Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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REACCIONES QUÍMICAS
Reactivos
Cámara de
reacción
Productos
FIGURA 15-4
En un proceso de combustión de flujo
estacionario, los componentes que
entran en la cámara de reacción se
denominan reactivos, y los
componentes que salen se llaman
productos.
2 kg de hidrógeno
1
H 2 O2 → H 2
2 O
16 kg de oxígeno
2 kg de hidrógeno
16 kg de oxígeno
FIGURA 15-5
La masa (y el número de átomos) de
cada elemento se conserva durante una
reacción química.
una gran proporción de la energía química liberada durante la combustión. En
todo este capítulo se supondrá que el nitrógeno permanecerá perfectamente
inerte. Tenga en mente, sin embargo, que a temperaturas muy altas, como las
que se encuentran en las máquinas de combustión interna, una pequeña fracción
de nitrógeno reacciona con oxígeno, formando gases peligrosos como el
óxido nítrico.
El aire que entra a una cámara de combustión contiene algo de vapor de
agua (o humedad), que también es digno de consideración. En casi todos los
procesos de combustión, la humedad en el aire y el agua que se forma durante
la combustión puede tratarse como un gas inerte, como nitrógeno. Sin embargo,
a temperaturas muy altas un poco de vapor de agua se descompone en H 2 y
O 2 , así como en H, O y OH. Cuando los gases de combustión se enfrían por
debajo de la temperatura de punto de rocío del vapor de agua, una parte de la
humedad se condensa. Es importante predecir la temperatura del punto de rocío
debido a que las gotas de agua suelen combinarse con el dióxido de azufre que
puede estar presente en los gases de combustión, formando ácido sulfúrico, el
cual es muy corrosivo.
Durante un proceso de combustión los componentes que existen antes de
la reacción reciben el nombre de reactivos, y los componentes que existen
después de la reacción se denominan productos (Fig. 15-4). Considérese, por
ejemplo, la combustión de 1 kmol de carbón con 1 kmol de oxígeno puro, que
forma dióxido de carbono,
C O 2 CO 2
(15-2)
Aquí el C y el O 2 son los reactivos, puesto que existen antes de la combustión,
y CO 2 es el producto debido a que existe después de la combustión. Obsérvese
que un reactivo no tiene que reaccionar químicamente en la cámara de
combustión. Por ejemplo, si el carbono se quema con aire en lugar de oxígeno
puro, ambos lados de la ecuación de combustión incluirán N 2 . Es decir, el N 2
aparecerá como un reactivo y como un producto.
Debe mencionarse que poner un combustible en estrecho contacto con el
oxígeno no es suficiente para iniciar la combustión. (Por fortuna, así es. De otro
modo, el mundo entero estaría en llamas.) El combustible debe llevarse arriba
de su temperatura de ignición para iniciar la combustión. Las temperaturas de
ignición mínimas aproximadas de varias sustancias del aire atmosférico son 260
°C para la gasolina, 400 °C para el carbón, 580 °C para el hidrógeno, 610 °C
para el monóxido de carbono y 630 °C para el metano. Además, las proporciones
del combustible y del aire deben estar en un nivel adecuado para que comience
la combustión. Por ejemplo, el gas natural no se quemará en el aire en concentraciones
menores a 5 por ciento o mayores a 15 por ciento, aproximadamente.
Como el lector recordará de sus cursos de química, las ecuaciones químicas
se balancean con base en el principio de la conservación de la masa
(o el balance de masa), que se enuncia como sigue: La masa total de cada
elemento se conserva durante una reacción química (Fig. 15-5). Es decir, la
masa total de cada elemento en el lado derecho de la ecuación de la reacción
(los productos) debe ser igual a la masa total de ese elemento en el lado
izquierdo (los reactivos) aun cuando los elementos existan en compuestos químicos
diferentes en los reactivos y los productos. Además, el número total de
átomos de cada elemento se conserva durante una reacción química, ya que el
número total de átomos de un elemento es igual a la masa total del elemento
dividida entre su masa atómica.
Por ejemplo, ambos lados de la ecuación 15-2 contienen 12 kg de carbono
y 32 kg de oxígeno, aun cuando el carbono y el oxígeno existan como elementos
en los reactivos, y como un compuesto en el producto. Asimismo, la
masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos, que es