1SpPC.10. Conversia energiei în timpul arderii

Situatie

Stăpânirea conversiei energiei a fost întotdeauna un factor crucial pentru dezvoltarea omenirii și este intim legată de ideea de progres. De la stăpânirea „focului”, care nu este alta decât stăpânirea transformării energiei chimice conținute în combustibili în energie termică, prin stăpânirea „vântului” (conversia energiei mecanice) până la stăpânirea energiilor chimice conținute în combustibili fosili în secolele XIX și XX, ceea ce a dus la revoluția industrială prin conversie în energie electrică.

Din păcate, această sete crescândă de energie a fost însoțită și de o transformare profundă a mediului nostru, cu schimbări climatice pe care nu mai este posibil să le negăm în timp ce oameni de știință de renume, precum laureatul Nobel pentru chimie Paul Josef Crutzen, anunță că am intrat chiar o nouă eră geologică: Antropocenul !

Prin urmare, devine urgent să controlăm modul în care transformăm energia, să alegem resursele energetice care au un impact minim asupra mediului nostru, să ne gândim la stocarea energiei și să fim pe deplin informați cu privire la problemele care au acum impact asupra întregii umanități.

Resurse energetice

Resursele energetice sunt resursele de bază din care energia va fi transformată pentru uz uman. Există două tipuri de resurse: regenerabile și neregenerabile.

Resurse regenerabile sunt cele care nu se vor epuiza la scară umană. Este de la sine înțeles că nu putem vorbi la scara universului, deoarece știm că Soarele își va epuiza resursele interne de energie în aproximativ cinci miliarde de ani și că, prin urmare, nu va mai furniza energie. Dar peste cinci miliarde de ani omenirea va dispărea de mult sau se va transforma în altceva !

Printre resursele de energie regenerabilă putem clasifica, prin urmare, energia mecanică a vântului sau a apei, energia termică a subsolului (energia geotermală), energia radiantă de la Soare sau energia chimică conținută în biomasa organismelor. Toate aceste energii pot fi transformate în energie utilizabilă și transportabilă de către oameni, cum ar fi energia electrică sau termică. Aceste resurse sunt considerate a fi reînnoite suficient de repede pentru a fi „inepuizabile”.

Resurse energetice neregenerabile nu se reînnoiesc sau foarte încet, la scară umană. Includem combustibili fosili (gaz natural de cărbune, petrol) și combustibili fisionabili (uraniu 235) care sunt toate transformate în energie termică (înainte de a fi convertite înapoi la energie electrică în centralele termice sau nucleare).

Majoritatea covârșitoare a utilizării resurselor de energie, aceste resurse neregenerabile sunt epuizate rapid. De exemplu, se consumă câteva miliarde de tone de petrol pe an, în timp ce a fost nevoie de milioane de ani până când s-a format.

Estimarea rezervelor mondiale rămase este dificilă, deoarece variațiile de consum sunt mari. Criza economică globală din 2008 a redus drastic consumul de combustibili fosili, în timp ce războaiele l-au crescut drastic. Sunt descoperite puține zăcăminte noi, dar odată cu creșterea prețurilor, exploatarea anumitor resurse, cum ar fi nisipurile petroliere sau gazele de șist, devin profitabile. Fără ca aceste cifre să fie stabilite în piatră, iată estimările din 2017:

Resursă	Durata rezervărilor
Ulei	40 de ani
Gaz	57 de ani
Cărbune	150 de ani
Uraniu	80 de ani

Aceste cifre presupun un consum identic cu cel din 2010.

Provocări energetice pentru viitorul nostru

Pe termen lung, viitorul utilizării energiei noastre depinde, așadar, de controlul energiilor regenerabile și de optimizarea transformării acestora. Cu toate acestea, este posibil să îmbunătățim utilizarea pe care o avem de la aceste resurse energetice, luând în considerare anumite aspecte esențiale: transport, depozitare, costuri și impactul asupra mediului.

