COMBUSTÃO COMBUSTÍVEL + COMBURENTE (O2)

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1 SECRETARIA DE SEGURANÇA PÚBLICA/SECRETARIA DE EDUCAÇÃO POLÍCIA MILITAR DO ESTADO DE GOIÁS COMANDO DE ENSINO POLICIAL MILITAR COLÉGIO DA POLÍCIA MILITAR SARGENTO NADER ALVES DOS SANTOS SÉRIE/ANO: 3º TURMA(S): A, B, C, D DISCIPLINA: QUÍMICA SMA PROFESSOR (A): ALINY INOCÊNCIO ALUNO (A): Nº COMBUSTÃO DATA: 02 /03 / 2016 M A T E R I A L D E E S T U D O Principais fontes de energia 1. Forças da natureza: gravidade em quedas de água; 2. Energia nuclear: liberada de reações nucleares; 3.Combustíveis: energia obtida a partir de reações de combustão. Matriz Energética PROCESSO DA COMBUSTÃO Combustão: é uma reação de óxido-redução (em altas temperaturas). COMBUSTÍVEL + COMBURENTE (O2) REDUTOR OXIDANTE Reações de combustão convertem a energia potencial de um combustível em energia térmica útil, que se manifesta sob vários tipos de atividades e radiação. Ex.: calor.

2 Geralmente, essas reações ocorrem entre materiais carbonáceos e o oxigênio do ar. Como a reação é exotérmica, o processo se torna auto-ativante até a extinção completa do combustível. ESTUDO TÉRMICO DA COMBUSTÃO Principais objetivos da combustão de combustíveis carbonáceos: Geração de vapor de água; Aquecimento de fornos ou outros espaços; Produção de trabalho por meio de motor de combustão interna ou turbina a gás. Na combustão pode-se obter a quantidade máxima de calor útil: Assegurando-se que a combustão do combustível seja completa; Utilizando quantidade mínima de ar em excesso para a finalidade. Problemas da prática da combustão: Fazer com que o combustível e o ar necessário para a combustão estejam em mistura íntima; Se o combustível for gasoso, essa dificuldade é pequena, o gás e o ar podem ser misturados antes que entrem na câmara de combustão; A combustão mais difícil apresenta-se quando o combustível é sólido. PROCESSO DA COMBUSTÃO Componentes do sistema de combustão Definição dos componentes do sistema de combustão Combustíveis: substâncias que podem ser queimadas facilmente ao ar atmosférico, com desprendimento de grande quantidade de calor. Composição: carbono (C), hidrogênio (H), oxigênio (O), nitrogênio (N) e enxofre (S) são elementos químicos que compõem a maioria dos combustíveis.

3 Comburente: substância à custa da qual se dá a combustão. Essa substância é o oxigênio. Fonte: naturalmente, o ar atmosférico. Composição do ar atmosférico (%) Gases residuais ou fumos: substâncias gasosas, como CO2, SO2, CO que se desprendem junto com o vapor d água (H2O), durante a combustão. O conhecimento da composição dos gases residuais (especialmente CO2) é de grande importância no controle da combustão. Cinzas: resíduos sólidos da combustão de um combustível sólido. As cinzas de um carvão mineral são materiais inorgânicos (silicatos de Al, piritas de Fe, carbonatos de Ca e Mg) e podem ser intrínsecas ou acidentais. Após a combustão do carvão, as cinzas transformam-se em óxidos. O teor de cinzas é determinado efetuando-se a combustão completa de uma amostra do combustível. As reações mais importantes no processo da combustão são: C(grafite) + O2 CO2 + 94,03 kcal/mol H2(g) + ½O2 H2O(v) + 57,80 kcal/mol H2(g) + ½O2 H2O(l) + 68,32 kcal/mol S(s) + O2 SO2(g) + 72,0 kcal/mol S(s) + 1,5O2 SO3(g) + 105,5 kcal/mol

4 Reações importantes: Se houver falta de O2 para a combustão completa do carbono, ocorrerá também a seguinte reação endotérmica: C(grafite) + CO2 2CO - 40,79 kcal/mol O que significa perda de combustível sob a forma de CO, o qual também pode ser queimado, liberando calor: CO (gás) + ½O2 CO2 + 69,91 kcal/mol Tipos de combustão 1. Incompleta: realiza-se com uma quantidade de oxigênio inferior à estequiométrica para oxidar completamente o combustível; 2. Teoricamente completa: realiza-se com a quantidade estequiométrica de oxigênio para oxidar completamente a matéria combustível; 3. Praticamente completa: realiza-se com uma quantidade de oxigênio maior do que a estequiometricamente necessária para oxidar a matéria combustível. Cálculos estequiométricos da combustão (1) H2 + ½O2 H2O (2) C + ½O2 CO (3) CO + ½O2 CO2 Definição de oxigênio teórico Quantidade de oxigênio necessária para oxidar completamente a matéria combustível. A quantidade de oxigênio teórico pode ser expressa por: O2 teórico = O2 para combustão completa - O2 do combustível Definição de ar teórico Quantidade de ar que contenha a quantidade de oxigênio teórico. Como o teor de O 2 no ar é de 21 % (vol. ou mol), a quantidade de ar teórico pode ser determinada pela proporção:

