El poder calorífico (o valor energético o poder calorífico ) de una sustancia , normalmente un combustible o un alimento (ver energía de los alimentos ), es la cantidad de calor liberada durante la combustión de una cantidad determinada de la misma.
El poder calorífico es la energía total liberada en forma de calor cuando una sustancia sufre una combustión completa con oxígeno en condiciones estándar . La reacción química suele ser un hidrocarburo u otra molécula orgánica que reacciona con oxígeno para formar dióxido de carbono y agua y liberar calor. Se puede expresar con las cantidades:
Hay dos tipos de entalpía de combustión, llamados valor calorífico alto (más) y bajo (más), dependiendo de cuánto se permite que los productos se enfríen y si compuestos como el H
2Se permite que O se condense. Los valores caloríficos elevados se miden convencionalmente con una bomba calorimétrica . Los valores caloríficos bajos se calculan a partir de datos de pruebas de valores caloríficos altos. También pueden calcularse como la diferencia entre el calor de formación Δ H⦵f
de los productos y reactivos (aunque este enfoque es algo artificial ya que la mayoría de los calores de formación generalmente se calculan a partir de calores de combustión medidos). [1]
Para un combustible de composición C c H h O o N n , el calor de combustión (superior) es 419 kJ/mol × ( c + 0,3 h − 0,5 o ) , normalmente con una buena aproximación (±3%), [2] [3] aunque da malos resultados para algunos compuestos como el formaldehído (gaseoso) y el monóxido de carbono , y puede ser significativamente incorrecto si o + n > c , como en el caso del dinitrato de glicerina, C 3 H 6 O 7 N 2 . [4]
Por convención, el calor (superior) 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, ΔH ° comb , es el calor de reacción del siguiente proceso:
El cloro y el azufre no están del todo estandarizados; Por lo general, se supone que se convierten en gas cloruro de hidrógeno y SO.
2más o menos
3gas, respectivamente, o para diluir ácidos clorhídrico y sulfúrico acuosos , respectivamente, cuando la combustión se realiza en una bomba calorimétrica que contiene cierta cantidad de agua. [5] [6]
Zwolinski y Wilhoit definieron, en 1972, valores "brutos" y "netos" para el calor de combustión. En la definición bruta, los productos son los compuestos más estables, por ejemplo, H
2O (l), hermano
2(l), yo
2(s) y H
2ENTONCES
4(l). En la definición neta, los productos son los gases producidos cuando el compuesto se quema en una llama abierta, por ejemplo, H
2O (g), Br.
2(g), yo
2(g) y así
2(gramo). En ambas definiciones los productos de C, F, Cl y N son CO.
2(g), HF (g), Cl
2(g) y norte
2(g), respectivamente. [7]
Fórmula de Dulong
El poder calorífico de un combustible se puede calcular con los resultados del análisis final del combustible. A partir del análisis se conocen porcentajes de los combustibles presentes en el combustible ( carbono , hidrógeno , azufre ). Dado que se conoce el calor de combustión de estos elementos, el poder calorífico se puede calcular mediante la fórmula de Dulong:
HHV [kJ/g]= 33,87 m C + 122,3 (m H - m O ÷ 8) + 9,4 m S
donde m C , m H , m O , m N y m S son los contenidos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre en cualquier base (húmeda, seca o libre de cenizas), respectivamente. [8]
El poder calorífico superior (HHV; energía bruta , poder calorífico superior , 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 llevando todos los productos de la combustión a la temperatura original previa a la combustión, incluida la condensación del vapor producido. Estas mediciones suelen utilizar una temperatura estándar de 25 °C (77 °F; 298 K) [ cita necesaria ] . Esto es lo mismo que el calor termodinámico de combustión, ya que el cambio de entalpía de la reacción supone una temperatura común de los compuestos antes y después de la combustión, en cuyo caso el agua producida por la combustión se condensa en un líquido. El poder 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 donde la condensación de los productos de reacción es práctica (por ejemplo, en una caldera alimentada por gas utilizada para calefacción espacial). . En otras palabras, HHV supone que todo el componente de agua está en estado líquido al final de la combustión (en producto de la combustión) y que se puede utilizar el calor entregado a temperaturas inferiores a 150 °C (302 °F).
El poder calorífico inferior (LHV; poder calorífico neto ; NCV , o poder calorífico inferior ; LCV ) es otra medida de la energía térmica disponible producida por la combustión de un combustible, medida como una unidad de energía por unidad de masa o volumen de sustancia. A diferencia del HHV, el LHV considera pérdidas de energía como la energía utilizada para vaporizar el agua , aunque no existe un acuerdo uniforme sobre su definición exacta. Una definición es simplemente restar el calor de vaporización del agua del poder calorífico superior. Este trata cualquier H 2 O formado como vapor. Por lo tanto, la energía necesaria para vaporizar el agua no se libera en forma de calor.
