La energía y el aire (II). La combustión

8 de enero de 2016

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Bruno Henríquez

 

Uno de los fenómenos energéticos de la vida cotidiana que tiene relación directa con el aire es la combustión.
Cuando algo se quema, cuando la mayoría de las cosas se queman es porque tienen la temperatura y el suministro de aire adecuados. En general una combustión es un proceso químico, que desprende calor, luz y utiliza el oxígeno, la mayor parte de las veces proveniente del aire. Como residuo deja casi siempre carbón y vapor de agua, solo que casi nunca notamos el vapor de agua que se desprende en la llama, tome usted por ejemplo un encendedor, un fósforo o cerilla enciéndalo y acérquele de lado una superficie metálica de, digamos una cuchara, si mira con detenimiento verá cómo se condensa agua en la cuchara. Esto es una curiosidad pero quiero usarla para recordarle que cuando ocurre una reacción química las sustancias sufren transformaciones, las componentes iniciales desaparecen, porque se descomponen y se combinan de otra forma, así aparecen otras sustancias formadas por los mismos elementos químicos, en este caso el vapor de agua que se condensa como gotas en la superficie metálica fría, es un ejemplo, además vemos que se desprende hollín.
Por lo explicado antes, los automóviles con motores de combustión emiten al aire sustancias que antes no estaban y que contaminan la atmósfera. De forma similar, cuando respiramos inhalamos el aire que tiene oxígeno y en su lugar devolvemos anhídrido carbónico. En ese caso la respiración que se realiza en nuestro cuerpo es una reacción química que se comporta también como una combustión, de hecho en ella ocurre una combustión pero más lenta que cuando hay llamas.

Cuando la llama arde y algún objeto o sustancia se quema, se desprende luz y calor y se consume una parte importante del aire donde ocurre la combustión. La combustión, el fuego, la llama no son posibles sin el aire, sin el oxígeno del aire.

En la luz que emite la llama está toda la información acerca de que sustancias está hecho lo que se quema, que temperatura tiene y si contamina o no el ambiente. La llama se encuentra en un estado llamado plasma, que por cierto, es el más abundante en el universo.

El color de la llama depende de su temperatura y de las sustancias que entran en juego en ella. Así en el espectro de las llamas comunes que ocurren en el aire están presentes, entre otras, las llamadas rayas amarillas del oxígeno, que se corresponden con los colores de los fotones que se emiten cuando los electrones activos del oxígeno se activan en la reacción química de la combustión.

La combustión es un caso particular de la oxidación. Consiste en una reacción química de forma más o menos rápida de un material inflamable (combustible), sólido, líquido o gaseoso, en condiciones de alta temperatura, con el oxígeno, (comburente) que propician la aparición de llamas; por otra parte el nitrógeno, la componente del aire más abundante, actúa como moderador de la combustión.

El comburente típico y más común es el oxígeno atmosférico, que constituye aproximadamente 21% del aire. Todos los comburentes tienen en su composición oxígeno, que desprenden para la combustión. Para que esta se produzca la proporción mínima de oxígeno, varía entre 15% hasta 5%.

Las sustancias explosivas y los carburantes en general tienen en si el oxígeno necesario para la combustión. Unas veces en su estructura química o como mezclas gaseosa o líquida.
En una bala, la combustión ocurre dentro del cartucho donde están todos los elementos necesarios, no necesita el aire exterior. Solo la energía inicial para encender el fulminante que hace arder la pólvora.

Muchas veces la combustión se manifiesta por una explosión continua o estacionaria como ocurre en el caso de los cohetes, los mecheros y los sopletes.

 

La combustión solo es posible dentro de los límites de encendido, es decir si se cumplen las condiciones para que las sustancias que entran en la reacción puedan arder.

En la combustión, que es una reacción química, las sustancias se combinan en proporciones exactas, si falta oxígeno parte de la sustancia a quemar no tiene con que combinarse y no se quema, se va al aire, las mezclas que se preparan con el oxígeno deben dosificarse para que se cumpla la reacción, pero en los procesos técnicos se suministra aire u oxígeno en una proporción un poco mayor para garantizar la combustión completa. Cuando la combustión ocurre en los combustibles líquidos, debido al aumento de la temperatura, estos pasan a la fase gaseosa, se mezclan mejor con el aire y se vuelven mucho más inflamables. La bondad o eficiencia de un combustible no depende sólo de su poder calorífico sino también del volumen del gas que hay que añadirle, para que la combustión resulte completa.
En la combustión incompleta se produce monóxido de carbono (CO) y se desprenden también partículas sólidas de carbón en forma de hollín, el proceso entonces desprende humo y es menos eficiente, si la combustión se realiza con el fin de obtener calor y a partir de él trabajo mecánico, entonces en la combustión incompleta no se obtiene lo buscado y se emiten muchos contaminantes a la atmósfera. Mantener un fuego con poco humo es muy difícil y la experiencia popular lo refleja en un refrán que nos recuerda:

“Quien quiere disfrutar del fuego, tiene que soportar el humo”.

Cuando ciertas sustancias combustibles se comprimen se calientan, se acelera la oxidación y se alcanza la temperatura de encendido, (de autocombustión o de inflamación) y la sustancia arde, es el caso de combustión espontánea o autoinflamación y el principio por el cual funcionan los motores Diesel de combustión interna que no necesitan bujías para el encendido.
La temperatura de autocombustión es diferente para los distintos compuestos o elementos, por lo que cada sustancia necesita diferentes niveles de energía para iniciar la combustión.
Se han reportado también casos de combustión espontánea en depósitos de basura cerrados herméticamente y otros lugares con semejantes condiciones.

Como resultado de la combustión en los motores que trabajan con combustibles fósiles y en muchos procesos industriales se producen contaminantes que van a la atmósfera y comprometen la calidad del aire, pero los niveles que se reportan con alarma parecen ser muy pequeños y se usan valores reportados en partes por millón, este será el próximo tema de esta serie dedicada a los aspectos energéticos del aire.