Combustibilii sunt materiale care prin ardere in aer sau oxigen dezvolta caldura suficienta pentru a fi folositi drept surse de energie si calorica in tehnica sau in gospodarie.
Clasificarea combustibililor dupa provenienta si starea lor de agregare:
- Naturali - lemn, carbune, grafit
- benzine, motorina, gaz lampant, pacura
- gaze de cracare, de cocserie; acetilena, hidrogen
- Sintetici - benzine sintetice, care poate rezulta din
hidrogenarea catalitica a carbunilor, sau
din gaz de sinteza( CO+H2)
II. Combustibili nucleari - Izotopii elementelor grele (uraniu, thoriu, plutoniu)
Valoarea energetica a unui combustibil este determinata de cantitatea de caldura pe care o degaja la o ardere completa; ea se exprima prin puterea calorica (calorifica).
Puterea calorica a unui combustibil reprezinta cantitatea de caldura degajatada 1 kg de combustibil solid, lichid sau de 1 m3 combustibil gazos, prin ardere completa.
Unitatile pentru puterea calorica sunt:
solide, lichide MJ/kg sau kcal/kg (1MJ=106 J)
gaze MJ/m3N sau kcal/m3N (conditii normale)
Se stie ca toate arderile sunt procese exoterme; deoarece in cazul arderii combustibililor interesaeza caldura cedata de sistem, s-a convenit ca puterila calorice sa aiba valori pozitive (se omite semnul minus corespunzator conventiei din termodinamica).
In urma arderii combustibililor rezulta totdeauna CO2 (gaz) si H2O (gaz sau lichid); s-au introdus in calcule, doua puteri calorice. De exemplu, in cazul metanului:
CH4 (g)
+ 2O2(g) CO2(g)
+ 2H2O(l)
Putere calorica superioara (Q8)
39728 kJ/m3N = 39,728 MJ/m3N
CH4(g)
+ 2O2(g) CO2(g)
+ 2H2O(g)
Putere calorica inferioara (Qi)
35800 kJ/m3 = 35,80 MJ/m3
Diferenta de circa 4 MJ/m3 arata ca la arderea metanului se pierde ~10% din efectul termic sub forma de caldura latenta de vaporizare a apei.
In cazul arderii combustibililor in sobe, termocentrale, motoare cu ardere interna, apa rezultata paraseste cosul de evacuare sau teava de esapament sub forma gazoasa (vapori); de aceea, sa ia in calcul puterea calorica inferioara a combustibililor.
Combustibilii solizi (lemnul, mangalul, carbunii de pamant, cocsul) contin, pe langa partea combustibila (carbon si hidrogen), umiditate si cenusa, care reduc puterea calorica.
Combustibilii fosili sunt ramasite ale plantelor si animalelor care au trait cu milioane de ani in urma.
Carbunii fosili s-au format prin incarbonizarea (imbogatirea in carbon) a substantelor de origine vegetala (celuloza, lignina, rasini naturale, etc.); ei contin un procant mai mare de carbon decat lemnul, si de aceea au o putere calorica superioara.
Desi aflorimentele de carbune au aprut din vremuri preistorice, utilizarea carbunelui drept combustibil este comparativ recenta. Timp de mii de ani, carbunele era considerat o simpla piatra neagra. Exista dovezi ca britanicii antici au folosit carbunele drept combustibil, si ca romanii au aflat de la ei valoarea sa. Prima referire scrisa la carbuna apare intr-o cronica anglo-saxona din sec. X.
De-a lungul secolelor s-a raspandit utilizarea carbunelui pentru incalzirea gospodariilor. Insa carbunele moale utilizat, usor de obtinut, a provocat o poluare grava sub forma fumului si funingini. Pentru a-i diminua utilizarea, carbunele a fost puternic impozitat si, in multe locuri, arderea lui a fost interzisa din cauza pericolului asupra sanatatii publica. Consumul de carbune a crescut rapid in anii 1700, pe timpul Revolutiei Industriale. Carbunele era combustibil pentru masinile cu abur si din el se obtinea cocsul - o forma dura si poroasa a carbonului, utilizata in otlarie si drept combustibil.
Combustibilii lichizi sunt obtinuti, in mare parte, prin prelucrarea titeiului (petrol brut).
