Página 1 de 23

UF1. GENERACIÓ I DISTRIBUCIÓ DE L’ENERGIA

1.1 PRINCIPIS ENERGÈTICS

A. QUÈ ÉS L’ENERGIA?

L’energia és la capacitat d’un sistema físic per produir treball, però també és allò que fa possible la vida dels éssers vivents.

A partir d’Einstein, sabem que la matèria i l’energia formen part de la mateixa realitat:

E = m · c2 L’energia se’ns presenta de formes diferents i no totes elles igualment aprofitables. La més bàsica i fonamental és la que consumim mitjançant les vies metabòliques de la fotosíntesi de plantes verdes i de l’alimentació, gràcies a la qual en nostre organisme viu. Però com no és suficient l’energia corporal per a modificar a la nostra conveniència el món en que vivim, fem ús de les formes externes d’energia, per això ens hem dotat de la tecnologia.

La importància de l’energia és cabdal, és qui ens permet fer coses i portar la vida a la que actualment estem acostumats.

PRINCIPI DE CONSERVACIÓ DE L’ENERGIA

L’energia no s’exhaureix ni es consumeix, només es transforma. Això podria fer pensar que la podem usar tantes vegades com sigui possible, però això no és cert.

A l’Univers hi ha dues formes de matèria/energia: la lliure o disponible i la no disponible, la suma de les quals és constant.

B. FORMES D’ENERGIA

Podem dir que existeixen 3 fonts diferents d’Energia:

1. Energia lliure rebuda del Sol (directament o per fotosíntesi, vent, salts d’aigua ...)

2. Energia lliure del sòl (aigua calenta, subterrània i activitat geològica)

3. Energia dels materials fòssils emmagatzemada a l’interior del planeta (carbó, petroli, gas)

Així, veiem que l’energia va lligada a l’estructura i les propietats. Parlem d’energia calorífica associada a la temperatura, energia química associada a la composició.

Les principals formes d’energia són:

Página 2 de 23

• Energia mecànica

• Energia química

• Energia calorífica

• Energia atòmica o nuclear

• Energia radiant o electromagnètica

IMPACTE AMBIENTAL

El consum actual d’aquestes energies crea un impacte ambiental, és per això que actualment es cerquen energies alternatives i les indústries s’adapten als problemes ambientals fent ús de tecnologies netes.

Les interaccions de l’ésser humà amb el medi en l’ecosistema del que en forma part, responen a 3 tipus de funcions:

• Font de recursos naturals

• Suport d’activitats

• Receptor d’efluents i residus

Qualsevol activitat humana, en base a aquestes funcions, exerceix sobre el medi una alteració que anomenem impacte ambiental.

El medi ambient sempre ha tingut mecanismes (autodepuració, efecte dispersant…) que han fet que sigui capaç d’enfrontar-se als problemes de contaminació, donant-se així un equilibri ecològic.

Però ara mateix la contaminació desestabilitza la situació d’equilibri fent moltes vegades que sigui irreversible degut a una alta concentració en el temps i en l’espai de certs contaminants i efectes.

Front a aquesta situació i preocupació la legislació ha anat augmentant fixant límits més restrictius i aconsellant les millors tècniques disponibles o tecnologies netes.

C. RECURSOS ENERGÈTICS.

CONSUM D’ENERGIA

El sistema energètic actual és intensiu en contaminació, sobreexplotació de recursos i centralització del poder.

La correcció d’aquests efectes suposaria beneficis externs que mai es tenen en compte a l’hora d’avaluar el veritable preu de l’energia que consumim.

Página 3 de 23

En canvi, una estructura energètica sostenible s’hauria de basar en un sistema intensiu de generació del treball, respecte mediambiental, descentralització de la generació energètica, aprofitant els recursos endògens i diversificats pel planeta.

La dependència d’una única font energètica té riscos econòmics. La diversificació i l’aprofitament racional dels recursos genera economies més estables, sòlides i menys dependents.

Anomenem energia primària a la que s’obté de les fonts d’origen sense sofrir cap transformació intermèdia.

ÚS ACTUAL DE L’ENERGIA

Les fonts d’energia primària: carbó, gas, petroli, nuclear i la resta, renovables o no s’usen per a l’obtenció de treball i calor.

A partir de les diferents fonts d’energia es pot obtenir electricitat, que és quasi sempre un pas intermedi per a la producció d’energia, transportar-la i distribuir-la.

Al voltant del 75 % de l’energia primària consumida a l’actualitat a nivell mundial ve de combustibles fòssils (gas natural (17%), carbó (25 %), petroli (36 %)). La restant ve de la hidroelèctrica, nuclear i també cal destacar com a noves alternatives: combustió de fusta o biomassa, combustió de residus sòlids urbans, geotèrmica, biogàs, eòlica, solar tèrmica i solar fotovoltaica…

Però l’actual sistema energètic es basa fonamentalment en el consum del carbó, petroli i gas natural.

D. SISTEMES I ENTORNS

Per a poder estudiar la transferència energètica necessitem enfocar la nostra atenció en una part limitada de l’univers, ben definida, per poder seguir els canvis que tenen lloc.

Així anomenem a la part objecte d’estudi sistema i el que l’envolta s’anomena entorn.

Si parem atenció en una reacció química a nivell de laboratori:

Reactius Productes

A + B C + D

Els reactius i els productes formarien part del sistema, mentre que el recipient en el qual transcorre la reacció i tota la resta seria l’entorn.

Considerant ara les possibles combinacions, podem definir 3 tipus de sistemes:

• OBERT: Aquest sistema pot intercanviar matèria i energia amb l’entorn. Exemple: un vas de precipitats que s’escalfa amb aigua líquida i es produeix aigua vapor:

Página 4 de 23

H2O (líquid) H2O (vapor)

Serien sistemes oberts: escalfador d’aigua domèstic, ja que entra aigua freda a l’escalfador i surt calenta, després d’haver rebut calor de, per exemple, la combustió per butà. També ho serien: un compressor, una turbina, una tobera, un motor d’automoció.

