1. M4 Operacions de Serveis Auxiliars
Pilar González
Adaptat de MP3, Química Industrial. Elaborat per Lorena Muñoz/Marta Griera

2.  capacitat d’un sistema físic per produir treball
 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
En formes diferents i no totes elles igualment
aprofitables
2

3.  La més básica i fonamental és la que
consumim mitjançant les vies metabòliques
de la fotosíntesi de plantes verdes i de
l’alimentació, gràcies a la qual el nostre
organisme viu
 NO ÉS SUFICIENT → per això ens hem dotat
de la tecnología.
 IMPORTÀNCIA ENERGIA ÉS CABDAL
3

4.  L’energia no s’exhaureix ni es consumeix,
només es transforma. Açò podría fer pensar
que la podem usar tantes vegades com siga
posible, però açò no és cert.
 A l’Univers hi ha dues formes de
materia/energía: la lliure o disponible i la no
disponible, la suma de les quals és constant.
4

5.  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)
5

6.  L’energia va lligada a l’estructura i les
propietats
 Parlem d’energia calorífica associada a la
temperatura, energia química associada a la
composició.
6

7.  Energia mecànica
 Energia química
 Energia calorífica
 Energia atòmica o nuclear
 Energia radiant o electromagnètica
7

8.  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.
8

9.  Interaccions de l’ésser humà amb el medi en
l’ecosistema responen a 3 tipus de funcions:
1. Font de recursos naturals
2. Suport d’activitats
3. Receptor d’efluents i residus
Qualsevol activitat humana, en base a aquestes
funcions exerceix sobre el medi una
alteració que anomenem impacte ambiental
9

10.  mecanismes (autodepuració, efecte
dispersant…) que han fet que siga capaç
d’enfrontar-se als problemes de
contaminació, donant-se així un equilibri
ecològic.
 Desestabilització, de vegades irreversible
degut a una alta concentració en el temps i
en l’espai de certs contaminants i efectes.
10

11.  Front a aquesta situació i preocupació la
legislació ha anat augmentant fixant límits
més restrictius i aconsellant a les empreses
les millors tècniques disponibles o
tecnologies netes.
11

12. 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 vertader preu de
l’energia que consumim.
12

13. Estructura seria sostenible si:
 sistema intensiu de generació del treball
 respecte mediambiental
 descentralització de la generació energética
 aprofitant els recursos endògens i
diversificats pel planeta.
13

14.  La dependencia d’una única font energética
té riscos econòmics.
 La diversificació i l’aprofitament racional dels
recursos genera economies més estables,
sòlides i menys dependents.
14

15.  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 obtener electricitat, que és quasi sempre
un pas intermedi per a la producció
d’energia, transportar-la i distribuir-la.
15

16.  Al voltant del 75 % de l’energia primària
consumida a l’actualitat a nivel mundial ve de
combustibles fòssils
• 17% gas natural
• 25 % carbó
• 36 % petroli
• La restant ve de: hidroeléctrica, nuclear i
tambe cal destacar com a noves les energies
alternatives
16

17.  combustió de fusta o biomassa
 combustió de residus sòlids urbans
 Geotèrmica
 Biogàs
 Eòlica
 Solar tèrmica
 Solar fotovoltaica…
17

18.  Però l’actual sistema enèrgetic es basa
fonamentalment en el consum del carbó,
petroli i gas natural.
 Així que cal un canvi molt gran per a poder
passar d’un tipus de sistema energètic a un
altre.
18

19. ◦ ENTORN
- W -q
W +q SISTEMA
19

20.  Sistema obert. Bescanvia energia i matèria.
 Sistema tancat. Bescanvia només energia.
 Sistema aïllat. No bescanvia res.
20

21.  L’energia es transfereix entre sistemes i
entorns en 2 formes generals:
 Treball
 Calor
21

22.  TREBALL: Energia utilitzada per a produir una
cosa (moure o aixecar un objecte). Així, si
apliquem treball sobre un sistema estem
transferint-li energia.
 CALOR: Energia transferida d’un objecte més
calent a un més fred.
Podríem definir-la com l’energia transferida
entre sistema i entorn degut a la diferencia
entre les seves temperatures.
22

23.  “L’energia ni es crea ni es destrueix”, aquesta
frase enuncia la primera llei de la
termodinàmica, i és un resum al fet que la
energia es conserva.
 D’aquesta manera qualsevol energia perduda
pel sistema serà guanyada per l’entorn.
23

