Temperatura arderii adiabatice

Temperatura arderii adiabatice sau temperatura teoretică de ardere^[1] este temperatura care rezultă dintr-un proces de ardere completă, care are loc fără nici un schimb de energie – cum ar fi lucru mecanic, căldură, energia cinetică, potențială, energie electrică etc. Este temperatura maximă pe care o pot atinge produsele arderii la sfârșitul procesului de ardere.^[2]

În funcție de condițiile în care se desfășoară procesul de ardere există două astfel de temparaturi: pentru arderea la volum constant, respectiv la presiune constantă. În cazul arderii la volum constant temperatura este mai mare decât la arderea la presiune constantă deoarece niciuna dintre energii nu este utilizată pentru a schimba volumul sistemului.

Temperatura teoretică de ardere a unor substanțe

În condiții standard de temperatură și presiune (1 bar și 20 °C), următorul tabel prezintă temperaturile teoretice ale flăcărilor pentru diverși combustibili la arderea la presiune constantă. Temperaturile menționate aici corespund unui amestec stoechiometric de combustibil și oxidant, $φ = 1.$ ^[3]^[4]^[5]

Acestea sunt temperaturi teoretice, nu reale, ale flăcării. Se presupune o ardere completă, de exemplu, o flacără perfect echilibrată, fără fum și, de obicei, albăstruie.

Temperaturi teoretice de ardere
la presiune constantă
Combustibil	Oxidant (1 bar, 20 °C)	$T_{\text{t}}$ (°C)
Acetilenă (C 2H 2)	Aer	2500
Acetilenă (C 2H 2)	Oxigen	3480
Butan (C 4H 10)	Aer	2231^[6]
Cianogen (C 2N 2)	Oxigen	4525
Dicianoacetilenă (C 4N 2)	Oxigen	4990
Etan (C 2H 6)	Aer	1955
Etanol (C 2H 5OH)	Aer	2082^[7]
Benzină	Aer	2138^[7]
Hidrogen (H 2)	Aer	2254^[7]
Magneziu (Mg)	Aer	1982^[8]
Metan (CH 4)	Aer	1963^[9]
Metanol (CH 3OH)	Aer	1949^[9]
Gaz natural	Aer	1960^[10]
Pentan (C 5H 12)	Aer	1977^[9]
Propan (C 3H 8)	Aer	1980^[11]
Propină (CH 3CCH)	Aer	2010
Propină (CH 3CCH)	Oxigen	2927
Toluen (C 7H 8)	Aer	2071^[9]
Lemn	Aer	1980
Kerosen	Aer	2093^[12]
Combustibil lichid ușor	Aer	2104^[12]
Păcură	Aer	2102^[12]
Cărbune bituminos	Aer	2172^[12]
Antracit	Aer	2,180^[12]
Antracit	Oxigen	≈3500^[13]
Aluminiu	Oxigen	3732^[9]
Litiu	Oxigen	2438^[9]
Fosfor (alb)	Oxigen	2969^[9]
Zirconiu	Oxigen	4005^[9]

Flăcări mai cunoscute

În viața de toate zilele marea majoritate a flăcărilor întâlnite sunt cele produse prin oxidarea rapidă a hidrocarburilor din materiale precum lemnul, ceara, grăsimile, materialele plastice, propanul și benzina. Temperatura teoretică a arderii la presiune constantă a acestor substanțe în aer se situează într-un interval relativ restrâns, în jurul valorii de 1950 °C. Acest lucru se datorează în principal faptului că entalpia produselor arderii este aproximativ proporțională cu cantitatea de oxigen consumată. Aceasta duce la o creștere proporțională a cantității de aer care trebuie încălzită, anulând astfel efectul unei puteri calorifice mai mari asupra temperaturii flăcării. Reacția incompletă la temperaturi ridicate limitează și mai mult efectul unei puteri calorifice mai mari.

