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Combustão

Combustão ou queima é uma reação química exotérmica entre uma substância (o combustível) e um gás (o comburente), usualmente o oxigênio, para liberar calor. Em uma combustão completa, um combustível reage com um comburente, e como resultado se obtém compostos resultantes da união de ambos, além de energia, sendo que alguns desses compostos são os principais agentes causadores do efeito estufa. De uma forma geral:

CxHy + (x+y/4)O2 → xCO2 + (y/2)H2O

Exemplos:

CH4 + 2 O2CO2 + 2 H2O + calor

CH2S + 6 F2CF4 + 2 HF + SF6 + calor

Índice

[esconder]

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 Combustão lenta

A combustão lenta é uma forma de combustão que acontece à baixas temperaturas. A respiração celulare formação de ferrugem são exemplos de combustões lentas

Combustão completa

Em uma combustão completa, o reagente irá queimar no oxigênio, produzindo um número limitado de produtos. Quando um hidrocarboneto queima no oxigênio, a reação gerará apenas dióxido de carbono e água. Quando elementos como carbono, nitrogênio, enxofre e ferro são queimados, o resultado será os óxidos mais comuns. Carbono irá gerar o dióxido de carbono. Nitrogênio irá gerar o dióxido de nitrogênio. Enxofre irá gerar dióxido de enxofre. Ferro irá gerar óxido de ferro III. A combustão completa é normalmente impossível de atingir, a menos que a reação ocorra em situações cuidadosamente controladas, como, por exemplo, em um laboratório.

 Combustão turbulenta

A combustão turbulenta é caracterizada por fluxos turbulentos. É a mais usada na indústria (ex: turbinas de gás, motores a diesel, etc.) pois a turbulência ajuda o combustível se misturar com o comburente.

Combustão incompleta

Na combustão incompleta não há o suprimento de oxigênio adequado para que ela ocorra de forma completa. O reagente irá queimar em oxigênio, mas poderá produzir inúmeros produtos. Quando um hidrocarboneto queima em oxigênio, a reação gerará dióxido de carbono, monóxido de carbono, água, e vários outros compostos como óxidos de nitrogênio. Também há liberação de átomos de carbono, sob a forma de fuligem. A combustão incompleta é muito mais comum que a completa e produz um grande número de subprodutos. No caso de queima de combustível em automóveis, esses subprodutos podem ser muito prejudiciais à saúde e ao meio ambiente.

 Equação química

Geralmente, a equação química para queimar um hidrocarboneto (como o octano no oxigênio é a seguinte:

CxHy + (x + y/4)O2xCO2 + (y/2)H2O

Por exemplo, a queima de propano é:

C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O

A equação, em síntese, de uma hidrocarboneto é sempre a seguinte:

Combustível + OxigênioDióxido de carbono + Água + Calor

A combustão é uma reação de uma substância (combustível) com o oxigênio (O2) (comburente) presente na atmosfera, com liberação de energia.

A liberação ou consumo de energia durante uma reação é conhecida como variação da entalpia (ΔH), isto é, a quantidade de energia dos produtos da reação (Hp) menos a quantidade de energia dos reagentes da reação (Hr):

ΔH = Hp – Hr

Quando ΔH > 0 isto significa que a energia do(s) produto(s) é maior que a energia do(s) reagentes(s) e a reação é endotérmica, ou seja, absorve calor do meio ambiente. Quando ΔH < 0, isto significa que a energia do(s) reagente(s) é maior que a energia do(s) produto(s) e a reação é exotérmica, ou seja, libera calor para o meio ambiente, como no caso da combustão da gasolina, por exemplo.

A combustão completa de qualquer combustível orgânico (que possui átomos de carbono) leva a formação de gás carbônico ou também chamado de dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). A respiração é um processo de combustão, de “queima de alimentos” que libera energia necessária para as atividades realizadas pelos organismos. É interessante notar que a reação inversa da respiração é a fotossíntese, que ocorre no cloroplasto das células vegetais, onde são necessários gás carbônico, água e energia (vinda da luz solar) para liberar oxigênio e produzir material orgânico (celulose, glicose, amido, etc.) utilizado no crescimento do vegetal.

           combustão/respiração

C6H12O6(s) + 6 O 2(g) ↔ 6 CO2(g) + 6 H2O (l) + energia

               fotosíntese

A gasolina possui muitas impurezas contendo enxofre (S), e o diesel, ainda mais. Hoje no Brasil existe um grande investimento por parte da Petrobrás para diminuir a concentração de enxofre no diesel e assim torná-lo menos poluente. Portanto, combustíveis que tem enxofre, ao serem queimados produzem grandes quantidades de um gás bastante tóxico e corrosivo, responsável por acidificar a atmosfera, o dióxido de enxofre (SO2). Já o álcool é um combustível que não apresenta enxofre e portanto não produz o dióxido de enxofre.

