Rippa_16-1_Potere calorifico

DIDATTICA ATTIVA - Approfondimento
Il potere calorifico dei combustibili
I combustibili sono sostanze in grado di liberare grandi
quantità di energia termica a seguito di particolari reazioni di ossidoriduzione, chiamate reazioni di combustione
(figura 1). I combustibili tradizionali sono sostanze organiche (vedi capitolo 22) che contengono atomi di carbonio
e idrogeno.
de il calore di condensazione dell’acqua, mentre il potere
calorifico inferiore non lo considera.
Il potere calorifico superiore è la quantità di calore che
si sviluppa dalla combustione completa di una quantità
unitaria di combustibile alle condizioni standard, quando i prodotti della combustione sono riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente.
figura 1 La reazione
I prodotti della combustione sono sostanze gassose
come CO2 , SO2 , O2 , N2 e vapore acqueo, per cui parte del
calore disponibile viene dissipato per il riscaldamento dei
gas e soprattutto per la vaporizzazione dell’acqua prodotta. Pertanto, se non si recupera il calore di condensazione
dell’acqua, il calore generato diminuisce.
di combustione del
gas naturale è una
reazione fortemente
esotermica da cui si
sviluppa una grande
quantità di energia.
Il potere calorifico inferiore è uguale al potere calorifico
superiore di un combustibile diminuito del calore di vaporizzazione dell’acqua formatasi durante la combustione.
L’esperienza quotidiana ci suggerisce che i combustibili non sono tutti uguali. È noto come dalla stessa quantità di combustibili diversi si ricavi una quantità di energia
differente. La valutazione qualitativa dei combustibili può
essere fatta considerando il loro potere calorifico.
Stato
Potere
calorifico
MJ/kg
Gassoso
120,00
Metano
Gassoso
150,00
Propano e
butano
Gassoso
146,10
Benzina
C5-C9
Liquido
144,00
Kerosene
C10-C13
Liquido
143,50
Gasolio
C12-C20
Liquido
143,30
Olio
combustibile
C14-C30
Liquido
141,50
% idrogeno
Combustibile
Il potere calorifico è la quantità massima di energia che
si può ricavare dalla combustione completa di un quantitativo unitario di combustibile in condizioni standard.
Il quantitativo unitario di un combustibile solido o liquido corrisponde generalmente alla massa, mentre nel
caso di combustibili gassosi generalmente ci si riferisce al volume. Per questo motivo il potere calorifico viene espresso in J/kg o in J/m3. Il potere calorifico di una
sostanza coincide pertanto con la sua entalpia standard
massica o volumica di combustione. Si distinguono due
tipi di potere calorifico: il potere calorifico superiore e il potere calorifico inferiore. Il potere calorifico superiore inclu-
Composizione
Idrogeno
Gas naturale
GPL
tabella 1 Molti combustibili sono miscele di idrocarburi. All’aumentare
degli atomi di carbonio presenti nei componenti del combustibile diminuisce la percentuale di idrogeno, per cui diminuisce il potere calorifico del combustibile.
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Mario Rippa - La
Potere calorifico
Le moderne caldaie a condensazione hanno un rendimento termico superiore alle caldaie tradizionali, in
quanto riescono a recuperare parte del calore latente di
condensazione dell’acqua.
Il potere calorifico di un combustibile aumenta all’aumentare del contenuto percentuale di idrogeno, poiché
quest’ultimo ha un potere calorifico più alto rispetto al
carbonio (tabella 1).
chimica di Rippa - secondo biennio - Italo Bovolenta editore - 2012
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Il potere calorifico viene determinato sperimentalmente in appositi strumenti calorimetrici come la bomba di
Mahler (vedi per saperne di più p. 154). In un recipiente costituito da materiale isolante sono messe a reagire
quantità note di combustibile e di ossigeno. Il calore che
si sviluppa dalla reazione è assorbito da una quantità nota
di acqua. Dal valore dell’innalzamento della temperatura
dell’acqua si risale al potere calorifico del combustibile.
Un valore approssimato del potere calorifico di un
combustibile può essere ottenuto dalla composizione
elementare della sostanza. Il potere calorifico può essere considerato uguale alla somma dei poteri calorifici dei
singoli elementi chimici costituenti. Consideriamo, per
esempio, il metano CH4, formato da carbonio per il 75%
in peso e da idrogeno per il 25%. In 1 kg di combustibile sono perciò presenti 0,75 kg di carbonio e 0,25 kg di
idrogeno. Sapendo che da 1 kg di carbonio si sviluppano
34,03 MJ di energia e da 1 kg di idrogeno 144,42 MJ, il
potere calorifico si ottiene dalla somma della quantità di
calore che si sviluppa dal carbonio presente con la quantità di calore che si sviluppa dall’idrogeno:
ΔH = 0,75
kgc
kgComb
· 34,03
MJ
kgc
+ 0,25
kgH
kgComb
· 144,42
MJ
kgH
= 62
MJ
kgComb
Dai valori del potere calorifico riportati nella tabella
1 si nota come il potere calorifico dei combustibili gassosi sia generalmente maggiore rispetto a quello dei
combustibili liquidi. Considerando esclusivamente il
potere calorifico, i combustibili gassosi appaiono i migliori dal punto di vista della resa energetica.
Tra i combustibili gassosi l’idrogeno è quello con il
più alto potere calorifico ma, data la sua bassa densità,
l’energia sviluppata per unità di volume risulta piuttosto bassa.
Questo problema si riscontra per tutti i combustibili gassosi, che devono essere compressi o liquefatti
in fase di stoccaggio. A parità di pressione, l’idrogeno
gassoso contiene meno energia per unità di volume
del metano e, in generale, i comuni combustibili liquidi possiedono un contenuto energetico per unità di volume da 2 a 3,5 volte superiore a quello dell’idrogeno
gassoso. Il problema dell’energia consumata in fase
di stoccaggio, unito a quello del costo energetico della
sua produzione, limitano ancora molto l’utilizzo dell’idrogeno come vettore energetico.
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Mario Rippa - La
chimica di Rippa - secondo biennio - Italo Bovolenta editore - 2012