Termodynamika i chemia - obliczenia produktów spalania

[ADI-mistrzu]

Witam,

Nie jest to treść konkretnego zadania, raczej ćwiczenie dla siebie i próba zrozumienia zjawisk.
Chciałbym spróbować wyliczyć produkty spalania konkretnej substancji, ich ilość, energię jaka się wydzieli oraz temperaturę.
Będę miał także pytanie odnośnie ciśnienia, ale to na końcu.

Stworzyłem sobie założenie, iż mamy proces spalania etanolu z czystym tlenem.
Mamy 10g etanolu i całkowity proces spalania (stechiometryczny), więc muszę wyliczyć ile potrzeba tlenu.
Produktami tego procesu będzie dwutlenek węgla oraz woda:

\(C_2H_5OH + 3O_2 -> 2CO_2 + 3H_2O\)

Z tego możemy wyliczyć potrzebne masy do przeprowadzenia tego spalania z mas molowych (dodałem masy molowe poszczególnych pierwiastków):

\(46,0675u + 95,997u -> 88,018u + 54,0465u\)

Czyli mamy 142,0645mol sumarycznie.
Wynika z tego, iż etanol stanowi ~32.43% masy całego procesu zaś tlen ~67.57%.
Oznacza to, iż cała masa wejściowa to ~30.84g (10g/32.43%), czyli potrzebujemy 20.84g tlenu (30.84g - 10g etanolu).

Z reakcji spalania otrzymamy następujące ilości (policzyłem ze stosunku mas molowych CO2 oraz H2O zakładając iż masa spalin jest identyczna jak masa wejściowa).

CO2 -> 61,95% -> ~19,10g
H2O -> 38,05% -> ~11,74g

Aby wiedzieć o ile podniesie się temperatura produktów spalania po dostarczeniu energii, muszę znać ich wypadkowe ciepło właściwe. Na wstępie ciepło właściwe uwzględniam dla temperatury 1000*C (~1200*K)

CO2 -> 1,290 kJ/kg*K (źródło https://www.engineeringtoolbox.com/carb ... d_974.html)
H2O -> 2,599 kJ/kg*K (źródło https://www.engineeringtoolbox.com/wate ... d_979.html)

Czyli ciepło właściwe spalin:

\(Cp = 1,290\frac{kJ}{kg*K} * 61,95\% + 2,599\frac{kJ}{kg*K} * 38,05\% = 799,1\frac{J}{kg*K} + 988,9\frac{J}{kg*K} = 1,788\frac{kJ}{kg*K}\)

Ciepło spalania dla etanolu to 1368,7 kJ/mol, masa molowa etanolu 46,063 g/mol, jeśli mamy 10g etanolu to tym samym ~0,217mol. Czyli:

\(1368,7\frac{kJ}{mol} * 0,217mol = 297,1kJ\)

Tutaj pytanie, czy nie powinno się uwzględniać masy nie tylko paliwa ale i utleniacza? Czyli czy ciepło spalania nie jest wartością paliwo+utleniacz? Czy tylko paliwo?

Czyli temperatura spalin podniesie się o:

\(Ts = \frac{Qp * m_{pamiwo}}{Cp * m_{spaliny}}\)
\(Ts = \frac{297,1kJ}{1,788\frac{J}{g*K} * 30,84g}\)
\(Ts = \frac{297,1kJ}{55,14\frac{J}{K}} = 5388K\)

Tutaj możemy dokonać korekty i uwzględnić ciepło właściwe dla np. 4500*K:
CO2 -> 1,446 kJ/kg*K
H2O -> 3,258 kJ/kg*K
\(Cp = 1,446\frac{kJ}{kg*K} * 61,95\% + 3,258\frac{kJ}{kg*K} * 38,05\% = 2,135\frac{kJ}{kg*K}\)
\(Ts = \frac{297,1kJ}{2,135\frac{J}{g*K} * 30,84g}\)
\(Ts = \frac{297,1kJ}{65,86\frac{J}{K}} = 4511K\)

Oznacza to że temperatura spalin sięgnie około 4500 stopni ? Dobrze to policzyłem?

Jeśli tak, to czy zakładając że użyłem Qp (czyli spalanie przy stałym ciśnieniu) to mogę założyć że ciśnienie spalin jest identyczne jak ciśnienie paliwa, czyli np. 1atm ?

I tutaj kolejne pytanie, mamy paliwo płynne (etanol) oraz gazowe (tlen), jak rozpatrzeć ciśnienie końcowe produktów? W obliczeniach występuje tylko masa bez objętości, więc nawet niema do czego się odwołać.
Można teoretycznie sprawdzić w tablicach gęstość w danej temperaturze, ale to będzie przy np. 1atm ale czy będzie to prawidłowo?

Chodzi o fakt, jak później obliczyć pracę ze spalinami np. przemianę adiabatyczną gdy sprężymy lub rozprężymy gaz, tutaj istotna jest zmiana ciśnienia ale gdy chcemy sprężyć do konkretnej wartości to już musimy znać ciśnienie początkowe.