Prin distilarea atmosferica (distilare primara) se obtin din titei: benzine, petrol lampant, motorina, pacura. Benzinele sunt folosite drept combustibili (carburanti) pentru motoarele Diesel, iar pacura este folosita in special in instalatiile casnice, da incalzire; in ultimul timp, pacura este prelucrata (distilare in vid) si transformata in produsi valorosi (lubrifianti).
Calitatea unei benzine (proprietatea ei antidetonanta) se caracterizeaza prin cifra octanica (notata prescurtat cu C.U.).
La stabilirea scarii conventionale de cifre octanice, valoarea "100" i se atribuie izooctanului, iar valoarea "0" n-heptanului.
Hidrocarbura |
C.O. |
|
n-heptan CH3 - (CH2)5 - CH3 |
|
|
CH3 CH3 | | CH3 - C - CH2 - CH - CH3 | izooctan CH3 (2,2,4-trimetilpentan) |
|
Amestecand ambele hidrocarburi in anumite proportii, se obtin punctele intermediare ale scarii de lichide (etaloane) cu care se compara experimental, carburantul cercetat. De exemplu, o benzina cu C.O.=80 se comporta ca un amestec de 80% izooctan si 20% n-heptan.
Cu cat o benzina are C.O. mai mare, cu atat se comporta mai bine in motor (nu produce detonatii); ea determina cresterea puterii motorului, o viata mai lunga de functionare a lui, un consum mai redus de carburant.
Cifra octanica a diferitelor hidrocarburi variaza in ordinea:
alcani < cicloalcani < alchene < izoalcani < arene
Petrolul s-a format prin transformarea lenta a plantelor, si intr-o mai mica masura a animalelor, deouse pe fundul marilor interioare, in lipsa oxigenului (transformare anaeroba).
Produsul rezultat in urma acestor transformari este titeiul care a migrat, datorita miscarilor tectonice, formand zacaminte secundare din care se extrage in prezent.
In zacaminte, petrolul este imbibat in straturi de nisip sau pietris, si este inconjurat de straturi impermeabile de marna si argila.
Uneori petrolul se infiltreaza la suprafata solului prin roci, unde o parte din el se evapora, lasand in urma depuneri uleioase, semisolide, precum asfaltul.
Titeiul a fost putin utilizat pana la mijlocul anilor 1800. La inceput din titei se obtineau uleiurile necesare iluminarii si incalzirii gospodariilor. In anii 1890, titeiul a devenit important ca sursa de combustibil pentru motoare cu ardere interna ale masinilor.
Mai multe substante, inclusiv pacura si titeiul parafinos (petrolul lampant), sunt separate din titei prin pocesul numit distilare fractionala. Aceasta metode, implica incalzirea titeiului si separarea si racirea vaporilor astfel formati, pentru a-i determina sa se condenseze in lichide. Produsele rezultate, numite distilati, sunt prelucrate in continuare, pentru a produce substante chimice, mase plastice, detergenti, cauciuc sintstetic, anestezica, insecticide, explozivi, guma de mestecat, ceruri, coloranti, produse cosmetice, conservanti alimentari, matase artificiala, adezivi, medicamente, vopsele. Deoarece titeiul ofera o asemenea gama larga de produse, este extrem de valoros. Nu este de mirare ca petrolul brut impur este uneori numit "aur negru" si se spune despre el ca este "prea bun pentru a fi ars".
Combustibilii gazosi prezinta o serie de avantaje fata de cei lichizi sau solizi: se transporta usor, prin conducte, permit reglarea conditiilor de ardere, arderea lor este lipsita de fum si cenusa, etc.
Gazele de cracare sunt amestecuri de alcani si alchene inferioare (C2,C3,C4) si se folosesc la umplerea buteliilor de aragaz; hidrocarburile nesaturate componente, se separa si se prelucreaza petrochimic. Gazele rezultate la cocsificarea carbunilor (gazele de cocserie) sunt de asemenea folosite drept combustibili.
Concentratia de combustibil gazos in amestecul de aer trebuie sa se situeze intre niste limite caracteristice fiecaruia, numite limite de explozie. Astfel, pentru metan: 5-15,2%, iar pentru acetilena 3-82%.
Puterea calorica a hidrogenului lichid (120,91 MJ/kg) depaseste cu mult pe cea a hidrogenului gazos. Astfel, el este folosit drept combustibil in propulsarea rachetelor.
Manualul de Chimie de cls. a XI - a(2002)
Manualul de Chimie de cls. a XII - a(1996)