5 100 L (moles) ar 21 L (moles) O2 V (ou n) ar teórico V (ou n) O2 teórico V(ar. teórico)= V(O2. teórico) n (ar. teórico) = n(o2. teórico) 0,21 0,21 Definição de ar real Quantidade de ar maior do que a teoricamente necessária, de forma a garantir combustão completa. Ar real = Ar teórico + Ar em excesso Necessidade do ar em excesso: 1. Facilitar o contato íntimo entre o ar e o combustível na câmara de combustão. 2. Reações de combustão são reações de equilíbrio químico e o aumento de temperatura desloca o equilíbrio para a esquerda (endotérmica). O uso de excesso de ar desloca o equilíbrio para a direita (favorecendo o processo de combustão). A porcentagem correta ou ótima de ar em excesso depende do tipo de combustível, da construção da instalação e das condições de operação. Estimativa de acordo com o estado físico do combustível: 1. Combustíveis gasosos: 5-30% ar em excesso. 2. Combustíveis líquidos: 20-40% ar em excesso. 3. Combustíveis sólidos: % ar em excesso. 4 TEMPOS

6 A combustão é considerada uma reação de oxirredução que ocorre na presença do oxigênio. Todos os compostos orgânicos sofrem a combustão completa, resultando em gás carbônico e água. Em outros casos pode-se formar um terceiro composto. CH CO2 + 2H2O metano C2H5OH + 3O2 2CO2 + 3H2O etanol Combustibilidade: é a propriedade que um composto tem de se queimar. A maioria das substâncias que sofrem combustão é de origem orgânica. É por isso que dizemos que compostos orgânicos são ótimos combustíveis. Exemplos: - O gás que utilizamos na cozinha (GLP) é composto por hidrocarbonetos, portanto é orgânico. - O álcool combustível dos automóveis - etanol de fórmula (CH3CH2OH) - é de origem orgânica. Temperatura de fusão e de ebulição À temperatura ambiente, os compostos orgânicos se encontram nos três estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Isso prova que seus pontos de fusão e ebulição são menores do que em substâncias de origem inorgânica, uma vez que a maioria dos compostos inorgânicos se encontra no estado sólido. Compostos de origem orgânica apresentam interações intermoleculares mais fracas e por isso têm temperatura de ebulição e fusão mais baixas. Exemplos: - Gás butano (C4H10): o gás usado em isqueiros tem temperaturas de fusão (-138 C) e ebulição (0 C) baixas. - Etanol: líquido combustível com temperatura de fusão (-117 C) e ebulição (78,3 C). Compare agora esses valores com a temperatura de fusão (T.F) e ebulição (T.E.) de um composto inorgânico sólido, o sal de cozinha (Cloreto de Sódio -NaCl). T. F do sal: 801 C T.E. do sal: 1413 C Como vemos, o sal inorgânico usado em nossa alimentação possui temperaturas de fusão e ebulição bem acima da T.F e T.E. dos compostos orgânicos. Solubilidade em água Essa propriedade se relaciona com a polaridade da molécula orgânica. Compostos orgânicos apolares: são praticamente todos insolúveis em água. Seguindo a regra: Semelhante dissolve semelhante, vemos a razão. Como a água é polar, ela não dissolve compostos apolares como gasolina, querosene, óleo diesel, etc.

7 Compostos orgânicos polares: esses podem ser dissolvidos na água. Exemplos: açúcar, álcool comum, acetona etc. A combustão dos alcanos Os alcanos queimam com muita facilidade. Quando acendemos um isqueiro comum (a gás butano, C4H10), a faísca provoca a reação do butano com o oxigênio do ar, resultando a chama característica: 2 C4H O2 8 CO H2O + calor Reações semelhantes ocorrem quando acendemos um fogão a gás, quando queimamos gasolina para movimentar um automóvel, diesel para movimentar ônibus e caminhões etc. Note que, nesses casos, o produto principal que desejamos é o calor, isto é, a energia produzida pela reação. A reação de combustão é uma reação de oxirredução, na qual o alcano é o redutor (aqui chamado de combustível) e oxigênio do ar é oxidante (chamado de comburente). Provocada por uma chama ou faísca (que fornece a energia de ativação), a combustão é fácil, rápida e, ás vezes, violentamente explosiva. Essa facilidade é, em parte, justificada pela quantidade elevada de energia liberada na reação fortemente isotérmica. Por exemplo: 2 C4H O2 8 CO H2O ,3 kj/mol É interessante notar o que acontece quando, na mistura do alcano com o oxigênio (ou com o ar), começa a escassear a quantidade de oxigênio (ou de ar). Acompanhe os três exemplos abaixo: I. 2 C4H O2 8 CO H2O II. 2 C4H O2 8 CO + 10 H2O III. 2 C4H O2 8 C + 10 H2O Note que, de I para III, houve diminuição da quantidade de oxigênio consumido pela reação (13>9>5). Dizemos, por isso, que I é uma combustão total ou completa e produz CO2; já II e III são combustões parciais ou incompletas e produzem CO e C, respectivamente. Em um automóvel com o motor bem regulado, deve haver combustão total, com produção apenas de CO2. Quando o motor está desregulado (com entrada insuficiente de ar), a combustão tende a ser parcial, produzindo CO que é altamente tóxico e já causou muitas mortes em garagens mal ventiladas (o mesmo ocorre em banheiros fechados com aquecedores a gás). Em casos extremos, como acontece com ônibus e caminhões, a combustão é tão incompleta que o carbono formado torna-se visível ao sair pelo escapamento, sob forma de fumaça escura (fuligem). Por outro lado, devemos ressaltar que, em fábricas especializadas, a combustão parcial de alcanos é provocada intencionalmente, visando à produção de carbono, pois o carvão finamente dividido (conhecido como negro de fumo) é importante na fabricação de certas tintas, graxa para sapatos etc., e na composição da borracha para fabricação de pneus.