Resursele, în special fosilele și fisilele, nu sunt distribuite uniform pe planetă. În afară de gestionarea tensiunilor geopolitice asociate acestor resurse, trebuie amintit că transportul lor în sine folosește energie și nu este întotdeauna profitabil. Pe de altă parte, unele resurse sunt ușor stocate, cum ar fi petrolul, în timp ce unele forme de energie nu pot fi stocate pe termen lung, cum ar fi energia electrică.

Costul exploatării anumitor resurse energetice este uneori mai mare decât costul acelei energii sub formă transformată. Apoi, este o alegere socială și politică dacă se subvenționează aceste resurse energetice, care ar putea avea avantajul unui impact redus asupra schimbărilor climatice.

În cele din urmă, exploatarea anumitor resurse energetice pune serioase probleme de mediu sau de sănătate, cum ar fi exploatarea gazelor de șist, a nisipurilor de gudron sau tratarea deșeurilor radioactive datorită transformării energiilor fisibile.

Energie chimica

Energia chimică este legată de formarea sau descompunerea legăturilor covalente. Orice reacție chimică va aduce, prin urmare, această energie chimică în joc, absorbind-o sau eliberând-o. La fel de trebuie furnizată energie pentru a rupe legăturile covalente, unele reacții chimice vor „consuma” mai multă energie externă (de obicei termică) decât o eliberează și invers.

Energia chimică este conținută în tancuri care poate fi exploatat pentru transforma într-o altă formă. Aceste rezervoare pot fi naturale, cum ar fi petrolul, gazele naturale sau biomasa, sau au fost create de oameni, cum ar fi bateriile sau acumulatorii. Această energie chimică poate fi apoi transformată în mod natural sau provocată în dispozitive care permit recuperați într-o altă formă: termic, electric, radiant ... vorbim despre convertor de energie.

Deci corpul uman este un convertor de energie care consumă alimente pentru a-și transforma energia chimică în energie mecanică care îi va face să funcționeze mușchii. Dacă aceste alimente sunt plante, ele însele au transformat energia radiantă a Soarelui în energie chimică. Bateriile acumulatoare sunt, de asemenea, convertoare de energie care transformă energia electrică în energie chimică pentru a o stoca înainte de a face contrariul atunci când este nevoie de energie electrică.

Arderea alcanilor și a alcoolilor

Alcanii și alcoolii sunt foarte apreciați pentru energia pe care o eliberează în timpul unei reacții chimice numite combustie. Această reacție implică o combustibil, aici un alcan sau un alcool și un oxidant, de obicei oxigenul prezent în aer.

În cazul alcanilor și alcoolilor, care conțin numai atomi de carbon, hidrogen și oxigen (pentru alcooli), produsele combustiei complete (dacă oxigenul este în exces) va fi dioxid de carbon si ceva vapori de apă.

Rezultatele unei arderi de alcan sau alcool pot fi, prin urmare, scrise sub forma:

Aceste două exemple ne permit să vedem că, de exemplu, un mol de propan va da, prin combustie, trei moli de dioxid de carbon. Acest lucru explică impact foarte puternic al acestor arderi asupra creșterii concentrației acestui gaz cu efect de seră în atmosfera noastră pământească.

Obține aceste arderi necesită un aport de energie pentru a rupe legăturile dintre atomi. Prin urmare, aceste reacții nu sunt spontane și trebuie să aducem această energie (cu un chibrit de ardere, de exemplu), astfel încât arderea să înceapă.

Dar formarea de noi legături, în produsele de reacție, eliberează, de asemenea, energie. Dar reacțiile arderile eliberează mai multă energie decât consumă, de aici și interesul lor pentru încălzirea, gătirea mâncării sau conducerea mașinilor noastre.

Evaluarea unei reacții de ardere

Am văzut că umanitatea folosește în principal resursele de energie fosilă pentru a o transforma în alte energii necesare civilizației noastre actuale: mecanică, termică, electrică ...

Acest lucru se face în principal cu reacția de ardere, pe care ați studiat-o deja la facultate. Această reacție implică un combustibil și un oxidant, în general oxigen O2.