24.  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.
 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.
24

25.  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
 ∆U = q + W
25

26.  El signe ve donat pel calor cedit o alliberat del
sistema (q) ó del treball fet per o sobre el
sistema (W)
q > 0
SISTEMA
∆U > 0
W > 0
26

27. q + Guanya calor - Perd calor
+ Treball realitzat - Treball fet pel
W
sobre el sistema sistema
+ Guany net - Pèrdua neta
∆U
Energia Energia
27

28.  Quan es porta a terme un procés on el
sistema absorbeix calor, el procés és coneix
com endotèrmic.
 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.
28

29.  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 donats per:
W = - P * ∆V
P és la pressió i ∆V és el canvi de volum del
sistema (∆V = Vfinal – Vinicial)
29

30.  Si 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
realitat pel sistema sobre l’entorn.
 Si es comprimeix un gas, ∆V és una quantitat
negativa ( el volum disminueix), fent que W
sigui una quantitat positiva.
30

31.  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.
H = U + P*V
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)
31

32.  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
subtituim –W per P*∆V i q + W per ∆U,
tenim:
∆H =∆U + P*∆V =(q +W) – W = q
32

33. 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 majora 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.
33

34. 
∆H > 0 ∆H < 0
Sistema Calor Sistema Calor
34

35.  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.
35

36.  Ens cal una escala de temperatures.
 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 de
vidre plens de mercuri o alcohol acolorit).
 Cal prendre dues temperatures de referència
o punts fixos, en relació amb els quals
qualsevol temperatura pot ser comparada.
36

37.  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).
37

38.  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 (més ràpid es mouen)
 La transferència de calories entre dos cossos a
diferent Temperatura 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.
 La temperatura és una mesura de l’energia cinètica
mitjana de les molècules d’un cos.
38

39.  NO confondre la temperatura d’un cos amb
l’energia tèrmica total que té aquest cos.
(L’aigua bullent d’una cullera és a la mateixa
temperatura que l’aigua bullent d’una olla,
però l’energia que podem obtenir de l’aigua
de l’olla és més gran que la de la cullera)
39

40.  A més baixa temperatura, més baixa energia
cinètica. La temperatura on no hi ha moviment
molecular és -273 ºC. Aquesta temperatura
s’anomena zero absolut (no es pot baixar més).
 Escala amb origen el zero absolut és una escala de
temperatura absoluta (l’escala Kelvin). Sistema
Internacional.
 T (K) = T (ºC) + 273
 A 0 K totes les substàncies són sòlides, no
moviment, per tant, energia tèrmica nul·la; però hi
ha presents altre tipus d’energia.
40

41.  L’energia tèrmica per produir un augment
determinat en la temperatura d’un cos depèn
de tres factors:
◦ La massa de la substància. Més massa, més
energia que s’ha de proporcionar.
◦ El tipus de substància. Per la temperatura d’1 kg
d’aigua cal quasi dues vegades més energia que
per a 1 kg d’alcohol.
◦ L’increment de temperatura. Per a un material
determinat, un augment de 10 ºC requereix deu
vegades més energia que un increment d’1 ºC.
41

42.  la capacitat calorífica específica (ce) 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.
42

43.  Energia tèrmica transferida = massa x
capacitat calorífica específica x increment de
temperatura
q = m·ce·(T2 – T1 )
on q és la calor o energia tèrmica transferida a la
substància.
 Equació per calcular l’energia tèrmica que una
substància cedeix a una altra quan la seva
temperatura disminueix, o absorbeix quan la
seva temperatura disminueix.
 1 cal = 4,18 J
 La ce de l’aigua: 1 cal/(g ºC) o 1000 cal/(kg ºC)
o 4,18 J/(g ºC) o 4180 J/(kg ºC)
43

44. T (ºC)
150
 Canvis d’estat
L’energia tèrmica 100
absorbida durant el
procés del canvi d’estat 50
s’anomena calor latent.
2 6 10 14 t (min)
44

45.  LA DILATACIÓ
S, L i G augmenten el seu V quan ↑ la T. S’anomena
dilatació tèrmica.
• Dilatació dels sòlids. Té lloc en totes direccions.
• Aplicacions:
- Bigues de formigó
- Vidre pyrex
- Làmina bimetàl·lica (llautó-invar). Fabricació
de termòmetres i termòstats.
45

