacetileno (C3H4)	Aire	2010	3650
Gas MAPP Metilacetileno (C3H4)	Oxígeno	2927	5301
Tolueno (C7H8)	Aire	2071	3760^[3]​
Madera	Aire	1980	3596
Queroseno	Aire	2093^[6]​	3801
Fueloil ligero	Aire	2104^[6]​	3820
Fueloil medio	Aire	2101^[6]​	3815
Fueloil pesado	Aire	2102^[6]​	3817
Hulla	Aire	2172^[6]​	3943
Antracita	Aire	2180^[6]​	3957
Antracita	Oxígeno	≈2900^[see 1]​	≈5255
Aluminio	Oxígeno	3732	6750^[3]​
Litio	Oxígeno	2438	4420^[3]​
Fósforo (blanco)	Oxígeno	2969	5376^[3]​
Circonio	Oxígeno	4005	7241^[3]​

1. La temperatura igual a ≈3200 K corresponde al 50 % de la disociación química del CO₂ a la presión de 1 atm. Este valor permanece constante, por lo que el dióxido de carbono constituye el 97% del total de los gases de combustión en el caso de antracita quemada con oxígeno puro. Las temperaturas más altas ocurren en reacciones a altas presiones (hasta 3800 K y por encima, véase e.j. Jongsup Hong et al , p.8).

Termodinámica

 

Primera ley de la termodinámica para la combustión completa en un sistema cerrado.

A partir de la primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado,

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

donde ${\displaystyle {}_{R}Q_{P}}$  y ${\displaystyle {}_{R}W_{P}}$  son, respectivamente, el calor y el trabajo transferidos desde el sistema al entorno durante el proceso y ${\displaystyle U_{R}}$  y ${\displaystyle U_{P}}$  son, respectivamente, la energía interna de los reactivos y productos. En el caso de la temperatura adiabática de llama a volumen constante, el volumen del sistema se mantiene constante por lo que no se produce ningún trabajo;

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

y no hay transferencia de calor debido a que el proceso está definido para ser adiabático: ${\displaystyle {}_{R}Q_{P}=0}$ . Como resultado, la energía interna de los productos es igual a la energía interna de los reactivos ${\displaystyle U_{P}=U_{R}}$ . Debido a que se trata de un sistema cerrado, la masa de los productos y de los reactivos es constante y la primera ley se puede escribir en base másica;

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

 

Entalpía frente a temperatura. Esquema que ilustra cálculos en un sistema cerrado.

 

Energía interna frente a temperatura. Esquema que ilustra cálculos en un sistema cerrado.

En el caso de la temperatura adiabática de llama a presión constante, la ecuación del trabajo viene dada por; ${\displaystyle {}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=p\left({V_{P}-V_{R}}\right)}$  De nuevo, no se produce ninguna transferencia de calor porque el proceso se ha definido para ser adiabático: .${\displaystyle {}_{R}Q_{P}=0}$  De la primera ley, se deduce que,

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

Recordando la definición de entalpía ${\displaystyle H_{P}=H_{R}}$ . Como se trata de un sistema cerrado, la masa de los reactivos y los productos son constantes y la primera ley de la termodinámica se puede escribir como,

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

Se puede observar que la temperatura adiabática de llama de un proceso a presión constante es menor que la correspondiente a un proceso a volumen constante. Esto se debe a que parte de la energía realizada durante la combustión se invierte en cambiar el volumen de control del sistema. Una analogía que se comúnmente se realiza entre ambos procesos es a través de la comparación con un motor de combustión interna. Para el proceso adiabático a volumen constante, se considera que la combustión ocurre instantáneamente cuando el pistón alcanza el punto puerto superior (ciclo de Otto o ciclo de volumen constante). Para el proceso adiabático a presión constante, el pistón se mueve mientras se produce la combustión con el fin de mantener la presión constante (ciclo Diesel o ciclo de presión constante).