Resursele de energie fosilă sunt specii organice care conțin în principal atomi de carbon, hidrogen și oxigen. În acest caz, arderea completă dintre aceste specii produce doar apă și dioxid de carbon. Ecuația bilanțului acestor reacții este, prin urmare, foarte simplă.

Exemplu de ardere completă a octanului (benzină):

Determinați masa dioxidului de carbon produsă prin arderea unui litru de octan.

Începem prin a scrie ecuația echilibrului reacției:

Putem întocmi un tabel de progres:

2 C8H18 (l) + 25 O2 (g) ⟶ 16 CO2 (g) + 18 H2O (g)
Stare initiala	nu	exces	0	0
Starea intermediară	n - 2x	exces	16 x	18 x
Starea finală	n- 2 xmax	exces	16 xmax	18 xmax

Densitatea octanică fiind de 703 kg.m -3, densitatea sa ρ este deci de 0,703 kg.L -1 (deoarece există 1000 L în 1 m 3).

Cu masele molare atomice de carbon (12 g.mol -1), oxigen (16 g.mol -1) și hidrogen (1 g.mol -1), este posibil să se calculeze octanul masei molare (114 g.mol -1) și cea a dioxidului de carbon (44 g.mol -1).

Un litru de octan corespunde unei mase de 0,703 kg sau 703 g. Deci, la o cantitate de materie n = 6,17 mol (n = m/M)

Deci, în starea finală xmax = n/2 = 3,09 mol.

masa dioxidului de carbon obținută este deci m = 16 × 3,09 × 44 = 2175 g (deoarece m = n × M).

Prin urmare, arderea unui litru de octan produce mai mult de 2 kg de dioxid de carbon !

Când oxigenul nu este prezent în cantitate suficientă, reacția devine incompletă și apoi produce alți compuși, cum ar fi carbonul (funinginea) sau monoxidul de carbon CO care este un gaz letal. Apoi va fi necesar să se scrie ecuații de echilibru de reacție pentru fiecare specie carbonică produsă, deoarece acestea sunt reacții separate care au loc în același timp cu reacția principală de ardere.

De exemplu, pentru arderea incompletă a butanului (C4H10) care formează monoxid de carbon, putem scrie:

Arderea este o reacție care transformă energia chimică în energie termică în cantități mari. Acum să vedem cum să calculăm cu precizie energia eliberată.

Aspect energetic

Dacă vrem să fierbem apă cu o sobă cu alcool în timpul unei petreceri de camping pe malul mării, poate merită să încercăm să prezicem cât alcool va trebui să ardem pentru a obține exact cantitatea de căldură.

Acum imaginează-ți că nu îți place ceaiul tău fierbinte și vrei doar să ridici temperatura apei cu aragazul tău cu alcool. În acest caz va fi necesar să se calculeze cantitatea de căldură care trebuie furnizată unui corp de masă m pentru ao aduce la temperatura potrivită folosind următoarea relație:

Q = C \ times m \ times \ Delta t

Unități:

Î: cantitatea de căldură absorbită (energie) în Joule (J)
m: masa corpului în kilograme (kg)
C: căldura specifică a corpului în Joule pe kilogram pe grad
(J.kg -1. ° K)
Δt: diferența de temperatură între cea de plecare și cea de sosire

Note:

Căldura specifică era exprimată anterior în calorii (cal), care reprezintă cantitatea de căldură necesară pentru creșterea temperaturii de 1 gram de apă cu 1 ° C: 1 cal = 4,18 J
Gradul exprimat este în grade Kelvin, dar 1 ° K = 1 ° C, singura modificare provine de la baza scării de temperatură.

Căldura specifică se mai numește și capacitate termică și depinde de corpul studiat. Iată câteva exemple de capacități termice:

În acest tabel vedem imediat că metalele, buni conductori de căldură, au nevoie de foarte puțină energie pentru a vedea creșterea temperaturii lor cu un grad, spre deosebire de apă, corpul uman sau hidrogen.