• TANCAT: Aquest sistema intercanvia energia però no matèria amb l’entorn. Exemple: Barreja de gasos hidrogen i oxigen confinats en un cilindre amb pistó mòbil, de manera que el sistema estaria format pels gasos i el cilindre i tot el que envolta (inclòs nosaltres) seria l’entorn.

H2(g) + O2(g) H2O(g) + energia

Si l’hidrogen i l’oxigen reaccionen per a formar aigua, s’allibera energia però el sistema no ha perdut o guanyat massa, no experimenta canvi de matèria amb l’entorn.

• AÏLLAT: No hi ha intercanvi d’energia ni intercanvi de matèria. És aquell que no interactua amb el seu entorn.

E. TRANSFERÈNCIA D’ENERGIA: TREBALL I CALOR

ENTORN - W - q

W + q

L’energia es transfereix entre sistemes i entorns en 2 formes generals:

• Treball: Energia utilitzada per a produir una acció o efecte (moure o aixecar un objecte). Així si apliquem treball sobre un sistema li estem transferint energia.

• Calor: Energia transferida d’un objecte més calent a un més fred. La podríem definir com l’energia transferida entre sistema i entorn degut a la diferència entre les seves temperatures.

F. PRIMERA LLEI DE LA TERMODINÀMICA

Hem vist que l’energia pot convertir-se d’una forma a una altra i d’un lloc a un altre.

“L’energia ni es crea ni es destrueix”, aquesta frase enuncia la primera llei de la termodinàmica, i és un resum al fet que l’energia es conserva.

D’aquesta manera qualsevol energia perduda pel sistema serà guanyada per l’entorn. Anem a definir doncs, l’energia d’un sistema.

SISTEMA

Página 5 de 23

ENERGIA INTERNA (U)

A l’energia d’un sistema l’anomenen energia interna. L’energia interna és la suma de totes les energies cinètica i potencial d’un sistema. Es representa amb la lletra U.

-Moviments de les molècules a l’espai

Energia interna (U) -Rotacions

-Vibracions internes

-Energia del nucli dels àtoms i dels electrons components

Així com parlem de transferència d’energia, parlem d’increment d’energia, ∆U.

Si l’estat d’energia inicial és major que l’estat d’energia final, diem que el sistema allibera energia cap a l’entorn.

Ef < Ei ; ∆U < 0

Si l’estat d’energia inicial és menor que l’estat d’energia final, diem que el sistema guanya o rep energia des de l’entorn cap al sistema.

Ef > Ei ; ∆U > 0

Si ens centrem en una reacció química com a sistema, l’estat inicial són els reactius i l’estat final són els productes.

RELACIÓ ENTRE ∆U, Q, W

L’energia interna d’un sistema canvia quan s’agrega o s’extreu calor, o quan realitzem un treball sobre el sistema o quan aquest realitza treball.

Si augmenta l’energia : ∆U > 0

Si disminueix l’energia: ∆U < 0

El signe ve donat pel calor cedit o alliberat del sistema q o pel treball fet per o sobre el sistema W.

q > 0

W > 0

SISTEMA

∆U > 0

∆U = q + W

Página 6 de 23

CONVENI DE SIGNES

q + Guanya calor - Perd calor

W + Treball realitzat sobre el sistema - Treball fet pel sistema

∆U + Guany net Energia - Pèrdua neta Energia

Taula 1

PROCESSOS ENDOTÈRMICS I EXOTÈRMICS

Quan es porta a terme un procés on el sistema absorbeix calor, el procés és coneix com endotèrmic. Durant un procés endotèrmic, com la fusió del gel, el calor flueix cap a dintre del sistema des del seu entorn. Si nosaltres, com a part de l’entorn, toquem el recipient on s’està fonent el gel, sentim fred perquè el calor ha passat de les nostres mans cap al recipient.

Un procés on el sistema perd calor, es coneix com exotèrmic. Durant un procés exotèrmic, com la combustió de la benzina, la calor surt o flueix cap a fora del sistema, és a dir, cap a l’entorn.

G. ENTALPIA

El treball involucrat en l’expansió i compressió de gasos es coneix com treball pressió-volum (o treball P-V). Quan la pressió és constant, el signe de la magnitud de treball pressió-volum ve donat per:

W = - P * ∆V

P és la pressió i ∆V és el canvi de volum del sistema (∆V = Vfinal – Vinicial)

Tenint en compte el conveni de signes de la taula 1, quan el volum s’expandeix, ∆V és una quantitat positiva, i W és una quantitat negativa. És a dir, l’energia abandona el sistema en forma de treball, indicant que es tracta de treball realitzat pel sistema sobre l’entorn. Per altra part, quan es comprimeix un gas, ∆V és una quantitat negativa (el volum disminueix), fent que W sigui una quantitat positiva. És a dir, l’energia entra al sistema en forma de treball, indicant que l’entorn ha realitzat un treball sobre el sistema.

La funció termodinàmica anomenada entalpia explica el flux de calor en els processos que ocorren a pressió constant, quan no es realitza un altre tipus de treball més que P-V. L’entalpia, representada pel símbol H, és igual a l’energia interna més el producte de la pressió i el volum del sistema:

H = U + P*V

Página 7 de 23

L’entalpia és una funció d’estat, ja que l’energia interna, la pressió i el volum també ho són.

Quan ocorre un canvi a pressió constant, el canvi d’entalpia, ∆H, està donat per la següent relació:

∆H = ∆ (U + P*V) = ∆U + P*∆V ( pressió constant)

És a dir, el canvi d’entalpia és igual al canvi d’energia interna més el producte de la pressió pel canvi de volum.