 

Temperatura de llama a volumen constante de varios combustibles

Si se asume que la combustión se ha completado (${\displaystyle {\rm {{CO}_{2}}}}$  y ${\displaystyle {\rm {{H}_{2}{\rm {O}}}}}$ ), se puede calcular la temperatura adiabática de llama, ya sean en condiciones estequiométricas o en una mezcla pobre (exceso de aire). Esto se debe a que hay suficientes variables y ecuaciones molares para equilibrar los lados izquierdo y derecho,

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

Como la mezcla aún es rica, no se dispone de suficientes variables, por lo que se debe añadir ${\displaystyle {\rm {CO}}}$  y ${\displaystyle {\rm {{H}_{2}}}}$  para completar el balance molar (productos más comunes de una 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 se incluye la reacción de desplazamiento de gas de agua,

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

y se utiliza la constante de equilibrio para esta reacción, se dispone de suficientes variables para completar el cálculo.

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

 

Nitrometano frente a isooctano. Temperatura de llama y presión.

 

Temperatura de llama a presión constante de varios combustibles

 

Temperatura adiabática de llama y presiones en función de la estequiometría (relación relativa de combustible y aire).

En la siguiente figura se observa por qué el nitrometano (CH₃NO₂) se utiliza a menudo para proporcionar energía a los vehículos. Dado que cada mol de nitrometano contiene dos moles de oxígeno, este puede arder a altas temperaturas porque proporciona su propio oxidante junto con el combustible. Esto a su vez permite que se alcance más presión durante un proceso a volumen constante. Cuanto mayor sea la presión, más fuerza sobre el pistón se genera, produciendo más trabajo y más potencia en el motor. Es interesante observar que el nitrometano ya contiene su propio oxidante en la estequiometría. Sin embargo, el funcionamiento continuo de un motor alimentado con nitrometano finalmente funde el pistón y/o cilindro debido a esta temperatura más alta.

 

Efectos de disociación en la temperatura adiabática de llama.

En aplicaciones reales, generalmente no se produce la combustión completa. La química dicta que la disociación y cinética cambiarán los componentes relativos del producto. Existen varios programas que permiten calcular la temperatura adiabática de llama, 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 disminiur la temperatura de llama. Estos resultados pueden explicarse a través del principio de Le Chatelier.

Véase también

• Proceso adiabático

Referencias

1. «Flame Temperature Analysis and NOx Emissions for Different Fuels». 
2. «Flame temperatures». 
3. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51
4. «North American Combustion Handbook, Volume 1, 3rd edition, North American Mfg Co., 1986.». 
5. . Archivado desde el original el 24 de septiembre de 2015. 
6. Power Point Presentation: Flame Temperature, Hsin Chu, Department of Environmental Engineering, National Cheng Kung University, Taiwan

Enlaces externos

Información general

• Babrauskas, Vytenis (2006-02-25). Babrauskas, Vytenis (25 de febrero de 2006). «Temperatures in flames and fires». Fire Science and Technology Inc. desde el original el 12 de enero de 2008. Consultado el 27 de enero de 2008. Recuperó Babrauskas, Vytenis (25 de febrero de 2006). «Temperatures in flames and fires». Fire Science and Technology Inc. desde el original el 12 de enero de 2008. Consultado el 27 de enero de 2008. 
• Computación de temperatura adiabática de llama
• Temperatura adiabática de llama

Tablas

• "Temperatura adiabática de llama". «Adiabatic Flame Temperature». The Engineering Toolbox. desde el original el 28 de enero de 2008. Consultado el 27 de enero de 2008.  Del original el 28 de enero de 2008. Recuperó 2008-01-27. Temperatura adiabática de llama de hidrógeno, metano, propane y octane con oxígeno o aire como oxidizers
• "Temperaturas de llama para algunos Gases Comunes". «Flame Temperatures for some Common Gases». The Engineering Toolbox. desde el original el 7 de enero de 2008. Consultado el 27 de enero de 2008.  Del original el 7 de enero de 2008. Recuperó 2008-01-27.
• Temperatura de una llama azul y materiales comunes

Calculadoras

• Temperatura adiabática de llama en línea la calculadora que utiliza Cantera
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•   Datos: Q909060