Reações químicas e combustão

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Leonardo Antas Azambuja
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1 Reações químicas e combustão

2 Introdução Reações químicas: Relacionam componentes antes e depois da reação Diversas aplicações termodinâmicas Aplicação de princípios termod. => considerar mudanças composição Combustão: Reação química combustível + oxigênio (ou ar) Rápida liberação de energia Comum em diversas aplicações Motores ICE, ICO, turbinas a gás, etc.

=> considerar mudanças composição Combustão: Reação química combustível + oxigênio

3 Estequiometria Reação química Moléculas são quebradas e átomos e elétrons reagem Equação da reação química Relaciona componentes antes e depois do processo Reagentes -> produtos No. de átomos de cada elemento deve se conservar Massa total deve se conservar No. de moles das moléculas não se conserva Ex.:

4 Estequiometria = = = coef. Eq. Reação da molécula i = peso molecular da molécula (tabelado) Coeficiente estequiométrico Coef. que precede cada molécula na eq. esteq. Deve balancear corretamente o no. de átomos de cada elemento

5 Eq. Esteq. para a combustão Rápida oxidação dos elementos dos combustíveis Combustível reage com oxigênio puro ou comburente Comburente: substância contendo oxigênio Combustível: Hidrogênio, Oxigênio e Enxofre são os elementos mais comuns Ex:,, ", (gasolina, metano, diesel e propano) OBS: enxofre não contribui para lib. energia Forma produtos Libera energia Combustão completa Produtos dão,, # (se for o caso) Não inclui,,, ou

comburente Comburente: substância contendo oxigênio Combustível: Hidrogênio, Oxigênio e Enxofre são os

6 Em geral: Eq. Esteq. para a combustão Combustão não ocorre com oxigênio puro Ar é comburente Para este curso: ar = 21% e 79% $ % &' % (' = )* =3,76 = - ('.,)"- &',)" EX.: +5 +3,76$ ,8$ =28,

7 Eq. Esteq. para a combustão Ar teórico ou estequimétrico: Quantidade mínima para combustão completa Na prática, se fornece mais ar que o teórico Para ter combustão completa Devido à inércia química Moléculas do combust. têm que se quebrar Nitrogênio do ar atrapalha AC (razão ar-combustível) AC = m m ar comb 7(razão ar-combustível base molar) AC = n n ar comb

Na prática, se fornece mais ar que o teórico Para ter combustão completa Devido à inércia

8 Eq. Esteq. para a combustão Relação entre 7 e AC AC = M M ar comb AC Relação de ar teórico λ = ( AC) ( AC) est

9 balanço de massa na combustão (estequiometria) Outras simbologias comumente utilizadas F = A φ = m m fuel ar ( F A) ( F est A = F λ = m m ar fuel ( A F) ( A est α = n n ar fuel est = estequiométrico Misturas pobres em combustível e ricas em ar φ < 1 λ > 1 misturas estequiométricas φ = 1 λ = 1 misturas ricas em combustível e pobres em ar φ > 1 λ < 1

fuel est = estequiométrico Misturas pobres em combustível e ricas em ar φ < 1 λ > 1

10 Equação básica de balanço estequiométrico para uma reação de combustão, com um único combustível: C H O N + α( 0, 21O + 0, 79N ) = aco + bh O + co + dn x y z w Resolvendo a equação de balanço, para cada espécie química, para combustão com excesso de ar, resulta: Produtos CO 2 λ 1 φ 1 a = H 2 O b = y / 2 x A = F n α = n m m ar comb ar comb = A M F M comb ar O 2 N 2 c = x y/ 4 + z/ 2 + 0, 21α d = w / 2 + 0,79α

cada espécie química, para combustão com excesso de ar, resulta: Produtos CO 2 λ 1 φ 1 a = H 2 O b = y /

11 Estequiometria :exemplos Combustão de Octano C 8 H 18 + a O 2 + bn 2 = c CO 2 + d H 2 O + e N 2 C 8 = c Relação ar - combustível O 2 a = c + d 2 AC m oles = a + b 1 N 2 b = e M ar = MolarMass (Air) ar b = 3,76 a H 2 18 = d 2 Solução: a=12,5 b=47 c=8 d=9 e=47 AC m as s a = AC m oles M_ar=28,97 M_octano=114 AC_massa=15,12 AC_moles=59,5 M ar M oc tano

M ar = MolarMass (Air) ar b = 3,76 a H 2 18 = d 2 Solução: a=12,5 b=47 c=8 d=9 e=47 AC

12 Entalpia de formação Combustão Variação compos. Química VC => mistura sai diferente mistura entra SF => mistura início diferente mistura fim É necessário padrão de referência T ref = 25 C e P ref = 1atm Neste estado, h=0 para moléculas estáveis Entalpia de formação: Energia liberada ou absorvida quando uma molécula é formada no estado de ref. padrão

mistura fim É necessário padrão de referência T ref = 25 C e P ref = 1atm Neste estado,

13 = = -393,52kJ/kmol

14 Entalpia a T e P QQ. Ou seja: formação a T ref e P ref + desvio do estado de ref. Padrão é tabelado pode ser avaliado de tabelas de vapor, tabelas de gases ideais ou :

15 1ª lei para sistemas reagentes Sistemas Abertos (VC) Considere um VC onde: R.P P.U.F. ΔKE = ΔPE = 0 Há combustão

16 1ª lei para sistemas reagentes Sistemas Fechados (SF)

17 Entalpia de combustão É a variação de entalpia quando um componente sofre combustão completa a T e P constantes h rp pode ser determinada: Pela eq. Acima Por calorímetros (= ;</><)

18 Poder Calorífico PCS = entalpia de combustão se produtos contêm água na fase líquida PCI = entalpia de combustão se produtos contêm água na fase gasosa PCS-PCI = h lg = energia necessária para vaporizar a água nas condições padrão Valores de PCI e PCS são tabelados para combustíveis

fase gasosa PCS-PCI = h lg = energia necessária para vaporizar a água

19 Temperatura adiabática da chama T ad : Máxima temperatura Processo de comb. Adiabático com W=0 e ΔKE=ΔPE=0 Maior energia liberada MáxT ad ocorre com AC estequiométrico QQ. Efeito que ocorra diminuirá T produtos T ad é obtida da primeira lei:

20 Variação de entropia em sistemas reagentes Reação química => implicações na 2ª Lei Uma referência comum deve ser utilizada Entropia absoluta: relativa a uma referência Tabelas fornecem valor de? a T ref = 298,15K e P ref = 1atm Tabelas dão valor de? :,@ A =? B : A E, se for gás ideal

relativa a uma referência Tabelas fornecem valor de?

21 2ª Lei para sistemas reagentes Para VC Para SF ( ) ( ) c gen S C c R P n S n T Q P T ns P T ns & & & & + =.. ), ( ), (

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