Podem entendre millor el canvi d’entalpia, ja que si recordem ∆U = q + W i que el treball involucrat en l’expansió o compressió de gasos és W = - P * ∆V, si en l’equació substituïm –W per P*∆V i q + W per ∆U, tenim:

∆H =∆U + P*∆V =(q +W) – W = q

Així el canvi d’entalpia és igual a la calor guanyada o perduda a pressió constant. Com q és pot mesurar o calcular fàcilment, i com molts del canvis físics ocorren a pressió constant, l’entalpia és una funció més útil que la energia interna. En la majoria de les reaccions, la diferencia entre ∆H i ∆U és petita, perquè P*∆V és petit.

Quan ∆H és positiu (és a dir, quan q és positiu) el sistema ha guanyat calor, així és endotèrmic.

Quan ∆H és negatiu (és a dir, quan q és negatiu) el sistema ha perdut calor, així és exotèrmic,

Entorn

∆H > 0

Entorn

∆H < 0

H. ENERGIA TÈRMICA. CALOR I TEMPERATURA

Quan es posen dos cossos en contacte, el cos que és més calent cedeix energia al que és més fred. El cos que és més calent diem que és a més temperatura.

La temperatura és una propietat dels cossos, que decideix en quina direcció té lloc la transferència d’energia tèrmica. En aquest sentit diem que és una mesura del nivell tèrmic d’un cos.

L’energia que té un cos en funció de la seva temperatura s’anomena energia tèrmica. L’energia tèrmica que es transfereix quan es posen en contacte dos cossos a diferent temperatura s’anomena calor.

Sistema Calor Sistema Calor

Página 8 de 23

L’energia és una cosa que posseeixen els cossos, mentre que la calor és una cosa que es transfereix. És a dir, reservem el nom de calor per designar l’energia tèrmica quan està sent transferida d’un cos a un altre.

MESURA DE LA TEMPERATURA

Per poder mesurar la temperatura dels cossos ens cal una escala de temperatures. Una escala de temperatura és una sèrie de nombres utilitzats per indicar el nivell tèrmic d’un cos.

Al llarg de la història s’han fet servir diverses escales de temperatura. La més utilitzada ha estat l’escala Celsius, coneguda popularment com escala centígrada. Els instruments de mesura de la temperatura s’anomenen termòmetres. Al laboratori la temperatura és normalment mesurada mitjançant termòmetres de vidre plens de líquid. El bulb conté mercuri o alcohol acolorit que es dilata quan la temperatura augmenta, i en conseqüència puja pel tub capil·lar. Aquest tub porta adossada una escala graduada.

Els nombres de l’escala no tindrien cap utilitat si no s’arribés a un acord sobre el nivell tèrmic que cada un representa. Així, cal prendre dues temperatures de referència o punts fixos, en relació amb els quals qualsevol temperatura pot ser comparada.

A l’escala Celsius aquests punts fixos són:

• La temperatura de fusió del gel pur, a la qual se li assigna el valor de 0 graus Celsius (0 ºC).

• La temperatura d’ebullició de l’aigua pura, quan bull sota una pressió atmosfèrica de 760 mm Hg, a la qual s’assigna el valor de 100 graus Celsius (100 ºC).

Una vegada s’han fixat els punts 0 ºC i 100 ºC en el termòmetre, la resta de l’escala s’obté dividint l’espai entre aquests punts en 100 divisions iguals o graus; d’aquí el nom de graus centígrads. Amb la mateixa altura de grau es pot estendre l’escala per sota de 0 ºC i per sobre de 100 ºC.

TEMPERATURA I ENERGIA CINÈTICA

Les molècules de qualsevol cos són en moviment continu. Com més calent és un objecte, més gran és l’energia cinètica de les partícules que el constitueixen, és a dir, més ràpidament es mouen.

En posar en contacte un cos calent amb un altre de fred, les molècules del cos calent , en xocar amb les del cos fred, perden energia cinètica, mentre que les del cos fred augmenten la seva energia cinètica. La transferència de calories finalitza quan les molècules de tots dos cossos tenen la mateixa energia cinètica en terme mitjà. Diem aleshores que els cossos tenen la mateixa temperatura.

Página 9 de 23

Per tant, la temperatura és una mesura de l’energia cinètica mitjana de les molècules d’un cos. Un objecte és a major temperatura que una altre si l’energia cinètica mitjana de les seves molècules és més gran.

És important no confondre la temperatura d’un cos amb l’energia tèrmica total que té aquest cos. L’aigua bullent que cap en una cullera és a la mateixa temperatura que l’aigua bullent continguda en una olla, però l’energia que podem obtenir de l’aigua bullent de l’olla és més gran que la de la cullera.

EL ZERO ABSOLUT DE TEMPERATURA I L’ESCALA KELVIN DE TEMPERATURA

Com més baixa és la temperatura d’un cos, més baixa és l’energia cinètica que posseeixen les seves molècules i més lentament es mouen. Podem esperar que existeixi una temperatura tan baixa que ja no es produeixi moviment molecular. Aquesta temperatura existeix i correspon aproximadament a -273 ºC. Aquesta temperatura s’anomena zero absolut, perquè cap cos no pot assolir una temperatura més baixa que aquesta.

Una escala que tingui per origen el zero absolut s’anomena escala de temperatura absoluta, la més utilitzada és l’escala Kelvin. La unitat de temperatura d’aquesta escala s’anomena kelvin (K), i és la unitat del Sistema Internacional.

Cada kelvin de l’escala té la mateixa altura que el grau Celsius (ºC), de manera que la conversió d’una escala a l’altra és molt fàcil (només cal afegir 273 graus a la temperatura

Celsius).

A 0 K totes les substàncies són sòlides, i les partícules que les constitueixen no presenten cap moviment; per tant, la seva energia tèrmica és nul·la; tan mateix, això no vol dir que no tinguin energia: l’existència de forces d’atracció entre els àtoms que formen les molècules, o entre les partícules subatòmiques que formen els àtoms, implica que tenen una energia potencial.

LA CAPACITAT CALORÍFICA

Alguns cossos són més difícils d’escalfar que altres, és a dir, necessiten absorbir més energia que altres per augmentar la seva temperatura un determinat valor.

