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Cuestionario Previo
Practica #3 Combustión
1.- ¿Qué es la combustión?
La combustión es un proceso de oxidación mediante el cual una sustancia combustible
libera su energía latente en forma de calor y luz al entrar en contacto con el elemento
comburente; éste puede ser oxígeno puro o bien oxígeno que se toma de un compuesto
químico como el ácido nítrico o el perclorato de amoniaco. El comburente no
necesariamente deberá de ser oxígeno, ya que también sustancias como el fluor al entrar
en contacto con el hidrógeno reaccionan provocando un proceso de combustión.
2.- ¿Qué es un combustible?
Los combustibles son sustancias que pueden proporcionar energía calorífica apta para
producir trabajo mecánico; según su estado se clasifican en sólidos, líquidos o gaseosos.
3.- Qué tipos de combustibles existen
Los combustibles sólidos comprenden las distintas clases de carbón; éste puede ser de
origen orgánico o inorgánico. Estos combustibles generalmente están constituidos por
carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, humedad y cenizas. Algunos de los
combustibles sólidos son: la antracita, semiantracita, carbón bituminoso, lignito, etc.
Los combustibles líquidos y gaseosos se componen básicamente de carbono e hidrógeno
y reciben el nombre de hidrocarburos. Estos combustibles generalmente se derivan del
petróleo, el cual es el resultado final de la acción del tiempo, presión y temperatura sobre
sustancias de origen orgánico.
El petróleo consta de una mezcla de hidrocarburos que varía del 50 al 98%; éstos son:
Familia Formula Estructura
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Parafinas Cn H 2n+2 Cadena saturada
Olefinas Cn H2n Cadena no saturada
DiolefinasCn H 2n-2
Cadena no saturada
NaftenosCn H2 n
Anillo saturado
aromaticosCn H 2n-6
Anillo no saturado
El resto consta de materias orgánicas que contienen oxígeno, nitrógeno y azufre, así
como compuestos metálicos. De esta mezcla se obtiene una densidad específica que
varía de 0.8 a 0.95.
Se dice que un hidrocarburo está saturado cuando todos sus átomos de carbono están
unidos por una simple ligadura. Un hidrocarburo se considera no saturado cuando los
átomos de carbono están unidos por una doble o triple ligadura.
Debido a que la energía liberada por el combustible se obtiene básicamente por la ruptura
de dichas ligaduras, se puede apreciar que al contar con un mayor número de éstas se
tendrá un incremento en la energía liberada.
Los hidrocarburos se caracterizan por tener un enlace covalente el cual consiste en
compartir los electrones del último nivel energético a fin de alcanzar una estructura
electrónica estable.
La serie de hidrocarburos parafínicos comienza con el metano (CH4); el siguiente
hidrocarburo de la serie tiene un átomo más de carbono y dos más de hidrógeno unidos a
él.
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Las olefinas tienen cadena abierta como las parafinas; pero existe algún enlace doble que
puede estar entre dos átomos de carbono cualesquiera:
Las diolefinas tienen una estructura análoga a las olefinas; pero existen dos dobles
enlaces. En consecuencia, estas moléculas se encuentran menos saturadas que las
olefinas. Los números que preceden el nombre de la molécula indican la localización de
los enlaces dobles:
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La serie nafténica de los hidrocarburos tiene sus átomos de carbono unidos por enlaces
simples, cada uno de ellos unido a los dos adyacentes, formando así una estructura de
anillo:
La serie aromática de hidrocarburos forma una estructura de anillo con tres dobles
ligaduras, llamada anillo bencénico:
Como ejemplo de algunos combustibles líquidos y gaseosos se tiene:
a. Líquidos: b. Gaseosos:
gasolina metano
alcohol etano
keroseno propano
diesel butano
etc. pentano
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4.- Qué es el índice de octano?
El índice de ignición de un combustible es una de las características de mayor importancia
que depende de la naturaleza química de éste. En el caso de las gasolinas se denomina
índice de octano y del aceite diesel índice cetano
.
Dicho índice determina la capacidad del combustible para soportar altas presiones y
temperaturas sin que exista autoignición o detonación. Para establecer la clasificación por
octanos se utiliza un motor monocilíndrico en el cual la velocidad, temperatura y riqueza
de la mezcla se mantienen constantes al probar los diferentes combustibles. Al iso-octano
(C8H18) se le asigna el valor de 100 por ser el combustible que soportó mayor presión y
temperatura: y al heptano normal (C7H16) el valor de cero puesto que en condiciones
normales de presión y temperatura se incendia. Los demás combustibles quedan en este
rango. Por ejemplo, un combustible que se comporta como el iso-octano se dice que tiene
100 octanos.