Los cálculos de LHV suponen que el componente de agua de un proceso de combustión está en estado de vapor al final de la combustión, a diferencia del poder calorífico superior (HHV) (también conocido como poder calorífico bruto o CV bruto ) que supone que toda el agua en un proceso de combustión El proceso se encuentra en estado líquido después de un proceso de combustión.
Otra definición de LHV es la cantidad de calor liberado 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 donde la condensación de los productos de combustión no es práctica o no se puede utilizar el calor a una temperatura inferior a 150 °C (302 °F).
Una definición de poder calorífico más bajo, adoptada por el Instituto Americano del Petróleo (API), utiliza una temperatura de referencia de 60 °F ( 15+5 ⁄ 9 ºC).
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 44 de API), es la entalpía de todos los productos de combustión menos la entalpía del combustible a la temperatura de referencia (el proyecto de investigación 44 de API utilizó 25 °C (GPSA actualmente utiliza 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 la combustión.
La definición en la que todos los productos de la combustión regresan a la temperatura de referencia se calcula más fácilmente a partir del poder calorífico superior que cuando se utilizan otras definiciones y, de hecho, dará una respuesta ligeramente diferente.
El valor calorífico bruto representa el agua en los gases de escape que salen en forma de vapor, al igual que el LHV, pero el valor calorífico bruto también incluye el agua líquida en el combustible antes de la combustión. Este valor es importante para combustibles como la madera o el carbón , que normalmente contendrán cierta cantidad de agua antes de quemarse.
El poder calorífico superior se determina experimentalmente en una bomba calorimétrica . 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 ignición y se deja que se completen las reacciones. Cuando el hidrógeno y el oxígeno reaccionan durante la combustión, se produce vapor de agua. Luego, el recipiente y su contenido se enfrían a los 25 °C originales y el poder calorífico más alto se determina como el calor liberado entre temperaturas iniciales y finales idénticas.
Cuando se determina el poder calorífico inferior (LHV), el enfriamiento se detiene a 150 °C y el calor de la reacción se recupera solo parcialmente. El límite de 150 °C se basa en el punto de rocío del gas ácido .
Nota: El poder calorífico superior (HHV) se calcula con el producto del agua en forma líquida , mientras que el valor calorífico inferior (LHV) se calcula con el producto del agua en forma de vapor .
La diferencia entre los dos poderes caloríficos depende de la composición química del combustible. En el caso del carbono puro o del monóxido de carbono, los dos poderes caloríficos son casi idénticos, siendo la diferencia el contenido de calor sensible del dióxido de carbono entre 150 °C y 25 °C (el intercambio de calor sensible provoca un cambio de temperatura, mientras que el calor latente es sumado o restado para transiciones de fase a temperatura constante (ejemplos: calor de vaporización o calor de fusión ). Para el hidrógeno, la 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 ºC. En total, el poder calorífico superior del hidrógeno está un 18,2% por encima de su poder calorífico inferior (142 MJ/kg frente a 120 MJ/kg). En el caso de los hidrocarburos, la diferencia depende del contenido de hidrógeno del combustible. Para la gasolina y el diésel, el poder calorífico superior supera al poder calorífico inferior en aproximadamente un 10% y un 7%, respectivamente, y para el gas natural en aproximadamente un 11%.
Un método común para relacionar HHV con LHV es:
donde H v es el calor de vaporización del agua, n H
2O ,out es el número de moles de agua vaporizada y n combustible,in es el número de moles de combustible quemado. [9]
Los fabricantes de motores suelen clasificar el consumo de combustible de sus motores según los valores caloríficos más bajos, ya que los gases de escape nunca se condensan en el motor, y esto les permite publicar cifras más atractivas que las que se utilizan en términos de plantas de energía convencionales. La industria energética convencional utiliza desde hace décadas exclusivamente HHV (alto valor calorífico), aunque prácticamente todas estas plantas tampoco condensan los gases de escape. Los consumidores estadounidenses deben tener en cuenta que el consumo de combustible correspondiente a un mayor poder calorífico será algo mayor.
La diferencia entre las definiciones de HHV y LHV causa una confusión infinita cuando quienes citan no se molestan en indicar la convención que se utiliza. [10] ya que normalmente hay una diferencia del 10% entre los dos métodos para una central eléctrica que quema gas natural. Para simplemente comparar parte de una reacción, el LHV puede ser apropiado, pero el HHV debe usarse para los cálculos generales de eficiencia energética , aunque sólo sea para evitar confusión y, en cualquier caso, el valor o la convención deben indicarse claramente.
Tanto el HHV como el LHV se pueden expresar en términos de AR (toda la humedad contada), MF y MAF (solo agua procedente de la combustión de hidrógeno). AR, MF y MAF se utilizan comúnmente para indicar los valores caloríficos del carbón:
La Agencia Internacional de Energía informa los siguientes valores caloríficos más altos típicos por metro cúbico estándar de gas: [13]
El poder calorífico inferior del gas natural suele ser aproximadamente el 90% de su poder calorífico superior. 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.