Página 10 de 23

L’energia tèrmica per produir un augment determinat en la temperatura d’un cos depèn de tres factors:

• La massa de la substància. Cal més energia per escalfar l’aigua continguda en un got que l’aigua continguda en una cullera. Com més gran és la massa, més gran és el nombre de molècules que han d’augmentar de velocitat, i, per tant, més gran és l’energia que s’ha de proporcionar.

• El tipus de substància. Per augmentar un determinat valor la temperatura d’1 kg d’aigua cal gairebé dues vegades més energia que per a 1 kg d’alcohol.

• L’increment de temperatura. Per a un material determinat, aconseguir un augment de la temperatura de 10 ºC, requereix sempre deu vegades més energia que per un increment d’1 ºC.

Els cossos que són capaços d’absorbir més energia que altres sense que la seva temperatura augmenti molt, diem que tenen una capacitat més gran per emmagatzemar energia tèrmica.

D’aquesta capacitat o propietat dels cossos se’n diu capacitat calorífica, i la mesurem mitjançant la relació:

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑎𝑡 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑎 =Energia tèrmica absorbida pel cos

Increment de temperatura

Exemple 1: Per elevar la temperatura de 2 kg d’aigua 10 ºC, es necessiten 83.600 J

d’energia tèrmica. La capacitat calorífica d’aquesta quantitat d’aigua és:

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑎𝑡 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑎 =83600 J

10 ºC= 8360 J/ºC

És a dir, calen 8.360 J d’energia per augmentar 1 ºC (1 K) la temperatura de 2 kg d’aigua.

Amb tot, aquesta capacitat calorífica depèn de la massa de la substància que considerem.

Per disposar d’una propietat característica de la substància, hem de dividir la capacitat calorífica per la massa, i d’aquesta manera obtindrem la que s’anomena capacitat calorífica específica (c).

En el cas de l’aigua, c = ( 8.360 J/ºC) / 2 kg = 4.180 J/(ºC kg)

Així doncs, la capacitat calorífica específica ( c ) d’una substància és numèricament igual a l’energia tèrmica necessària per produir un augment d’1 ºC (1 K) en la massa d’1 kg d’aquesta substància.

Calors específiques d’algunes substàncies:

Página 11 de 23

L’aigua té una capacitat calorífica extraordinàriament alta, el que fa que sigui una substància útil per transportar i emmagatzemar energia tèrmica, i també com a refrigerant.

Si coneixem la massa d’una substància i la seva capacitat calorífica específica, es pot calcular l’energia tèrmica necessària per produir un augment determinat de temperatura.

Si reordenem l’equació de la capacitat calorífica específica,

Energia tèrmica transferida = massa x capacitat calorífica específica x increment de temperatura

és a dir,

q = m c (T2 – T1 )

on q és la calor o energia tèrmica transferida a la substància.

La mateixa equació es pot emprar per calcular l’energia tèrmica que una substància cedeix a una altra quan la seva temperatura disminueix.

Exemple 2. Quanta energia tèrmica es necessita per elevar la temperatura de 5,0 kg d’alumini des de 20 ºC fins a 30 ºC? La capacitat calorífica de l’alumini és 900 J/(kg ºC)

Q = m c (T2 – T1) = 5,0 x 900 x (30-20) J = 45.000 J

Una altra unitat utilitzada per expressar el calor són les calories. L’equivalència entre calories i joules:

1 cal = 4,18 J

La capacitat calorífica de l’aigua la podem expressar com:

1 cal/(g ºC) o 1.000 cal/(kg ºC) o 4,18 J/(g ºC) o 4.180 J/(kg ºC)

Página 12 de 23

I. LA MATÈRIA I ELS SEUS CANVIS D’ESTAT

CANVIS D’ESTAT

No sempre que escalfem un sòlid o un líquid augmenta la seva temperatura. Pot succeir que el sòlid es fongui, o que el líquid es vaporitzi, és a dir, que es produeixi un canvi d’estat. En tal cas, la temperatura es manté constant.

L’energia tèrmica absorbida durant el procés de fusió s’anomena calor latent de fusió, o simplement calor de fusió. “Latent” vol dir “ocult”; l’aigua obtinguda en la fusió del gel té més energia que el gel; tanmateix, aquest augment d’energia no és gens ni mica evident, ja que la temperatura no ha augmentat.

El pas de sòlid a líquid significa, a nivell molecular, que les molècules, vencent les forces d’atracció entre elles, se separen prou per poder canviar de posició, i d’aquesta manera adquirir l’estructura d’un líquid. Augmentar la seva separació significa augmentar la seva energia potencial. Per tant, tota l’energia tèrmica absorbida durant la fusió s’empra per separar les molècules i augmentar la seva energia potencial, sense que hi hagi cap canvi en la seva energia cinètica mitjana. Per aquesta raó, la temperatura es manté constant.

També cal energia tèrmica per produir el canvi de líquid a gas. Però els líquids tenen la tendència a passar a gas, encara que no els escalfem; extreuen l’energia necessària dels voltants (evaporació).

L’energia tèrmica necessària per convertir una massa determinada de líquid en gas s’anomena calor latent de vaporització, o simplement calor de vaporització. Aquesta energia és l’energia necessària per vèncer les forces d’atracció entre les molècules del líquid i separar-les fins a distàncies en què les forces són pràcticament nul·les. La calor de vaporització es fa servir, doncs, a augmentar l’energia potencial de les molècules.

LA DILATACIÓ

Tant els sòlids com els líquids i els gasos augmenten el seu volum en augmentar la seva temperatura, si bé ho fan amb diferent extensió. D’aquest fenomen se’n diu dilatació tèrmica, i la seva existència es deguda a l’augment de separació entre les partícules motivada per l’augment d’amplitud dels seus moviments. Té importants conseqüències a la natura, condiciona l’ús que fem dels materials i dóna lloc a nombroses aplicacions.