5.- Qué significa °Baume y °API. Cómo se determinan?
Es la masa contenida por unidad de volumen; se mide en grados Baumé o grados API.
Las fórmulas para transformar el peso específico a las unidades anteriores son:
Determinando que al peso específico a 289 K/289 K se le llama gravedad específica (esto
es, el peso específico de la sustancia a 289 K dividido por el peso específico del agua a
289 K).
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6.- Cual es la composición del aire seco?
7.- ¿A qué se le llama nitrógeno atmosférico?
La mezcla de nitrógeno, argón, CO2, hidrógeno y gases inertes que están normalmente
presentes en el aire se denomina nitrógeno atmosférico. Debido a lo anterior, la
composición del aire seco puede escribirse como:
Aplicando la ley de Avogadro se obtiene que la relación molar entre el N2 y el 02 es la
misma que su relación volumétrica debido a que ambos son gases y se encuentran en
condiciones atmosféricas, esto es a la misma presión y temperatura.
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Por cada mol de 02 en el aire, se tienen 3.76 moles de N2.
Nota: Cuando el N2 incluye el argón y los demás gases que se encuentran en pequeñas
cantidades en el aire (por lo cual no se consideran en nuestro estudio), se puede obtener
mayor exactitud asignándole al nitrógeno un peso molecular de 28.2, en vez de 28.0 que
le correspondería en estado puro.
8.- Cuál es el principio de funcionamiento de los analizadores de gases?
La medición de los gases es la determinación del peso molecular de dichos
contaminantes emitidos por el escape de un vehículo. Para realizar la medición el
analizador debe de tener algunos componentes esenciales, los cuales son dictados a
continuación:
• Sonda de prueba: de vidrio o de acero inoxidable con una longitud suficiente para
recorrer los puntos de muestreo. La sonda de muestreo debe estar diseñada para evitar
la condensación.
• Línea de muestra: tubería no reactiva, diseñada para transportar el efluente desde la
sonda de prueba al sistema de remoción de humedad.
Sistema de remoción de humedad: si la proporción de NO2 a NOx es mayor al 10% se
requiere de un condensador enfriado o un instrumento parecido, para remover el
condensado de manera continua del gas de muestra.
• Filtro de material particulado: se deben colocar filtros situados antes de la entrada del
analizador para prevenir la acumulación de material particulado en el sistema de
medida y extender la vida útil de los componentes. Todos los filtros deben ser
fabricados de materiales que sean no reactivos con el gas que se analiza.
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• Bomba de muestreo: es una bomba a prueba de fugas que impulsa la muestra gaseosa
dentro del sistema a una velocidad de flujo que minimice el tiempo de respuesta del
sistema de medida.
• Analizador de gases: es un instrumento que contiene celdas electroquímicas para
determinar la concentración de NO, NO2, CO y O2 en la corriente de muestra de gas.
9.- Qué tipo de analizadores existen?
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ANALIZADOR DE ORSAT: Es un aparato que se utiliza para determinar los porcentajes
en volumen de CO, CO2 y O2 presentes en los gases producto de la combustión (figura
3.1). La botella C, que contiene agua, se comunica con la bureta B por un tubo de caucho.
Levantando o bajando la botella se hace que el agua entre en la bureta o salga de ella.
Para hacer el análisis, primero se desaloja el aire de la bureta y de los conductos o pasos
anexos, empujando con el agua de C. Luego se introduce en la bureta B una muestra de
los productos de combustión. Durante estas operaciones preliminares, las válvulas de
aguja, N1, N2, N3, que establecen la comunicación con los recipientes de las disoluciones
D, E y F, han sido cerradas. Después, con la válvula N1 abierta, se obliga a la muestra de
gases de la bureta a entrar en el
recipiente D levantando la botella C. En
D hay una solución de potasa cáustica
que absorbe el anhídrido carbónico de
los gases (CO2), dejando pasar sin
alterar los otros constituyentes. El gas
restante se retorna a la bureta B bajando
la botella C y se anota la pérdida de
volumen. En forma sucesiva, se obliga al
gas a entrar en los recipientes E y F. En
el primero hay una disolución de ácido
pirogálico en una solución de dióxido de
potasio, la cual absorbe el oxigeno; en F
hay una disolución de cloruro cuproso en
amoniaco, la cual retendrá el monóxido
de carbono. Se supone que el resto del
gas es nitrógeno, o bien, se hace una estimación de los demás productos.
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MEDIDOR DE CO2
El medidor de CO2 es un aparato simple formado por un paralelogramo de plástico
transparente en el interior del cual se encuentran dos cilindros de diferente diámetro
comunicados entre si por un sifón. El cilindro de mayor diámetro sirve para almacenar el
liquido que absorbe el CO2 y el de menor diámetro para medir el % de CO2 absorbido.