Exemplu:

Câtă energie este necesară pentru a crește temperatura unui litru de apă lichidă de la 20 la 40 ° C ?
Ce masă de fontă (aliaj de fier și carbon) (C = 0,47 kJ.kg -1 .K -1) la 100 ° C ar trebui să vă scufundați în apă la 20 ° C pentru a o face să atingă aceste 40 ° C ?

Deci, aproape 3 kg de fontă la 100 ° C vor trece la 40 ° C la contactul cu doar un litru de apă care va scădea de la 20 la 40 ° C. Ar trebui să înțelegeți mai bine de ce pompierii folosesc în principal apa: nu doar pentru a sufoca flăcările, ci pentru a absorbi căldura din obiectele fierbinți și pentru a preveni răspândirea focului. !

Energie eliberată în timpul arderii

Apropo de foc, care este un fel de combustie, energia eliberată de acest tip de reacție este proporțională cu cantitatea de material combustibil ars și se exprimă prin următoarea relație:

Unități:

Elib: Energie eliberată prin ardere în Joule (J)
n: numărul de moli de combustibil în moli (mol)
Ecomb: Energia molară de ardere a combustibilului în Joule per mol
(J.mol -1)

Pentru a calcula energia eliberată prin ardere este deci necesar să scrieți ecuația de echilibru a arderii, pentru a face echilibrul material a acestei arderi pt determinați numărul de moli de combustibil în funcție de informațiile disponibile (masă, volum, densitate, densitate ...) și apoi efectuați calculul energiei cu formula anterioară.

Energia de reacție molară

Ordinele de mărime ale energiilor termice molare sunt de 100 până la 1000 de ori mai mari decât cele ale schimbărilor de stare din cauza legăturilor care trebuie rupte.

Energia de reacție chimică molară este diferența dintre energia de disociere, necesară pentru ruperea legăturilor, și energia de formare, necesară pentru a forma noi legături.

Fiecare legătură are o energie medie de legătură:

Referință: Huheey, pps. A-21 până la A-34; T.L. Cottrell, „Forțele legăturilor chimice”, ediția a II-a, Butterworths, Londra, 1958; B. deB. Darwent, „National Standard Reference Data Series”, National Bureau of Standards, nr. 31, Washington, DC, 1970; S.W. Benson, J. Chem. Educ., 42, 502 (1965).

Tipul legăturii	Energia medie de legare (kJ.mol -1)
H-H	432
H-C	411
H-O	459
H-N	386
CC	346
C = C	602
C≡C	835
C-N	305
C = N	615
CO	358
C = O (CO2)	799
N-N	167
O-O	142
O = O	494

Din aceste energii medii de legătură, este posibil să se calculeze energia de reacție. Pentru a face acest lucru, scrieți ecuația echilibrului reacției și numărați legăturile distruse și legăturile formate. Este interesant să faceți acest lucru sub forma unei diagrame energetice, astfel încât să nu uitați nimic.

Exemplu arderea metanului:

Din tabelul anterior putem calcula energia molară a reacției:

E _ = (4 \ times 411 + 2 \ times 494) - (2 \ times 799 + 4 \ times 459) = - 802 \ mathrm \ cdot \ mathrm ^

Puterea calorică

Pentru combustibili, calculăm adesea puterea calorică, care este energia eliberată prin arderea unui kilogram de combustibil.

Pentru a-i determina valoarea, se pot efectua următorii pași:

Scrieți ecuația echilibrului reacției
Determinați numărul de moli de combustibil pe kilogram
Cu o diagramă energetică, calculați energia molară a reacției
Deduceți energia eliberată de reacție cu

Experimental

Pentru a determina experimental aceste energii de ardere molare, vom folosi arderea pentru a încălzi o cantitate cunoscută de apă într-un recipient ale cărui proprietăți le cunoaștem (de exemplu o cutie de aluminiu). Studiind creșterea temperaturii în apă, știm ce energie a fost eliberată și putem deduce energia eliberată (fără a uita orice schimbări de stare asociate, cum ar fi ceara de lumânare care se topește, de exemplu).