• La dilatació dels sòlids

En escalfar un sòlid, les seves partícules vibren amb més energia, i l’amplitud de la seva vibració es fa més gran. En conseqüència, el sòlid s’expandeix lleugerament en totes direccions. Quan el refredem, s’esdevé justament el contrari.

Página 13 de 23

Els sòlids es dilaten poc quan són escalfats, però la força produïda durant l’expansió pot ser prou gran per ocasionar el trencament d’una biga de formigó o doblegar una barra d’acer. Per això, en els ponts es deixa un espai per l’expansió.

Quan un sòlid es dilata ho fa en totes direccions. Tanmateix quan la forma del sòlid es allargada, la dilatació lineal és la més important.

L’allargament d’una barra sòlida per a un determinat augment de la temperatura és directament proporcional a la seva longitud i l’augment relatiu de longitud és proporcional a l’augment de temperatura.

Aplicacions:

Les barretes d’acer poden ser incloses en les bigues de formigó per reforçar-les ja que tenen el mateix coeficient de dilatació; si la dilatació, en augmentar la temperatura, fos diferent, l’acer podria trencar el formigó.

El vidre pyrex s’utilitza per construir recipients destinats a contenir líquids calents, a causa del seu coeficient de dilatació més baix que el vidre normal. Si tirem aigua bullent en un got de vidre normal, la part interior s’escalfa abans que l’exterior, i en conseqüència es dilata més, creant-se una tensió que pot trencar el got. Si el got és de pyrex, és menys probable que es trenqui a causa de la seva menor dilatació.

Una làmina bimetàl·lica consisteix en dues lamines de metalls diferents unides al llarg de tota la seva longitud. Pot ser de llautó (aliatge de coure i zinc) i d’invar (un aliatge d’acer i níquel); la làmina de llautó es dilata aproximadament 20 vegades més que la làmina d’invar. Quan augmenta la temperatura, la major dilatació de la làmina de llautó fa que la làmina bimetàl·lica es doblegui, deixant d’invar a la part interior. En canvi, quan disminueix la temperatura, és la lamina de llautó la que es contreu més, i la làmina bimetàl·lica es doblega deixant el llautó a l’interior.

La làmina bimetàl·lica té moltes aplicacions. S’utilitza, entre altres coses, com a termòmetre i com a termòstat. Els termòmetres bimetàl·lics consisteixen en una làmina bimetàl·lica en forma d’espiral. Un extrem de l’espiral s’uneix a una agulla que es pot moure sobre una escala graduada en °C; l’altre extrem és fix. Quan la temperatura augmenta, l’espiral bimetàl·lica s’enrotlla encara més sobre si mateixa, i l’agulla es mou sobre l’escala. Els termòmetres bimetàl·lics no són tan exactes com els altres tipus de termòmetre, però són més robustos i més fàcils de llegir.

Els termòstats són dispositius que controlen la

Página 14 de 23

temperatura. S’utilitzen en els escalfadors d’immersió, en els forns, en els refrigeradors i en les estufes. N’hi ha de diferents tipus, però els formats per una làmina bimetàl·lica són els més comuns.

En el termòstat que controla una estufa elèctrica, quan la temperatura de l’habitació puja, la làmina bimetàl·lica es doblega més, i els contactes elèctrics queden separats, la qual cosa significa que l’estufa es desconnecta. Quan la temperatura de l’habitació baixa, la làmina bimetàl·lica disminueix la seva curvatura, s’estableix de nou el contacte elèctric i l’estufa torna a funcionar.

• La dilatació dels líquids

Igual que els sòlids, els líquids es dilaten quan són escalfats, si bé hi ha excepcions. En el cas dels líquids és l’augment de volum el que s’ha de considerar; és impossible mesurar una dilatació lineal, ja que els líquids no tenen una forma fixa.

En general, els líquids es dilaten més que els sòlids. El mercuri, per exemple, es dilata aproximadament cinc vegades més que l’acer.

La dilatació dels líquids és el fonament dels termòmetres, tant dels de mercuri com dels d’alcohol. Sempre que un líquid s’emmagatzema en un recipient tancat, s’ha de deixar un espai lliure en previsió de la dilatació que es pugui produir. Els circuits tancats per a l’aigua del radiador dels cotxes tenen una cambra d’expansió.

A diferència de la majoria dels líquids, l’aigua no sempre es dilata quan s’escalfa, ni es contreu quan es refreda. Aquest comportament anòmal de l’aigua té lloc entre els 0 ºC i els 4 ºC. Quan l’aigua a 0 ºC, s’escalfa, el seu volum disminueix lleugerament fins als 4 ºC. A partir dels 4 ºC, l’aigua va augmentant de volum a mesura que la temperatura augmenta. Així doncs, als 4 ºC el volum es mínim, per tant, la densitat és màxima.

L’anòmala contracció de l’aigua té com a conseqüència que l’aigua del fons d’un estany gelat es pot trobar a 4 ºC, mentre que la superfície és gelada.

• Dilatació dels gasos

S’ha de considerar com varia la pressió, a més del volum, en variar la temperatura. La pressió, el volum i la temperatura d’una determinada massa de gas estan relacionats, de manera que la variació en un d’aquests factors sempre produeix una variació almenys en un dels altres.

Relació entre la pressió i la temperatura d’un gas (mantenint el volum constant).

En augmentar la temperatura, augmenta la velocitat de les molècules del gas, per tant, quan xoquen produeixen una força més gran i xoquen més vegades sobre la superfície en el mateix interval de temps. Com a resultat de tots dos factors la pressió augmenta.

Página 15 de 23

La pressió d’una massa fixa de gas és directament proporcional a la temperatura absoluta, sempre que el volum del gas es mantingui constant.

p / T = constant (V constant)

Relació entre el volum i la temperatura (mantenint la pressió constant)

Si el gas es troba tancat en un recipient de parets elàstiques o bé una de les seves parets és mòbil, en augmentar la temperatura el que passarà és que la paret elàstica o mòbil es desplaçarà com a conseqüència dels impactes més forts de les molècules, i per consegüent el volum augmentarà.

