Definición, utilidad y medida del poder calorífico de un gas

Hoy día muchos hogares e industrias utilizan gas natural. Este gas está en continuo crecimiento mundial  y se espera que siga creciendo más en las próximas décadas. Para utilizar gas natural se emplea un parámetro muy importante en el mundo de la química. Se trata del poder calorífico. Este es el parámetro que se emplea para determinar la calidad que tiene el gas natural. Gracias a ello, se puede reducir el coste de gas requerido para una determinada acción y, por ende, de su coste económico.

Sin embargo, ¿qué es el poder calorífico? En este post podrás conocer todo acerca del poder calorífico, solo tienes que seguir leyendo 🙂

Definición de poder calorífico

El poder calorífico de un gas es la cantidad de energía por unidad de masa o volumen que se desprende al producirse la oxidación por completo. Esta oxidación no es la conocida del hierro. Es muy común cuando se oye algo de química pensar en la oxidación como tal. La oxidación es un concepto que se refiere a la pérdida de electrones de una sustancia. Cuando esto ocurre, su carga positiva aumenta y se dice que se oxida. Esta oxidación mencionada tiene lugar en un proceso de combustión.

Cuando quemamos gas natural obtenemos energía para crear electricidad, calentar agua, etc. Por ello, es importante conocer la cantidad de energía que es capaz de generar el gas por unidad de masa o volumen para determinar su calidad. Conforme mayor sea su poder calorífico, menos cantidad de gas utilizaremos. En ello reside la importancia de la calidad de un gas en relación de los costos económicos.

Para medir el poder calorífico se emplean varias unidades de medidas. Tanto para masa como por volumen se utilizan los kilojoules y las kilocalorías. Al igual que en los alimentos, aquí en los gases también existen kilocalorías. No es más que energía liberada durante un proceso de oxidación. Cuando se habla de masa se calcula en kilojoule por kilo (kJ/Kg)  o kilocaloría por kilo (kcal/kg). Si nos referimos a volumen, hablaremos de kilojoule por metro cúbico (kJ/m3) o kilocaloría por metro cúbico (kcal/m3).

Poder calorífico superior o inferior

Cuando hablamos teóricamente, el poder calorífico de un gas es único y constante. Sin embargo, a la hora de llevarlo a la práctica nos podemos encontrar con otras dos definiciones. Una hace referencia al poder calorífico superior y otra al inferior. El primero considera que el vapor de agua que se genera durante el proceso de la combustión está condensado totalmente. Esto hace que se tenga en cuenta el calor que se genera por el gas en el cambio de fase.

Suponiendo que todos los elementos que intervienen en la combustión son tomados a cero grados. Para que se lleve a cabo la combustión tiene que haber aire y ese aire también aporta energía. Por ello, si tanto los reactivos como los productos que participan en la combustión son llevados a cero grados antes y después, el vapor de agua se encontrará totalmente condensado. Ese vapor de agua proviene de la humedad propia del combustible y de la que se forma al oxidarse el hidrógeno del combustible.

Por otro lado, el poder calorífico inferior no tiene en cuenta la energía que se libera por el cambio de fase del gas. Considera que el vapor de agua que hay contenido en los gases no condensa. Al no cambiar de fase, no libera energía y no hay aporte adicional. En esta situación, sólo hay aporte de energía por la oxidación del combustible.

Uso industrial

A la hora de enfrentarse a la realidad en las industrias de producción de energía, el poder calorífico inferior es el que tiene mayor interés. Esto se debe a que los gases de combustión suelen encontrarse a una temperatura superior a la de condensación del vapor de agua. Por ello, no se tiene en cuenta la energía por el cambio de fase del gas.

Al representar la energía que es capaz de liberar el gas durante su oxidación, podremos conocer también la calidad de dicho gas. Mientras más poder calorífico tenga un gas, menos cantidad necesitaremos. En la industria es muy importante tener en cuenta estos factores. Mientras mayor calidad tenga el gas, menos costes de producción tendrán. Mientras más estable sea el poder calorífico de un gas, más barato será el costo de las operaciones.

Las medidas y control que se llevan a cabo sobre estas operaciones depende enteramente de qué tipo de empresa lo haga. Sin embargo, sea cual sea la empresa (de gas natural, de yacimiento, pozo o biogás) controlan exhaustivamente este parámetro. Es muy utilizado también en industrias como la metalúrgica, fábricas de vidrio, en cementeras, refinerías, generadoras de energía y petroquímicas.

Mediciones analíticas

Hemos comentado que el poder calorífico es un parámetro muy importante y que las industrias tienen métodos para medirlo y controlarlo. Existen diversos métodos para determinar el poder calorífico que posee un gas. El más antiguo y conocido es el de la bomba calorimétrica.

Este método consiste en introducir un gas en un recipiente herméticamente cerrado y de volumen constante. El recipiente debe estar aislado del resto de materiales o de posibles alteraciones en la medida. Una vez introducido el gas, se emplea una chispa para la ignición del gas. Se coloca un termómetro para la medida de la temperatura. Con este cambio en el valor de la temperatura vamos a medir el calor liberado por la reacción de oxidación.

Aunque este método es muy exacto, acaba terminando por consumir todo el gas en la combustión. Además, es considerado un método de medida discontinuo.  Por ello, este método no se emplea en las industrias consumidoras de gas a gran escala.

La medición continua de este gas se realiza mediante cromatografías de gas en línea. Esto consiste en separar los componentes de la muestra de gas dentro de una columna cromatógrafica. Normalmente es un tubo capilar en el que se encuentra una fase estacionaria e introducimos el gas, que es la fase móvil. Los componentes del gas son retenidos por adsorción de la fase estacionaria, variando su tiempo de elución dependiendo del peso molecular que tenga. A menor peso molecular, menos tiempo de elución, y viceversa. Cuando los gases salen de la columna, se encuentran con un detector selectivo de hidrocarburos. Funcionan por conductividad térmica.

Cuando se analiza los resultados, se obtiene un cromatograma. Esto no es más que un gráfico donde se indica qué porcentaje de cada hidrocarburo se encuentra en el gas que hemos analizado. Con esta información se puede calcular posteriormente el poder calorífico.

Ya conocéis algo más sobre el poder calorífico y la importancia que tiene a la hora de generar gas natural u otros gases.

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