Deoarece majoritatea proceselor de ardere care au loc în mod natural se desfășoară în aer liber, nu există nimic care să limiteze gazul la un anumit volum, așa cum se întâmplă la cilindrul unui motor. Prin urmare, aceste substanțe ard la o presiune constantă, ceea ce permite gazului să se destindă în timpul procesului.

Termodinamică

Principiul întâi al termodinamicii pentru o reacție chimică într-un sistem închis se poate scrie:

Q_{R\to P}-L_{R\to P}=U_{P}-U_{R}

unde indicii $R$ și $P$ se referă la reactanții, respectiv produșii reacției, $Q_{R\to P}$ și $L_{R\to P}$ sunt căldura, respectiv lucrul mecanic schimbate de sistem cu mediul înconjurător în timpul procesului de ardere, iar $U_{R}$ și $U_{P}$ sunt energiile interne ale reactanților, respectiv ale produșilor reacției.

În cazul temperaturii teoretice de ardere la volum constant volumul sistemului este menținut constant, prin urmare nu se efectuează lucru mecanic:

L_{R\to P}=\int \limits _{R}^{P}pdV=0

De asemenea, deoarece procesul este definit ca fiind adiabatic, nu există schimb de căldură:

Q_{R\to P}=0

Prin urmare, energia internă a produșilor este egală cu energia internă a reactanților: $U_{P}=U_{R}.$

Deoarece acesta este un sistem închis, masa produșilor și a reactanților este constantă, iar primul principiu poate fi scris pe baza masei:

U_{P}=U_{R}\quad \Rightarrow \quad m_{P}u_{P}=m_{R}u_{R}\quad \Rightarrow \quad u_{P}=u_{R}

În cazul temperaturii teoretice de ardere la presiune constantă, presiunea sistemului este menținută constantă, ceea ce conduce la următoarea ecuație pentru lucrul mecanic:

L_{R\to P}=\int \limits _{R}^{P}pdV=p\left(V_{P}-V_{R}\right)

Din nou, deoarece procesul este definit ca fiind adiabatic, nu există schimb de căldură:

Q_{R\to P}=0

Din primul principiu al termodinamicii se obține:

-p\left(V_{P}-V_{R}\right)=U_{P}-U_{R}\quad \Rightarrow \quad U_{P}+pV_{P}=U_{R}+pV_{R}

Din definiția entalpiei se obține $H_{P}=H_{R}$ . Deoarece acesta este un sistem închis, masa produșilor și a reactanților este constantă, iar primul principiu poate fi scris pe baza masei:

H_{P}=H_{R}\quad \Rightarrow \quad m_{P}h_{P}=m_{R}h_{R}\quad \Rightarrow \quad h_{P}=h_{R}

Se observă că temperatura teoretică a arderii la presiune constantă este mai scăzută decât cea a arderii la volum constant. Acest lucru se datorează faptului că o parte din energia eliberată în timpul arderii este consumată, sub formă de lucru mecanic, pentru modificarea volumului sistemului de control.

Temperaturile și presiunile la o ardere adiabatică în funcție de raportul aer–izooctan. Raportul 1 corespunde raportului stoechiometric.

Temperatura flăcării la arderea la volum constant a mai multor combustibili, cu aer.

Dacă se admite că arderea este completă (adică se formează doar CO
2 și H
2O), se poate calcula manual temperatura flăcării fie în condiții stoechiometrice, fie în condiții sărace în combustibil (cu exces de aer). Acest lucru se datorează faptului că există suficiente variabile și ecuații molare pentru a echilibra partea stângă și cea dreaptă.

{\begin{aligned}&{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\to \\&\quad \nu _{1}{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{4}{\rm {O}}_{\rm {2}}\\\end{aligned}}

Dacă arderea este bogată în combustibil (cu deficit de aer), nu există suficiente variabile deoarece arderea nu se poate termina cu cel puțin CO și H
2 necesari pentru echilibrul molar (acestea sunt cele mai comune produse ale arderii incomplete).