El volum d’una massa fixa de gas és directament proporcional a la temperatura absoluta, sempre que la pressió del gas es mantingui constant.

V / T = constant ( p constant) Llei de Charles i Gay-Lussac

Hi ha altres lleis que ens poden ajudar a interpretar el comportament dels gasos. Aquestes lleis són:

Relació entre la pressió i el volum (mantenint la temperatura constant)

Aquesta relació es coneix com la Llei de Boyle-Mariotte, i diu: si la temperatura d’un gas es manté constant, la pressió exercida pel gas varia inversament amb el volum.

p·V = constant (T constant)

Llei d’Avogadro.

Volums iguals de gasos diferents, en les mateixes condicions de pressió i temperatura, contindran el mateix nombre de partícules (molècules o àtoms), n.

Com a conseqüència d’aquesta llei, en condicions normals (273 K i 1 atm), un mol de qualsevol gas ocupa 22,4 litres.

Equació d’estat dels gasos ideals.

Es tracta d’una llei general per als gasos ideals, però que es compleix amb força exactitud a baixes pressions en els gasos reals.

pV=nRT

p: pressió; V: volum; n: número de mols; T:temperatura (K); R: constant dels gasos ideals, 8,314 J/mol·K, en SI, o 0,082 atm·l/mol·K

Llei de Dalton.

La pressió total és la suma de les pressions parcials dels components individuals d’una mescla gasosa.

pt = ∑pi

Página 16 de 23

1.2 COMBUSTIÓ

A. INTRODUCCIÓ

La principal font de calor a la indústria és la combustió de gas natural, petroli o productes derivats d’aquests. Aquestes fonts, junt amb el carbó, constitueixen el 85 % de les fonts energètiques a Europa. Altres fonts d’energia són la solar (d’ús creixent en les aplicacions per aigua sanitària), les d’origen eòlic, les de biomassa i el biogàs.

La combustió és una reacció química que consisteix en la combinació de la substància combustible amb l’oxigen (que pot ser pur o be formant part de l’aire) amb producció de calor i formació d’una massa de gasos incandescents, que és la flama.

Combustible + x O2 → y CO2 + z H2O + Q

L’agent portador d’oxigen rep el nom de comburent. L’aire és el comburent més habitual.

La reacció es produeix de forma controlada en uns dispositius anomenats cremadors que es dissenyen per una amplia gama de potències i per la combustió d’un combustible determinat.

Aquesta forma de disposar d’energia pot ser molt eficient, i va en funció del tipus d’aparell usat on es realitza la combustió: forns, calderes, càmeres de combustió, però tot i ser molt eficient no està exempta de problemes, ja que com a resultat de la combustió es poden produir substàncies nocives i contaminants, que s’han d’eliminar o minimitzar-ne les concentracions per a que no siguin perjudicials.

El procés de combustió dóna lloc als gasos de combustió què, en el cas ideal d’emprar aire pur i una combustió perfecta són CO2 (efecte hivernacle) i H2O(vapor).

Generalment també trobem en els gasos de combustió el nitrogen que acompanya a l’oxigen de l’aire, més oxigen, ja que per assegurar una combustió completa s’utilitza aire en excés.

El nitrogen absorbeix calor de la combustió per escalfar-se a la temperatura de combustió, restant eficàcia al procés. Aquesta eficàcia es pot augmentar de forma significativa amb l’ús de sistemes de recuperació de calor (economitzadors o recuperadors) que pre-escalfen l’aire fins a una temperatura propera a la dels fums, estalviant així combustible.

Si la combustió es incomplerta, es genera monòxid de carboni (CO) en lloc de CO2. El CO a altes concentracions té un aspecte de fum negre, i és combustible. Així, per exemple, en un incendi, quan el foc es troba localitzat en una habitació, es recomanable tancar portes i finestres per extingir el foc per falta d’oxigen; en aquest cas la falta

Página 17 de 23

d’oxigen fa que es generi molt CO de manera que no convé obrir portes i finestres perquè al fer-ho tot el CO calent contingut es combinaria ràpidament amb l’oxigen de l’aire i pot arribar a produir una deflagració o inclús una explosió.

En primer lloc parlarem de les propietats dels combustibles, principalment líquids i gasosos que han substituït al carbó (combustible sòlid).

B. CLASSIFICACIÓ DELS COMBUSTIBLES

Segons l’estat: • Sòlids. Els carbons (antracita, hulles, lignit, turba), el coc, la fusta • Líquids. Els principals combustibles líquids deriven del petroli. El petroli és una

mescla complexa d’hidrocarburs amb un ampli interval de pesos moleculars. Els més emprats són el gasoil industrial (tipus C, ja que els tipus A i B són per automoció) i el fueloil. El gasoil té un interval d’ebullició comprés entre els 250 ºC i els 350 ºC, es recomana com a combustible en calderes i cremadors per la seva baixa viscositat, alt poder calorífic i baix contingut de cendres. El fueloil té un interval d’ebullició entre 350 i 500 ºC i a diferència del gasoil s’ha de pre-escalfar perquè la seva viscositat sigui l’adequada i es pugui alimentar el cremador.

• Gasosos Els més emprats són el gas natural i el propà. En l’àmbit industrial el primer és el més emprat. El gas natural està format per hidrocarburs amb punt d’ebullició molt baix. El gas natural conegut com “amarg” conté H2S, i el “dolç” no conté “H2S”.

Segons el seu estat natural: • Combustibles naturals: es troben a la natura i abans del seu ús només s’hi

efectuen tractaments mecànics o físics: Carbó (mòlta, rentat, assecat), Petroli (destil·lació), Gas natural (depuració), Fusta.

• Combustibles manufacturats: Obtinguts mitjançant tractament químic dels anteriors: Gas de gasogen, coc, carbó vegetal …

Segons origen: • Combustible fòssil: prové de restes orgàniques vegetals i animals i s’extrau de la

natura. Combustibles fòssils són el carbó, el petroli i es gas natural. El petroli és combustible, però no s’usa directament com un combustible, sinó que és matèria primera per a l’obtenció de combustibles, com els GLP (gasos liquats procedents del petroli).