Sobre el cilindro mayor hay una válvula que permite el paso del gas producto de la
combustión y sobre el menor otra válvula para venteo. A la derecha del medidor se tiene
una escala móvil para obtener la lectura de CO2 y en ese mismo lado en la parte inferior
existe un tapan roscado que se utiliza para sacar el liquido cuando haya necesidad de
cambiarlo.
El medidor también incluye una manguera para conectarlo al escape de la máquina y la
bomba a fin de suministrar el gas producto de la combustión.
Manejo
a. Presione sobre las válvulas de admisión y venteo, suéltelas lentamente y coloque el
cero de la escala.
b. Coloque la manguera de suministro de gas, y el otro extremo en la válvula de admisión
y presiónese contra ella. Suministre 20 bombazos llenos lentamente; suelte la válvula de
admisión sin dejar de oprimirla en el último bombazo.
c. Mueva despacio el medidor hacia atrás y adelante varias veces, pero no se invierta.
d. Tome la lectura del % de CO2. Después de 500 pruebas o un año, la solución del
medidor debe reemplazarse.
10.- A qué se le llama relación aire combustible?
Es el número que expresa la cantidad, en masa o en volumen, de aire aspirado por un
motor de combustión para una cantidad unitaria de combustible. Dicha relación es función
del combustible, del tipo de motor, de su regulación y de la carburación.
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El valor ideal o teórico de tal relación es el correspondiente a la relación estequiométrica o
proporción exacta entre las masas de las substancias que forman parte de la reacción
para conseguir una completa combinación química. Cuando se trate de gasolinas
comerciales, dicha relación está comprendida entre 14,7 y 15,1 (es decir, unos 15 kg de
aire por cada kilogramo de gasolina). Sin embargo, dicha condición se cumple sólo en el
caso de reacción en condiciones teóricas o ideales, sin tener en cuenta la mayor o menor
rapidez con que se desarrolla efectivamente la combustión.
En los motores térmicos y, sobre todo, en los alternativos de tipo volumétrico, la reacción
se desarrolla en condiciones muy especiales y variables y, en el caso de encendido por
chispa, las modalidades de inicio de la reacción (generalmente una chispa eléctrica
prácticamente puntiforme) determinan que adquieran gran importancia otros aspectos de
la combustión, como la velocidad de la propagación de la llama y la inflamabilidad de la
mezcla.
11.- Cuál es la reacción de combustión estequiométrica?
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12.- ¿Qué son los gases de efecto invernadero?
Se denominan gases de efecto invernadero (GEI) o gases de invernadero a
los gases cuya presencia en la atmósfera contribuyen al efecto invernadero. Los más
importantes están presentes en la atmósfera de manera natural, aunque su concentración
puede verse modificada por la actividad humana, pero también entran en este concepto
algunos gases artificiales, producto de la industria. Esos gases contribuyen más o menos
de forma neta al efecto invernadero por la estructura de sus moléculas y, de forma
sustancial, por la cantidad de moléculas del gas presentes en la atmósfera.
Efecto invernadero
La atmósfera, por el hecho de ser muy transparente para la luz visible pero mucho menos
para la radiación infrarroja, produce para la superficie terrestre el mismo efecto que el
techo de cristal produce en un invernadero; la luz solar, que llega sin grandes obstáculos
hasta el suelo, lo calienta, dando lugar a que emita rayos infrarrojos (ondas caloríficas),
los cuales, a diferencia de los rayos de luz, son absorbidos en gran parte por el vidrio o la
atmósfera. Al final la cantidad de energía emitida al espacio tiene que ser la misma que la
absorbida, pero la superficie terrestre tiene que alcanzar la temperatura en que ambos
flujos se equilibran, la cual es más alta en presencia de una atmósfera (en un planeta) o
de techos de cristal (en un invernadero; aunque en realidad el cristal de un invernadero
protege de la pérdida de calor más porque interrumpe la circulación del aire, que porque
sea opaco a los rayos infrarrojos).
13.- Efectos dañinos de los procesos de combustión en el medio ambiente
El calentamiento global causado por los gases de efecto invernadero y la putrefacción de
plantas y vegetación que son la principal fuente de oxigeno en el planeta. También
problemas en la salud de las poblaciones como problemas respiratorios y de irritación en
piel y ojos a causa de gases y lluvia acida. Deterioro en edificios y monumentos por lluvia
acida.
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14.- Normas emitidas para la regulación de las emisiones contaminantes dictadas por la
SEMARNAT, STPS, SENER, ETC.
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