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\to \nu _{1}{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{5}{\rm {CO}}+\nu _{6}{\rm {H}}_{\rm {2}}

Totuși, dacă se ia în considerare și reacția gazului de apă^⁠(d):

{\rm {CO}}_{\rm {2}}+H_{2}\Leftrightarrow {\rm {CO}}+{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}

și se folosește constanta de echilibru pentru această reacție, există suficiente variabile pentru a finaliza calculul.

Combustibili diferiți, cu călduri de reacție și compoziții molare diferite, vor avea temperaturi teoretice diferite în condiții adiabatice.

Temperatura arderii la presiune constantă cu aer pentru o serie de combustibili.

Temperatura și presiunea la arderea la volum constant a nitrometanului și a izooctanului

Figura de alături ilustrează motivul pentru care nitrometanul (CH
3NO
2) este adesea utilizat pentru a spori puterea motoarelor automobilelor. Deoarece fiecare moleculă de nitrometan conține un oxidant și are legături cu energie relativ ridicată între azot și oxigen, arderea sa generează temperaturi mult mai înalte decât în cazul hidrocarburilor sau metanolului (care conține oxigen). Acest fenomen este comparabil cu adaosul de oxigen pur, care, de asemenea, crește temperatura teoretică a arderii. La rândul său, acest lucru permite generarea unei presiuni mai mari în timpul unui proces la volum constant. Cu cât presiunea este mai ridicată, cu atât forța exercitată asupra pistonului este mai mare, rezultând un lucru mecanic sporit și o putere mai mare a motorului. Arderea rămâne la o temperatură relativ ridicată chiar și în regim bogat în combustibil (peste raportul stoechiometric), întrucât combustibilul conține propriul oxidant. Totuși, funcționarea continuă a motorului cu nitrometan va duce, în cele din urmă, la topirea pistonului și/sau a cilindrului din cauza acestor temperaturi extrem de ridicate.

În aplicațiile practice, de regulă nu are loc o ardere completă. Principiile chimiei indică faptul că disocierea și cinetica chimică modifică compoziția produșilor reacției. Există diverse programe capabile să calculeze temperatura teoretică de ardere (precum Stanjan, NASA CEA sau AFTP) luând în considerare disocierea prin intermediul constantelor de echilibru. Figura alăturată ilustrează faptul că efectele disocierii tind să scadă temperatura teoretică a arderii. Acest rezultat poate fi explicat prin principiul lui Le Chatelier.

Note

↑ Ungureanu, Cornel (1978). Generatoare de abur pentru instalații energetice, clasice și nucleare. București: Editura Didactică și Pedagogică. p. 409.
↑ Popa, Bazil (coord.) (1986). Manualul inginerului termotehnician. I. București: Editura Tehnică. p. 694.
↑ en „Adiabatic Flame Temperature”. The Engineering Toolbox. Arhivat din original la 28 ianuarie 2008. Accesat în 27 ianuarie 2008. adiabatic flame temperature of hydrogen, methane, propane and octane with oxygen or air as oxidizers
↑ en „Flame Temperatures for some Common Gases”. The Engineering Toolbox. Arhivat din original la 7 ianuarie 2008. Accesat în 27 ianuarie 2008.
↑ en Glenn Elert, Temperature of a blue flame and common materials, accesat 2026-09-19
↑ en Libal, Angela (27 aprilie 2018). „What Temperatures Do Lighters Burn At?”. Leaf Group Ltd. / Leaf Group Media. Sciencing.
1 2 3 en Flame Temperature Analysis and NOx Emissions for Different Fuels
↑ en „How hot does magnesium burn? | Reference.com”. Arhivat din original la 17 septembrie 2017. Accesat în 17 septembrie 2017.
1 2 3 4 5 6 7 8 en CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51
↑ en „North American Combustion Handbook, Volume 1, 3rd edition, North American Mfg Co., 1986”. Arhivat din original la 16 iulie 2011. Accesat în 9 decembrie 2009.
↑ en „Archived copy” (PDF). Arhivat din original (PDF) la 24 septembrie 2015. Accesat în 19 mai 2013.
1 2 3 4 5 en Power Point Presentation: Flame Temperature Arhivat în 17 iulie 2011, la Wayback Machine., Hsin Chu, Department of Environmental Engineering, National Cheng Kung University, Taiwan
↑ en Analysis of oxy-fuel combustion power cycle utilizing a pressurized coal combustor by Jongsup Hong et al., MIT, which cites IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage (PDF). IPCC. 2005. p. 122. . But the IPCC report actually gives a much less precise statement: "The direct combustion of fuel and oxygen has been practised for many years in the metallurgical and glass industries where burners operate at near stoichiometric conditions with flame temperatures of up to 3500 °C." The temperature may depend on pressure, because at lower pressure there will be more dissociation of the combustion products, implying a lower adiabatic temperature.

