4.1: Madera

4.1 Madera

Historia de la quema de madera

La madera se ha utilizado como fuente de energía durante miles de años (el primer uso conocido del fuego se determinó cuando los arqueólogos hicieron descubrimientos de humanos que vivían hace 400 mil años), y la madera era la fuente obvia para hacer fuego. En las Américas, en 1637, la gente de Boston sufrió la escasez de madera. Se convirtió en la primera crisis energética de Estados Unidos después de menos de un siglo de asentamiento. A finales de 1700, Benjamin Franklin inventó una estufa de hierro fundido para uso en interiores. Se mantuvo el calor en la habitación después de que se quemó el fuego. No obstante, tenía un defecto de diseño en el sentido de que no tenía forma de tirar de aire, por lo que los incendios se apagaron rápidamente. Por lo que David R. Rittenhouse agregó una chimenea y un tubo de escape para mejorarlo.

Leña Ardiente

Primero, veremos dónde se almacena la energía en los materiales, comenzando por la molécula de metano. La combustión del metano es exotérmica (libera calor a medida que avanza la reacción), pero la reacción debe iniciarse antes de que se sostenga con la disponibilidad continua de metano y oxígeno. La siguiente fórmula muestra la reacción en un formato estequiométrico:

CH4+4O ₂ →CO ₂ +H ₂ O (¡más calor!)

La Figura 4.1 muestra los mismos reactivos y productos, pero con los enlaces antes de la reacción y después de la reacción, a nivel molecular/atómico. El número de átomos en cada molécula no cambia, pero la forma en que están dispuestos y conectados sí. El único cambio real es cómo se unen los átomos, estos son los enlaces químicos. Dado que ENERGY sale de un sistema de combustión, entonces debe significar que se almacena más energía en 4 enlaces C-H y 2 enlaces O-O que en 4 enlaces H-O y dos enlaces C-O. La ENERGÍA liberada durante la combustión química proviene de ENERGÍA almacenada en enlaces químicos de combustible y oxígeno.

Figura 4.1:1 reacción de metano y 2 oxígeno mostrando conexiones de enlace antes y después de la reacción de combustión.

Haga clic aquí para obtener una descripción de texto de lo que está ocurriendo en la reacción

Reactivos: El metano reaccionará con dos moléculas de oxígeno. Todos los cuatro hidrógenos del metano están conectados a un solo átomo de carbono por 4 enlaces simples. Las moléculas de oxígeno son cada una dos átomos de oxígeno conectados por un doble enlace.

Durante la combustión, los átomos se reorganizan y forman nuevos enlaces.

Productos: El átomo de carbono se conecta a 2 átomos de oxígeno con un doble enlace entre el carbono y cada oxígeno para producir una molécula de dióxido de carbono. Adicionalmente, cada uno de los otros átomos de oxígeno restantes forma 2 enlaces simples a 2 de los átomos de hidrógeno restantes para formar una molécula de agua. Los productos netos de la reacción son 1 molécula de CO2 y moléculas de 2H2O.

Ahora conocemos la química de reacción de la combustión del metano, pero la madera es un material mucho más complejo que el metano. La madera contiene hasta un 50% de agua. El agua en la madera reducirá el valor calorífico de la madera, y si la madera está muy húmeda, provocará un fuego ahumado. Los componentes principales de la madera (lo cubriremos con más profundidad en una lección posterior) son la celulosa (de qué está hecho el papel) y la lignina (la parte de un árbol que lo hace tener una estructura robusta). Para iniciar un incendio, normalmente debes encender un material que se quema fácilmente para comenzar a calentar la madera (esto puede ser periódico o un “iniciador de fuego”). Los componentes comienzan a descomponerse del calor (por lo tanto, no estamos técnicamente “quemando” todavía), lo que produce vapores y carbón vegetal. Los vapores se llaman “volátiles” y el carbón se compone de carbono y ceniza. Los volátiles son lo que en realidad comienza a arder, produciendo una llama. El carbón rico en carbono produce brasas resplandecientes o “carbones”, que son necesarios para mantener el fuego sostenido. La madera no suele contener azufre, por lo que no se producen óxidos de azufre (o SOx).

Puede haber problemas con la quema de madera. El humo proviene de partículas que no ardieron o solo parcialmente quemadas que pueden contaminar la atmósfera, y por lo general provienen de resinas en los árboles. No es un problema cuando una o dos personas están quemando leña, sino cuando miles de personas queman leña en chimeneas. En State College, Pensilvania, en invierno, se puede ver humo en el aire desde las chimeneas. Los fuegos de leña en las chimeneas también pueden depositar hollín y creosota en las chimeneas, que si no se limpian periódicamente, pueden encenderse. La quema de madera (o realmente la mayoría de las cosas) producirá un material de ceniza (minerales en la madera y carbón que reaccionan con el aire en condiciones de combustión); la ceniza debe desecharse. El humo de la madera también contiene una variedad de productos químicos que pueden ser cancerígenos.

Ahora comencemos a discutir diferentes fuentes de biomasa, cómo medimos diferentes propiedades de diferentes biomasas y cómo determinar la composición atómica de la biomasa.