Combustibile
Il termine combustibile si riferisce tradizionalmente a sostanze capaci di produrre energia termica a seguito di una reazione chimica detta comunemente combustione (fanno eccezione i cosidetti combustibili nucleari, con i quali si produce energia attraverso una reazione nucleare).
In genere una combustione è una reazione di ossidazione in cui il combustibile reagisce con un comburente. Il comburente di gran lunga più comune è l'ossigeno dell'aria.
In relazione allo stato fisico in cui si presentano, i combustibili si classificano in solidi, liquidi e gassosi, ed un'altra importante distinzione dei combustibili si compie fra "naturali" e "derivati", in relazione alle condizioni in cui vengono impiegati: naturali (gas metano) se si adoperano così come vengono trovati in natura oppure derivati (benzine) se vengono forniti quali prodotti di trasformazione di combustibili naturali o di particolari lavorazioni industriali.
I combustibili tradizionali sono composti essenzialmente da carbonio (C) ed idrogeno (H): questi sono detti elementi utili, in quanto conferiscono alla sostanza esaminata i requisiti che debbono possedere i combustibili e cioè sviluppare calore in notevole quantità, con una combustione completa (in tempi recenti si è aggiunto il requisito per il quale i prodotti della combustione siano minimamente inquinanti).
1 kg di carbonio infatti, bruciando completamente, produce 8.130 kcal (equivalenti a 34,03 MJ) e si trasforma in anidride carbonica (CO2) che non è dannosa; 1 kg di idrogeno (H) produce 34.500 kcal (equivalenti a 144,42 MJ) circa quattro volte più del carbonio e si trasforma in acqua (H2O), che si libera come vapore d'acqua date le temperature di scarico dei prodotti della combustione.
Potere calorifico
Una delle caratteristiche più importanti del combustibile è il potere calorifico. Esso rappresenta la quantità di calore espressa in kilocalorie o megajoule prodotta da un kilogrammo di combustibile, quando questo brucia completamente, e rappresenta il potere calorifico di quel combustibile, che in particolare si distingue tra:
- Potere calorifico superiore (Hs)
- Potere calorifico inferiore (Hi).
Il potere calorifico superiore (Hs) è la quantità di calore che si rende disponibile per effetto della combustione completa a pressione costante della massa unitaria del combustibile, quando i prodotti della combustione siano riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente.
Per i combustibili liquidi l'unità di misura usualmente addottata per la massa è il kg mentre per i combustibili gassosi si fa riferimento al metro cubo in condizioni normali cioè alla massa di gas combustibile secco contenuta in 1 m3 quando la sua temperatura sia O°C e la pressione sia 760 mmHg (1,013 bar).
Se, nel riportare i prodotti della combustione alla temperatura iniziale di combustibile e comburente, il vapore d'acqua contenuto nei gas di combustione e ottenuto dalla combustione dell'idrogeno del combustibile non viene condensato e non rilascia quindi il proprio calore di condensazione, la quantità di calore complessivamente resa disponibile è minore, e si definisce pertanto potere calorifico inferiore (Hi) "il potere calorifico superiore diminuito del calore di condensazione del vapore d'acqua durante la combustione". Il vapore d'acqua non viene condensato nei processi di combustione in un motore quindi è al potere calorifico inferiore che si fa riferimento.
La determinazione del potere calorifico si può ottenere col calcolo in base all'analisi elementare del combustibile, oppure direttamente mediante l'uso di appositi strumenti calorimetrici. Nel primo caso si determina la massa degli elementi combustibili, carbonio (C), idrogeno (H), zolfo (S) contenuta in un chilogrammo di combustibile mediante l'analisi chimica elementare, quindi si valuta l'apporto di calore fornito da ciascuno di essi e si sommano i risultati.
Sapendo che, ad esempio, 1 kg di carbonio sviluppa nella combustione 8.130 kcal e che 1 kg di idrogeno sviluppa 34.500 kcal, se si ha un olio combustibile con un tenore di carbonio dell'85,5% in massa (cioè 0,855 kg per kg di olio), e di idrogeno dell'11,5% (cioè 0,115 kg per kg di olio), detti KGcomb, KGC, KGH2 le masse espresse in kg di combustibile e rispettivamente di carbonio e idrogeno contenuti, il suo potere calorifico superiore sarà:
Hs = 0,855 KGC/KGcomb · 8.130 kcal/KGC + 0,115 KGH2/KGcomb · 34.500 kcal/KGH2 = 10.919 kcal/KGcomb
Il potere calorifico superiore si può determinare direttamente mediante la bomba calorimetrica di Mahler o apparecchi simili in cui il calore prodotto dalla reazione viene assorbito da una massa di acqua o di altro liquido di cui si osserva l'aumento della temperatura.
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