Mezcla estequiométrica

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En el estudio de las reacciones químicas, el concepto de mezcla estequiométrica resulta crucial para comprender cómo se combinan los reactivos en proporciones exactas para una transformación completa, sin exceso de ninguno de ellos. Este principio tiene una aplicación directa en el diseño y funcionamiento de motores de combustión interna, donde la eficiencia, potencia y emisiones dependen en gran medida de la relación precisa entre el combustible (como la gasolina) y el oxidante (el oxígeno del aire). Una mezcla estequiométrica garantiza que todo el combustible reaccione con el oxígeno disponible, maximizando la liberación de energía química y minimizando residuos contaminantes. Este capítulo explora el concepto desde una perspectiva teórica y práctica, vinculando la química de las reacciones con los desafíos tecnológicos del rendimiento energético en la industria automotriz y aeronáutica. Al comprender la estequiometría de la combustión, es posible apreciar cómo la química contribuye a resolver problemas reales de eficiencia y sostenibilidad.

Motor de gasolina

Un motor de gasolina tipo sedán funciona mediante un ciclo térmico conocido como el ciclo Otto, en el cual se convierte la energía química del combustible en energía mecánica mediante explosiones controladas en los cilindros. En cada ciclo, una mezcla de gasolina y aire es comprimida dentro del cilindro y luego encendida por una chispa de la bujía. Esta combustión libera calor de forma explosiva, empujando el pistón hacia abajo y generando trabajo. Luego, los gases resultantes son expulsados y el ciclo comienza nuevamente.

Desde el punto de vista estequiométrico, la combustión ideal ocurre cuando el combustible y el oxígeno están en las proporciones exactas necesarias para que todos los átomos de carbono se conviertan en dióxido de carbono (CO₂) y los de hidrógeno en agua (H₂O), sin dejar oxígeno o combustible sin reaccionar. Para una gasolina pura, que podría simplificarse como el hidrocarburo octano (C₈H₁₈), la ecuación estequiométrica de combustión completa es:

$${\text{C}}_8{\text{H}}_{18}+\frac{25}{2}{\text{O}}_2\to 8{\text{CO}}_2+9{\text{H}}_2\text{O}$$

Esto implica que se necesitan 12.5 moles de oxígeno por cada mol de octano. Como el aire contiene aproximadamente un 21% de oxígeno en volumen, esto se traduce en una relación de masa aire:combustible de aproximadamente 14.7:1, que se conoce como la relación estequiométrica ideal para motores de gasolina.

Sin embargo, en la realidad, la gasolina no es una sustancia pura, sino una mezcla compleja de hidrocarburos (alcanos, cicloalcanos, alquenos, aromáticos) con cadenas de entre 5 y 12 carbonos, cada uno con un índice de octano y un comportamiento térmico distinto. Esta variabilidad afecta la forma en que la mezcla se quema, su tendencia a detonaciones indeseadas (autoignición) y su rendimiento energético. Por eso, los motores modernos utilizan sensores y unidades de control electrónico (ECU) para ajustar dinámicamente la mezcla aire-combustible, adaptándose a la calidad del combustible, la altitud y otros factores. Así, aunque se parte de un ideal estequiométrico, el funcionamiento real del motor depende de constantes correcciones para mantener el equilibrio entre eficiencia, potencia y emisiones contaminantes.

Motor diésel.

En un motor diésel, la relación estequiométrica ideal para la combustión del combustible es diferente a la de un motor de gasolina debido a las propiedades del combustible y al proceso de combustión.

El combustible diésel es una mezcla compleja de hidrocarburos con una mayor cantidad de átomos de carbono y un menor contenido de hidrógeno que la gasolina. En términos simplificados, se puede considerar que el diésel está compuesto principalmente por un hidrocarburo C₁₂H₂₆ (dodecano) como representativo de su composición promedio, mas viscoso o aceitoso.

La ecuación estequiométrica ideal para la combustión completa del dodecano en un motor diésel sería:

$$\text{C}_{12}\text{H}_{26} + \frac{37}{2} \text{O}_2 \rightarrow 12 \text{CO}_2 + 13 \text{H}_2\text{O}$$

Esto implica que por cada mol de dodecano (C₁₂H₂₆) se requieren 18.5 moles de oxígeno para una combustión completa. Como el aire contiene un 21% de oxígeno, la relación aire-combustible en términos de masa sería de aproximadamente 14.5:1, similar a la de la gasolina. Sin embargo, en motores diésel, la mezcla aire-combustible no es estequiométrica. A diferencia de los motores de gasolina, donde la mezcla es cuidadosamente controlada para mantenerla en una proporción ideal, los motores diésel operan con una mezcla más rica en aire, lo que significa que hay más oxígeno disponible que el necesario para la combustión del combustible.

Esto se traduce en que en un motor diésel típico, la relación aire-combustible real es mucho mayor, generalmente entre 18:1 y 30:1, dependiendo de las condiciones de operación y la carga del motor. El exceso de aire permite que la combustión sea más eficiente y produce menos emisiones de CO (monóxido de carbono) en comparación con los motores de gasolina, aunque puede generar más emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y partículas debido a la mayor temperatura de combustión.

Figura 1. La toma de aire del F-22 Raptor está diseñada para optimizar el flujo de aire hacia los motores turbofán a altas velocidades, sin causar turbulencias que afecten el rendimiento. Su diseño es trinocular, con tres entradas de aire situadas a lo largo de los costados del avión, lo que minimiza la resistencia aerodinámica mientras maximiza la eficiencia de la propulsión. Estas tomas son también ajustables para adaptarse a distintas velocidades y altitudes. En cuanto a la mezcla estequiométrica del F-22, esta no es pública, pero se estima que sigue una relación similar a la de los motores de turbojet o turbofán, con una mezcla rica en oxígeno debido a las altas exigencias de combustión y propulsión.

Tomas de aire

Las tomas de aire en vehículos avanzados, como hot rods, autos de Fórmula 1 y jets de combate, tienen como objetivo principal suministrar aire fresco y denso al motor para optimizar su rendimiento. En los hot rods, estas tomas suelen ser grandes y visibles, mejorando la entrada de aire en motores modificados con supercargadores o turboalimentadores, además de contribuir al enfriamiento del motor. Por otro lado, en los autos de Fórmula 1, las tomas de aire son pequeñas y aerodinámicas, ubicadas estratégicamente para maximizar la eficiencia de la combustión y reducir la temperatura del aire antes de que entre al motor. Este diseño también ayuda a mejorar la aerodinámica y el rendimiento del vehículo en altas velocidades y en curvas.

En los jets de combate, las tomas de aire son mucho más grandes y ubicadas en la parte delantera del avión, garantizando que los motores reciban suficiente aire para la propulsión a chorro a altas velocidades. Estas tomas son cruciales para el funcionamiento de los turbojets y turbofans, permitiendo la máxima eficiencia aerodinámica y reduciendo la resistencia al aire. A diferencia de los vehículos terrestres, en los jets, la capacidad de las tomas de aire es fundamental para asegurar un flujo de aire constante, incluso a velocidades supersónicas, lo que garantiza el rendimiento del motor y la estabilidad del avión durante maniobras extremas.

Referencias.

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