46. • Dilatació dels líquids. Té lloc en totes direccions.
En general, el líquids es dilaten més que els sòlids.
• Aplicacions:
- Fonament dels termòmetres (mercuri o alcohol).
- S’ha de tenir en compte (cambra expansió dels
radiadors
- Excepció: l’aigua. De 0ºC a 4ºC es contrau, i
després ja es dilata. A 4ºC el volum de l’aigua
és mínim, densitat màxima.
46

47. • Dilatació dels gasos. Considerar com varia la p i el V
al variar la T. Relació entres aquestes tres magnituds:
lleis del gasos.
• Llei de Charles i Gay-Lussac:
a volum constant a pressió constant
• Llei de Boyle-Mariotte:
p1V1=p2V2 a temperatura constant
• Llei d’Avogadro:
V iguals de gasos diferents, en mateixes condicions
de p i T, contenen el mateix nº de partícules (àtoms o
molècules), n. (1 mol gas en c.n. ocupa 22,4 litres)
47

48. • 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: nº 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
48

49. 49

50.  Principal font de calor a la indústria:
• Gas natural
• Petroli
•Productes derivats
 + el carbó, representen el 85% de les fonts
energètiques a Europa.
50

51.  Combustió: reacció química
Combustible + x O2 (aire) → y CO2 + z H2O + Q
 Comburent: agent portador d’O2
 Té lloc als cremadors. Dissenyats per diferents
potències i combustible determinat.
 Forma d’obtenir energia molt eficient però presenta
problemes:
 contaminants
 N2. Present a l’aire, absorbeix calor i resta eficàcia.
 Combustió incomplerta (CO). Actuació en incendi.
51

52.  Segons l’estat
 Sòlids. Carbó o fusta.
 Líquids. Deriven del petroli.
− Gasoil tipus C (A, B són per automoció). Recomanat per calderes
i cremadors per la  viscositat,  poder calorífic i  cendres.
− Fueloil. S’ha d’escalfar per ajustar la viscositat i poder alimentar
el cremador.
 Gasosos. Gas natural i propà.
− Gas natural. Barreja d’hidrocarburs amb p.eb. molt baix.
L’”amarg” conté H2S i el “dolç” no en conté.
 Segons l’origen
 Combustible fòssil. Prové de restes vegetals i animals (carbó,
petroli i gas natural). Petroli no és combustible tal qual, se
n’obtenen els GLP (gasos liquats).
 Combustible no fòssil. Fabricat a factories (gas manufacturat, H2,
alcohol)
52

53.  Les més característiques són:
 La composició
 El poder calorífic
 La viscositat
 Límits d’inflamabilitat
 El punt d’inflamabilitat
 La temperatura de combustió
 La densitat
 El contingut de 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.
53

54. COMPOSICIÓ
 Permet determinar paràmetres estequiomètrics.
 Indica si és apte en funció de possibles contaminats.
 GAS: Habitualment es dóna en % en volum (c.n.). Trobem CnHm,
CO2, CO, H2, O2, N2, SO2, SH2, H2O.
 LÍQUID O SÒLID: quantitat de C, H, S, N, O, H2O i cendres, en
massa, per 1 kg de combustible.
GAS NATURAL Gas Gas Diesel Parafina Leña Carbón
Licuad Ciudad
%C 72,2
81,0 29,5 86,3 85,9 45,3
%H 5,6
18,9 8,6 13,1 13,5 8,0
%O 11,8
0,0 46,8 0,0 0,0 46,4
%N 1,3
0,0 15,1 0,0 0,0 0,0
%S 1,7
0,0 0,0 0,6 0,6 0,4
54

55. PODER CALORÍFIC
 Quantitat d’energia despresa en la combustió, referida a una
unitat de combustible (kJ/(kg, kmol, Nm3)).
 Diferents definicions segons si H2O(g) es condensa o no:
 PCS: poder calorífic superior. Q despresa amb combustible
dessecat i aigua dels fums en forma líquida (c.n.)
(PCS)h: igual que l’anterior però amb el combustible sense assecar.
 PCI: poder calorífic inferior. Q despresa amb combustible dessecat
i aigua dels fums en forma gasosa.
(PCI)h: igual que l’anterior però amb el combustible sense assecar.
55