S(s)+ O2(g ) → SO2(g)

A falta de oxigênio durante a combustão leva à chamada ‘combustão incompleta’ que produz monóxido de carbono (CO). Note que o CO tem um oxigênio a menos que o CO2, o que caracteriza a deficiência de oxigênio, ou a ineficiência da reação. Este gás é muito tóxico para o ser humano, pois este dificulta a função da hemoglobina, que é responsável pela renovação do oxigênio no nosso sangue. Pequenas concentrações de monóxido de carbono já provocam tonturas e dores de cabeça. Outro produto indesejável da combustão incompleta é a fuligem (C), que não tem oxigênio na sua constituição. A porção mais fina da fuligem pode impregnar nos pulmões e causar problemas respiratórios.

As equações químicas abaixo ilustram a quantidade de calor (ΔH) liberada durante a combustão completa e incompleta do gás metano (CH4). Note como a quantidade de calor liberado é menor nos casos de combustão incompleta. Portanto, além da combustão incompleta gerar compostos nocivos à saúde humana, há também uma grande desvantagem econômica, pois com a mesma quantidade de combustível haverá menor quantidade de energia gerada! Veja as equações:

Combustão completa do metano:

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O (l) ΔH = – 802 kJ/mol (energia liberada)

Combustão incompleta do metano:

CH4(g) + 3/2 O2(g) → CO(g) + 2H2O(l) ΔH = – 520 kJ/mol CH4(g) + O2(g) → C(s) + 2H2O(l) ΔH = – 408,5 kJ/mol

É muito importante saber a quantidade de calor liberada pelos combustíveis para que seja possível comparar o valor energético de cada um deles. Na Tabela 1 são mostradas as entalpias de combustão (ΔHo) para alguns combustíveis, isto é, a energia liberada na queima completa de um mol do combustível. O zero utilizado como índice superior indica que as condições iniciais dos reagentes e as finais dos produtos são 25o C e 1 atm, chamadas de condições padrão.

O combustível menos poluente que se conhece é o hidrogênio, pois sua combustão gera apenas água: H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ΔH = – 286 kJ/mol

 Combustão de combustíveis líquidos

A combustão de um combustível líquido em uma atmosfera oxidante acontece na verdade em forma gasosa. Isto quer dizer, quem queima é o vapor, não o líquido. Portanto, um líquido inflamável normalmente só irá pegar fogo acima de uma certa temperatura, que é seu ponto de fulgor. Abaixo dessa temperatura, o líquido não irá evaporar rápido o suficiente para sustentar o fogo caso a fonte de ignição seja removida.

 Combustão de combustíveis sólidos

O ato da combustão consiste em três fases relativamente distintas, mas que se sobrepõem:

  • Fase de pré-aquecimento, quando o combustível não queimado é esquentado até o seu ponto de fulgor e depois para seu ponto de combustão. Gases inflamáveis começam a ser envolvidos em um processo similar à destilação seca.
  • Fase de destilação ou fase gasosa, quando a mistura dos gases inflamáveis com oxigênio sofre ignição, energia é produzida em forma de calor e luz. Fogo normalmente é visível nesta fase.
  • Fase de carvão ou fase sólida, quando a saída de gases inflamáveis é muito pouca para a presença persistente de chama, e o combustível carbonizado queima lentamente. Ele só fica incandescente e depois continua a arder sem chama.

Temperaturas para combustão

Assumindo condições de combustão perfeitas, como uma combustão adiabática(sem perda de calor) e completa, a temperatura da combustão pode ser determinada. A formula que leva a essa temperatura é baseada na primeira lei da termodinâmica e se aproveita do fato que o calor da combustão (calculado a partir do valor de aquecimento do combustível) é usado inteiramente para aquecer o combustível e o gás (ex: oxigênio ou ar)

No caso de combustíveis fósseis queimados no ar, a temperatura de combustão depende:

  • do valor de aquecimento
  • da proporção do ar em relação ao combustível ( λ )
  • da capacidade térmica do combustível e do ar
  • as temperaturas de entrada do ar e combustível

A temperatura de combustão adiabática aumenta para:

  • valores de aquecimento mais altos
  • temperaturas de entrada mais altas
  • proporções entre o ar e o combustível tendendo para 1.

Normalmente, a temperatura de combustão adiabática para o carvão mineral é por volta de 1500ºC (para temperaturas de entrada e temperaturas do ambiente e λ = 1.0), cerca de 2000°C para o óleo e 2200°C para o gás natural.

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