• Combustibles no fòssils: Han de fabricar-se en factories, és el gas de l’alcohol, el gas manufacturat o l’hidrogen.

Página 18 de 23

C. PROPIETATS

Les propietats més característiques d’un combustible són: • La composició • El poder calorífic • La viscositat • Límits d’inflamabilitat • El punt d’inflamabilitat • La temperatura de combustió • La densitat • El contingut en sofre • Alguns paràmetres relacionats amb el balanç de masses de la combustió

estequiomètrica: Relació aire-combustible, relació fums-combustible • Índex de Bacharach dels fums • Índex de Wobbe

C.1. Composició

La composició d’un combustible és essencial per a poder determinar els paràmetres característics estequiomètrics de la reacció de combustió: a més, la composició diu si és apte en funció de la presència de determinats components que puguin tenir importància en la contaminació.

La forma habitual d’indicar la composició d’un gas es fa amb percentatge de volum de cadascun dels components , en condicions normals. L’expressió en tant per un equival a la fracció molar. Els components més habituals d’un combustible gasos són hidrocarburs CnHm, CO2, CO, H2, O2, N2, SO2, SH2, H2O.

Si es tracta d’un combustible líquid o sòlid, la forma més habitual d’indicar la composició consisteix en donar la quantitat de carboni, hidrogen, sofre, nitrogen, oxigen, aigua i cendres, en massa referida a 1 Kg de combustible.

C.2. Poder calorífic

El poder calorífic d’un combustible és la quantitat d’energia despresa en la reacció de combustió, referida a una unitat de combustible (kg, kmol, Nm3). Hi ha diverses definicions especifiques depenent de si el vapor d’aigua present en els fums queda finalment en estat líquid.

PCS: Poder Calorífic Superior. Quantitat de calor que es desprèn en la reacció de combustió completa de la unitat de combustible dessecat, amb l’aigua dels fums en forma líquida a 0 ºC i 1 atm. (PCS)h: definició igual que l’anterior amb la unitat de combustible sense dessecar.

Página 19 de 23

PCI: Poder Calorífic Inferior. És la quantitat de calor que es desprèn en la reacció de combustió completa d’un combustible dessecat, amb l’aigua dels fums en estat vapor. (PCI)h: definició igual a l’anterior amb la unitat de combustible sense dessecar.

Per a determinar el poder calorífic s’utilitzen diferents expressions, que donen el valor

amb suficient aproximació. El seu valor es dona en kJ/Nm3 combustible dessecat.

C.3. Viscositat

La viscositat té gran importància en els combustibles líquids a efectes d’emmagatzematge i transport. La determinació és experimental i els valors típics es troben tabulats per als diferents combustibles industrials líquids. Existeix legislació específica sobre els valors de viscositat màxima cinemàtica en mm2/s permesos per a combustibles industrials líquids.

C.4. Densitat

La densitat relativa té molta importància pel fet que determina si el gas s’acumula en el sostre o en el sòl, en cas d’una fuga en un local tancat.

Página 20 de 23

Per als combustibles líquids, només de forma aproximada, es pot emprar l’expressió empírica:

ϼ= 250 + 9,13 mC/mH (en kg/m3 a 15 º C)

on mC i mH són les masses respectives de carboni i hidrogen.

C.5. Propietats relatives a la inflamació

LÍMITS D’INFLAMABILITAT

Aquesta propietat fa referència als combustibles gasosos; estableix la proporció de gas i aire necessària per a que es produeixi la combustió, mitjançant un límit superior i un inferior.

Es denominen, llavors, “límits d’inflamabilitat” a les composicions volumètriques en % de gas a l’aire entre les que, a pressió i temperatura ambient, la mescla és inflamable en unes condiciones d’assaig determinades i amb la substància pura. Amb percentatges per sota del “límit inferior d’inflamabilitat” o superiors al “límit superior d’inflamabilitat” no és possible mantenir la combustió. Es defineix així l’anomenat “domini/interval d’inflamabilitat” com l’interval de composicions compreses entre ambdós límits, i on per tant sí es inflamable. Per a determinar-se els límits d’inflamabilitat d’una barreja de gasos, es pot emprar l’equació de Le Chatelier-Coward.

Els gasos més fàcilment inflamables són l’hidrogen i l’acetilè.

S’ha de tenir en compte que els límits depenen de multitud de paràmetres, com per exemple l’energia de la font d’ignició, el contingut d’humitat, la presència de gasos combustibles o pols combustibles en suspensió (anomenades mescles híbrides i que normalment presenten una explosivitat més acusada que els límits de les substàncies pures independentment).

PUNT D’INFLAMACIÓ I TEMPERATURA DE COMBUSTIÓ

Es coneix com a punt de flama la temperatura a la que el combustible produeix suficient quantitat de vapors per a que la mescla d’aquests amb l’aire sigui capaç d’inflamar-se al contacte amb una flama pilot. La combustió que se produeix és efímera i desapareix quan es retira la flama pilot

Si la combustió es dóna de forma espontània, sense flama pilot, tenim el punt d’inflamació. Per a que es doni la reacció de combustió, la barreja de combustible i comburent deu assolir una temperatura mínima necessària, que rep el nom de punt d’inflamació. Una vegada iniciada la combustió, el calor romandrà la temperatura per

Página 21 de 23

damunt de la d’inflamació, i la reacció continuarà fins a esgotar-se el combustible o el comburent.

No es pot emmagatzemar un producte a una temperatura superior al seu punt d’inflamació, essent els valors més usuals per als combustibles industrials, 65 – 70 ºC.