Lectură suplimentară

en Babrauskas, Vytenis (25 februarie 2006). „Temperatures in flames and fires”. Fire Science and Technology Inc. Arhivat din original la 12 ianuarie 2008. Accesat în 27 ianuarie 2008.
en Computation of adiabatic flame temperature Arhivat în 27 februarie 2019, la Wayback Machine.
en Adiabatic flame temperature

Legături externe

Utilitare

en Online adiabatic flame temperature calculator Arhivat în 26 decembrie 2012, la Wayback Machine.
en Adiabatic flame temperature program
en Gaseq, program for performing chemical equilibrium calculations.
en Flame Temperature Calculator - Constant pressure bipropellant adiabatic combustion
en Adiabatic Flame Temperature calculator

[1] Ungureanu, Cornel (1978). Generatoare de abur pentru instalații energetice, clasice și nucleare. București: Editura Didactică și Pedagogică. p. 409.

[p694-2] Popa, Bazil (coord.) (1986). Manualul inginerului termotehnician. I. București: Editura Tehnică. p. 694.

[3] „Adiabatic Flame Temperature”. The Engineering Toolbox. Arhivat din original la 28 ianuarie 2008. Accesat în 27 ianuarie 2008. adiabatic flame temperature of hydrogen, methane, propane and octane with oxygen or air as oxidizers

[4] „Flame Temperatures for some Common Gases”. The Engineering Toolbox. Arhivat din original la 7 ianuarie 2008. Accesat în 27 ianuarie 2008.

[5] Glenn Elert, Temperature of a blue flame and common materials, accesat 2026-09-19

[als-6] Libal, Angela (27 aprilie 2018). „What Temperatures Do Lighters Burn At?”. Leaf Group Ltd. / Leaf Group Media. Sciencing.

[che.msstate.edu-7] 1 2 3 en Flame Temperature Analysis and NOx Emissions for Different Fuels

[8] „How hot does magnesium burn? | Reference.com”. Arhivat din original la 17 septembrie 2017. Accesat în 17 septembrie 2017.

[Physics_p._15-51-9] 1 2 3 4 5 6 7 8 en CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51

[10] „North American Combustion Handbook, Volume 1, 3rd edition, North American Mfg Co., 1986”. Arhivat din original la 16 iulie 2011. Accesat în 9 decembrie 2009.

[11] „Archived copy” (PDF). Arhivat din original (PDF) la 24 septembrie 2015. Accesat în 19 mai 2013.

[Chu-12] 1 2 3 4 5 en Power Point Presentation: Flame Temperature Arhivat în 17 iulie 2011, la Wayback Machine., Hsin Chu, Department of Environmental Engineering, National Cheng Kung University, Taiwan

[13] Analysis of oxy-fuel combustion power cycle utilizing a pressurized coal combustor by Jongsup Hong et al., MIT, which cites IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage (PDF). IPCC. 2005. p. 122. . But the IPCC report actually gives a much less precise statement: "The direct combustion of fuel and oxygen has been practised for many years in the metallurgical and glass industries where burners operate at near stoichiometric conditions with flame temperatures of up to 3500 °C." The temperature may depend on pressure, because at lower pressure there will be more dissociation of the combustion products, implying a lower adiabatic temperature.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]