Thermodynamik im Maschinenbau, Teil IV, Stöchiometrie

Letzte Woche haben wir über einen Bereich der Thermodynamik gesprochen, der sich auf Kühlkreisläufe bezieht, wie am Beispiel einer Klimaanlage dargestellt. Diese Woche lernen wir die Stöchiometrie kennen, die sich mit der Mathematik hinter chemischen Reaktionen befasst, wie sie beispielsweise beim Verbrennen von Brennstoffen stattfinden.

Während des Verbrennungsprozesses wird Wärmeenergie aus einem Kraftstoff freigesetzt, wenn sich die Kraftstoffelemente im Kraftstoff mit Sauerstoff verbinden. Dies ist als Rost oder im alltäglichen Sprachgebrauch als Brennen bekannt. Das Wichtigste an der Oxidation ist, dass sie dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik folgt. Das heißt, die Masse kann nicht erzeugt oder zerstört werden. Bei einer chemischen Reaktion wie der Verbrennung ordnen sich die Kraftstoff- und Luftpartikel im Raum neu an und verbinden sich dann zu verschiedenen Substanzen. Trotz der Umlagerung geht jedoch die Masse verloren Innerhalb Die Reaktion muss gleich der nächsten Masse sein draußen. Diese Massenerhaltung ist die Grundlage der Stöchiometrie.

Zum Beispiel, wenn reiner Kohlenstoff (dargestellt durch das chemische Symbol “C”) zu reinem Sauerstoff (O) verbrennt2) können Sie den Verbrennungsprozess wie folgt darstellen:

C + O.2 → CO2

Dies ist eine chemische Abkürzung, um darzustellen, wie sich Kohlenstoff und Sauerstoff während der Verbrennung zu Kohlendioxid (CO) verbinden2). Die Elemente links vom Pfeil sind als “Reaktanten” und die Elemente rechts als “Produkte” bekannt. Bei der Stöchiometrie muss die Masse der Reaktanten der Masse der Produkte entsprechen. Aber wie quantifizieren wir die Masse der Reaktanten und Produkte? Hier wird es etwas komisch.

Um unsere obige chemische Abkürzung zu verwenden, müssen wir etwas betrachten, das Maulwürfe genannt wird. Nein, das sind nicht die kleinen pelzigen Tiere, die unter Ihrem Rasen tunneln und Ihre Tulpenzwiebeln essen. In der Stöchiometrie wird ein Mol als 6,02 × 10 angesehen2. 3 Moleküle einer Substanz. Das sind 602.000.000.000.000.000.000.000 Moleküle!

Nun, wir haben viele Moleküle in einem Maulwurf. Was hat das damit zu tun, herauszufinden, mit wie viel Masse wir im Verbrennungsprozess zu tun haben? Damit Maulwürfe für uns arbeiten können, müssen wir die unterschiedlichen Molekulargewichte von Substanzen berücksichtigen. Das Molekulargewicht ist die Anzahl der Gramm (g) Masse, die ein Mol einer Substanz enthält, wie das Element Kohlenstoff in unserem vorherigen Beispiel. Um die Stöchiometrie praktikabler zu machen, erstellten die Wissenschaftler eine Tabelle, in der das Molekulargewicht aller bekannten chemischen Elemente angegeben ist. Dieses System wird als Periodensystem der Elemente oder kurz “Periodensystem” bezeichnet.

Zurück zu unserem vorherigen Beispiel: Wenn wir aus dem Periodensystem wissen, dass Kohlenstoff ein Molekulargewicht von 12 g pro Mol und Sauerstoff ein Molekulargewicht von 16 g pro Mol hat, wie viele Gramm Kohlendioxid erhalten wir dann? Kohlenstoff in reinen Sauerstoff verbrennen? Der Verbrennungsprozess kann durch folgende Gleichung dargestellt werden:

C + O.2 → CO2

(12 g / mol) × (1 Mol Kohlenstoff) + (16 g / Mol) × (2 Mol Sauerstoff)

= 44 g Kohlendioxid

Dies ist ein ziemlich einfaches Beispiel für die Funktionsweise der Stöchiometrie. In Wirklichkeit können die Dinge viel komplizierter werden. In einem Kraftwerk enthalten beispielsweise Brennstoffe wie Kohle neben Kohlenstoff auch Substanzen wie Wasserstoff und Schwefel und müssen ebenfalls in das stöchiometrische Abrechnungssystem einbezogen werden.

Um die Sache noch weiter zu verkomplizieren, werden Kraftstoffe normalerweise an der Luft und nicht an reinem Sauerstoff verbrannt. Luft enthält auch andere Substanzen als Sauerstoff wie Stickstoff-, Argon- und Wassermoleküle. Das Vorhandensein dieser anderen Substanzen in Kraftstoff und Luft erschwert die Berücksichtigung des Verbrennungsprozesses, da sie sich alle vermischen und in allen Arten von Prozessen kombiniert werden können. andere Substanzen Trotz dieser komplizierten Faktoren muss der erste Hauptsatz der Thermodynamik eingehalten werden, damit der Spagat gleich bleibt: Die Masse der Reaktanten muss der Masse der Produkte entsprechen.

Sobald Maschinenbauingenieure mithilfe der Stöchiometrie herausfinden, was in den Verbrennungsprozess ein- und ausgeht, können sie anhand der Daten, die durch chemische Analyse des Kraftstoffs bereitgestellt werden, die freigesetzte Wärmeenergie berechnen. Sie können auch die Luft berechnen, die für eine ordnungsgemäße Verbrennung erforderlich ist. Auf diese Weise können sie Elemente entwerfen, die in der Lage sind, genügend Kraftstoff und Luft zu liefern, um die Anforderungen an den Wärmeeintrag für eine Vielzahl von Leistungszyklen zu erfüllen, vom Automotor bis zum Kohlekraftwerk, das Ihr Haus mit Strom versorgt.

Nächste Woche werden wir über psychrometrische Analysen sprechen. Nein, das hat nichts mit Psychiatrie zu tun. Die Psychrometrie umfasst die Analyse von Gas- und Dampfgemischen wie Luft und Wasser.

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Maulwurf

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