També és important la temperatura de combustió o de flama màxima que s’assoleix a la combustió. A la bibliografia específica aquests valors es troben tabulats:

Exemple: BUTÀ

Temperatura d’Inflamació Temperatura de combustió en aire 420 ºC 1960 ºC en oxigen 280 ºC 2790 ºC

C.6. Contingut en sofre

El contingut de sofre que poden tenir els combustibles és important, ja que determina la quantitat de SO2 que apareixerà als fums com a resultat de la combustió. El SO2 s’oxida lentament a SO3. Aquest òxid és el responsable de les anomenades pluges àcides.

La presència de diòxid de sofre comporta que la temperatura dels gasos de combustió no pugui baixar de 170 ºC, ja que per sota d’aquesta temperatura pot condensar, sent molt corrosiu.

Una forma d’evitar la formació del triòxid de sofre és controlar l’excés d’aire, així s’estableix el mínim excés d’aire.

C.7. Índex de Bacharach dels fums

Si la combustió es fa amb menys aire del que és necessari, es produeixen “incremats”, entre ells sutge. Aquest està constituït per partícules sòlides de carboni que es dipositen sobre les superfícies per les quals circulen els gasos de la combustió. Això provoca inconvenients, com la disminució del coeficient de transmissió global de calor. Els fums cedeixen menys entalpia i el rendiment de la combustió disminueix.

A l’augmentar la quantitat de partícules sòlides, la opacitat dels fums augmenta; per a determinar aquesta opacitat, s’ha establert l’índex de Bacharach: es basa en l’enfosquiment d’un paper de filtre al pas de través seu d’una corrent de gasos de combustió, extreta mitjançant una bomba manual, i en la comparació del color d’aquest filtre amb una escala d’intensitats de color que varia des del 0, que és blanc fins al 9 que és negre. Fonamentalment, s’empra des del punt de vista de la contaminació atmosfèrica.

C.8. Índex de Wobbe i potencial de combustió

Página 22 de 23

La reacció de combustió d’un gas combustible es fa en un dispositiu anomenat cremador que gradua convenientment el cabal de gas i d’aire, per a una combustió correcta.

De vegades és convenient plantejar-se la necessitat d’usar un gas diferent al que s’havia usat en el cremador; aquesta operació d’intercanvi no sempre és possible, si no s’ajusten alguns elements del cremador. Per a determinar si és possible intercanviar un gas per un altre, s’usen uns índex empírics: Índex de Wobbe i Potencial de combustió.

El possible intercanvi generalment es planteja en barreges de butà i propà amb aire, per a substituir gasos de la primera i segona família, per tant aquests índexs s’aplicaran als gasos de la primera i segona família, així com a les barreges d’aire butanat i propanat.

CLASSIFICACIÓ DELS GASOS COMBUSTIBLES

En funció del valor de W (Wobbe), els gasos es classifiquen en tres famílies (a la taula de la pàgina següent a més es recullen les principals característiques).

Família

Nom

de

l G

as

Com

pone

nt

prin

cipa

l

Obs

erva

ció

Den

sita

t

PCS

en

volu

m

kWh/

m3

PCS

en

mas

sa

kWh/

kg

Índe

x de

W

obbe

M

J/m

3 (n)

Lím

its

d’in

flam

abili

tat

Odo

ritz

ant

1ra. Família

Gas manufacturat

Metà+H2+CO

Tòxic, en desús

< 1 5,23 ------- 19,13 a 27,64

6 a 45

2da. Família

Gas Natural

Metà No tòxic <1 12,2 ------- 39,1 a 54,7

5 a 15 Tetrahidro tiofè

Inodor

Incolor

3ra. Família

GLP Propà No tòxic >1 27,29 14,0 72,9 a 87,3

2,4 a 9,5 Mercaptà

Inodor

Incolor

Butà No tòxic 1 36,0 13,95

1,8 a 8,4 Mercaptà

Inodor

Incolor

La primera família inclou els gasos manufacturats, gas de coqueria i mescles hidrocarburs-aire (aire propanat i aire metanat) de baix poder calorífic (entre 4,65 i 5,5 kWh/m3(n). Actualment està en desús.

La segona família inclou els gasos naturals, gas natural sintètic i les mescles hidrocarbur-aire (aire propanat) d’alt poder calorífic (entre 9,3 i 14 kWh/m3(n)).

Página 23 de 23

La tercera família inclou els gasos liquats del petroli (GLP): propà i butà, amb PCS entre 27,9 i 36 kWh/m3(n).

Les pressions d’ús normal en els artefactes segons les famílies del gas són les següents: − 1ª Família: de 6 a 12 mbar. − 2ª Família: de 17 a 22 mbar. − 3ª Família: Butà (20-28 mbar); Propà (25-37 mbar); Butà/Propà (25-37 mbar)

ÍNDEX DE WOBBE

Es representa amb la lletra W i es defineix a partir de la expressió:

W=PCS/ (ϼ)½

On ρ és la densitat relativa del gas respecte a l’aire en les mateixes condicions. Com els gasos es poden intercanviar lliurement, han de tenir entre altres requisits, el mateix índex de Wobbe, així tindran la mateixa potència en el cremador.

En càlculs molt precisos, s’usa un índex corregit mitjançant factors que tenen en compte la viscositat, usant els 2 factors K1 i K2

W ’ = W* K1 *K2

Per a obtenir els valors d’aquests factors s’usaran els gràfics corresponents.

POTENCIAL DE COMBUSTIÓ

El potencial de combustió o índex de Delbourg és un índex relacionat amb la velocitat de combustió del gas, té diferents expressions per a les diferents famílies de gasos.

Es calcula en funció de la composició del gas amb ajuda d’expressions empíriques establertes per mitjans experimentals. La seva expressió ve donada per:

C = u (vH2 + 0.3 vCH4 0.7 v CO + V v CnHm)/ρr

on:

vH2, vCO, vCH4, vCnHm = % en volum present en el combustible.

u,V = paràmetres que depenen del tipus d’hidrocarburs presents en la composició, contingut en oxigen i hidrogen.

Els valors de “V” i “u” es dedueixen mitjançant unes gràfiques corresponents als gasos de la primera i segona família.