Como estudiante de cálculo y física de la escuela secundaria interesado en la ingeniería aeroespacial, estaba tratando de comprender los conceptos básicos de cómo funciona un cohete y no pude encontrar una ecuación o ningún análisis en línea sobre la cantidad de energía liberada por el combustible, una vez quemado, se convierte en calor versus cuánto impulsa el gas hacia adelante y presuriza la cámara de combustión, y viendo cómo esos valores son esenciales para calcular el empuje (presión total y temperatura total), me he perdido tratando de encontrar cómo calcular estos valores. Es posible que esté entendiendo cómo funciona mal la combustión, pero no he podido encontrar nada que me haya ayudado a aprender cómo calcular estas cosas teóricamente en lugar de experimentalmente. ¡Cualquier ayuda es muy apreciada!
Sutton, 4ª edición, página 7:
La energía de una reacción de combustión a alta presión de sustancias químicas propulsoras, generalmente un combustible y una sustancia química oxidante, permite el calentamiento de los gases producto de la reacción a temperaturas muy altas (4500 a 7500 grados F). Estos gases posteriormente se expanden en una tobera y se aceleran a alta velocidad.
Entonces no es "calor versus lo que impulsa el gas hacia adelante". El calor es lo que impulsa el gas hacia adelante y presuriza la cámara de combustión.
Básicamente, está preguntando cómo calcular las condiciones de la cámara de combustión y esa es una respuesta larga, probablemente no adecuada para Stack Exchange. En su lugar, le sugiero que eche un vistazo a la versión de Sutton disponible en línea , aunque a juicio de muchas personas es inferior a las ediciones anteriores, los conceptos básicos están ahí. Estudie eso y luego regrese con preguntas específicas.
Aquí está el panorama general de cómo hacerlo de la cuarta edición (página 181):
Las condiciones de la cámara de combustión (como la temperatura de la cámara y la composición del gas) se pueden calcular utilizando las condiciones de balance de masa (-), el balance de presión (-), varias condiciones de equilibrio químico (-) y el balance de energía (-), y resolviendo simultáneamente estas ecuaciones... Las incógnitas en estas ecuaciones son la temperatura de la cámara T c y las fracciones molares n j de cada uno de los constituyentes β en los gases del producto de reacción; por tanto, el número de ecuaciones independientes debe ser igual a β+1.
(-) Eliminé la referencia a la ecuación aquí porque es irrelevante y no se aplica al libro disponible en línea.
editar: la respuesta Physics SE de @ JohnRennie hace un trabajo mucho mejor al explicar esto que yo; después de leer esto, leer eso sería tiempo bien invertido, como lo es el tiempo invertido en leer cualquiera de sus respuestas.
La respuesta de @OrganicMarble es excelente y le brinda un recurso para seguir leyendo. Agregaré una respuesta que podría ser útil intuitivamente.
La expansión de los gases generalmente conduce al enfriamiento. Lo sabemos por la Ley de los Gases Ideales y por el hecho de que los refrigeradores y acondicionadores de aire funcionan.
Entonces, ¿qué sucede con la energía cinética de todas las moléculas de gas cuando el gas se enfría?
Si revienta un globo en el vacío , el gas se enfría y la energía cinética asociada con la temperatura original permanece presente, pero cambia de energía térmica a energía cinética de la expansión radial dirigida.
La expansión proporciona una dirección preferida para el movimiento molecular. En lugar de un movimiento completamente aleatorio, los átomos se mueven preferentemente en la dirección de expansión . La temperatura es una medida del movimiento aleatorio, por lo que la energía cinética de cualquier movimiento ordenado de una región de gas ya no contribuye a la energía térmica ni a la temperatura.
En última instancia, la energía cinética en una expansión contenida como un refrigerador, un acondicionador de aire o un cilindro de un motor de combustión realiza un trabajo mecánico en la celda de expansión. Esta respuesta podría ser útil para leer en este punto.
El globo reventado en el vacío es una analogía útil de lo que sucede en la tobera de un cohete. La expansión controlada y optimizada convierte el movimiento aleatorio del gas caliente en el movimiento dirigido del escape que se mueve hacia atrás.
Rikki-Tikki-Tavi
steve linton