56. 56

57. 57

58. 58

59. VISCOSITAT
 Important en combustibles líquids (efectes en emmagatzematge i
transport).
 Valors tabulats i legislació sobre el valors màxims (mm2/s)
DENSITAT
 Densitat relativa determina si el gas s’acumula en el sostre o en el
sòl (fuga).
 Per combustibles líquids, expressió aproximada:
ρ= 250 + 9,13 mC/mH (en kg/m3 a 15 º C)
59

60. PROPIETATS RELATIVES A LA INFLAMACIÓ
 Límits d’inflamabilitat.
─ Propietat dels límits gasosos. Estableix la proporció, % volum, de
gas-aire necessària per a la combustió.
─ Dins d’aquest d’interval, el gas sí és inflamable.
─ En una barreja de gasos s’empra l’equació de Le Chatelier-Coward
─ Els gasos més inflamables són l’hidrogen i l’acetilè.
─ Aquest límits depenen de molts factors (font ignició, contingut
d’humitat, substàncies en suspensió...).
 Punt d’inflamació i Temperatura de combustió.
─ Per a que es doni la combustió, la barreja a d’assolir una T mínima
(punt d’inflamació). La calor alliberada manté la T per damunt
d’aquest punt i la reacció continua.
─ La T de combustió és la T màxima assolida durant la combustió.
Es troba a la bibliografia.
60

61. CONTINGUT EN SOFRE
 Determina la quantitat de SO2 que es por formar. Aquest diòxid
s’oxida a SO3, responsable de les 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 per evitar la formació del triòxid, és controlar l'excés
d’aire, establint el mínim necessari.
ÍNDEX DE BACHARACH
 Si no hi ha prou aire, es formen “incremats” (sutge), s'adhereix a
les parets dels conductes i  coeficient de transmissió de calor
global, el rendiment de la reacció .
 Quan  quantitat de partícules,  opacitat dels fums: Índex de
Bacharach, enfosquiment d’un paper de filtre quan hi passa el
corrent de gasos. Escala del 0 (blanc) al 9 (negre).
61

62. ÍNDEX DE WOBBE I POTENCIAL DE COMBUSTIÓ
─ La de combustió d’un gas té lloc en un dispositiu anomenat
cremador que gradua convenientment el cabal de gas i d’aire, per
a una combustió correcta.
─ De vegades és convenient canviar a un gas combustible diferent.
Per a determinar si és possible intercanviar un gas per un altre,
s’usen uns índex empírics: Índex de Wobbe i Potencial de
combustió.
─ Normalment es planteja el canvi de gasos de la primera i segona
família per barreges d’aire butanat i propanat.
─ CLASSIFICACIÓ DELS GASOS COMBUSTIBLES
─ En funció del valor de W (Wobbe), els gasos es classifiquen en tres
famílies: primera, segona i tercera.
62

63.  Primera família: gasos manufacturats, gas de coqueria i mescles
hidrocarburs-aire (aire propanat i aire metanat) de  poder
calorífic (4,65-5,5 kWh/m3(n)). Actualment està en desús.
 Segona família: gasos naturals, gas natural sintètic i mescles
hidrocarbur-aire (aire propanat) de  poder calorífic (9,3-14
kWh/m3(n)).
 Tercera família: 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)
63

64. Observació
Odoritzant
PCS en PCS en Índex de Límits
Densitat
Nom del Componen
Família volum massa Wobbe d’infla-
Gas t principal
kWh/m3 kWh/kg MJ/m3 (n) mabilitat
Tòxic,
1ra. Gas manu- Metà+H2+ 19,13 a
en <1 5,23 ------- 6 a 45
Família facturat CO 27,64
desús
2da. No 39,1 a Tetrahidro
Gas Natural Metà <1 12,2 ------- 5 a 15
Família tòxic 54,7 tiofè
Inodor
Incolor
3ra. No 72,9 a
GLP Propà >1 27,29 14,0 2,4 a 9,5 Mercaptà
Família tòxic 87,3
Inodor
Incolor
No
Butà 1 36,0 13,95 1,8 a 8,4 Mercaptà
tòxic
Inodor
Incolor
64

65. ─ ÍNDEX DE WOBBE
 Es representa amb la lletra W i es defineix a partir de la expressió:
W=PCS/ (ρ)½
 On ρ és la densitat relativa del gas respecte a l’aire en les
mateixes condicions.
 Pes bescanviar els gasos 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:
W ’ = W* K1 *K2
 Per a obtenir els valors d’aquests factors s’utilitzen els gràfics
corresponents.
65

66. ─ 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.
66