Atividade avaliativa - Combustao

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COMBUSTÃO 
Acadêmicos: 
Alexsandro de Andrade Oliveira
Everton Lopes de Lopes
Jhuliana Vitória Brito Ribeiro
Marlon Cordeiro de Oliveira
Universidade do Estado do Amapá – UEAP
Colegiado de Engenharia de pesca
Macapá-AP, 2024
Disciplina: Máquinas e Motores Aplicados a Pesca
Prof. Me. Érico de Melo Hoshino
"A queima de combustíveis (como madeira, gás natural, petróleo ou carvão) vem sendo utilizada há centenas de anos pela humanidade para produzir energia térmica.“
A importância da utilização do fogo como instrumento de transformação da nossa sociedade se acelerou com o progresso da cultura humana. Além de fornecer conforto térmico e melhorar a preparação de alimentos, ele desde cedo foi usado em rituais dos mais diferentes povos, na fabricação de armas (até os dias atuais), na produção de novos materiais (ajudando a fundir metais, por exemplo) e como fonte de calor para máquinas térmicas.
Figura 1: O Turbinia, um dos primeiros barcos com turbinas movidas a vapor.
Fonte: Foto de Alfred John West, em 1897.
 
CONCEITO BÁSICO DE COMBUSTÃO
É uma reação química de oxidação de materiais combustíveis. Os reagentes, geralmente o oxigênio do ar e um hidrocarboneto, colidem entre si causando a sua destruição. Os elementos químicos resultantes dessa destruição se recombinam formando novas espécies químicas denominadas de produtos. Essa destruição é seguida de recombinação numa região espacial específica, liberando calor e eventualmente emitindo luz. Sendo uma reação química exotérmica entre um combustível e um comburente, usualmente o oxigênio, para liberar calor e formando como produto um grupo de espécies diferente dos reagentes.
Para compreender o fenômeno da combustão é preciso entender os seguintes conceitos: 
Reagente: uma mistura de combustível e oxigênio capaz de reagir entre si com liberação ou absorção de calor. 
Combustível: são as substâncias capazes de reagir com os oxidantes. Como hidrocarbonetos, ou seja, uma cadeia de carbonos e hidrogênios. 
Oxidante: são as substâncias que fornecem oxigênio para o combustível. Como o oxigênio do ar. 
Produto: são substâncias residuais da reação dos reagentes. Serão compostos de CO2 e H2O, podendo também ter teores de CO, NO, hidrocarbonetos, particulados e outros, dependendo das condições da reação química. 
Inerte: são substâncias químicas adicionadas aos reagentes que não reagem com o combustível ou oxidante e compõem os produtos. Como o N2 é um típico inerte. 
Calor de Reação: é o calor liberado durante a combustão (reação química exotérmica).
Os elementos que compõem ou promovem a combustão e a explosão são: 
• Combustível - hidrocarbonetos em geral; 
• Comburente ou oxidante - Oxigênio do ar atmosférico; 
• Calor - chama, faísca, superfície quente etc.; 
• Reação em cadeia - combustão, explosão.
Esse quarto elemento, “reação em cadeia”, compõe o quadrado do fogo, substituindo o antigo triângulo do fogo.
Como ocorre a reação de combustão?
Excetuando-se a ignição, apenas o contato entre o combustível e o comburente não é suficiente para desencadear uma reação de combustão. Para que ela inicie, é necessário que o combustível supere a energia de ativação do processo. Essa energia de ativação é, na maioria das vezes, fornecida por uma fonte externa, como uma chama ou uma faísca. 
Figura 2: Fósforos.
Fonte: www.istockphoto.com/br/foto.
 
O desenvolvimento da combustão apresenta três pontos cruciais:
Ponto de fulgor: também conhecido como flash point, é a temperatura mais baixa na qual um composto se vaporiza em quantidade suficiente para formar uma mistura inflamável com o ar, na presença de uma chama. Porém, a combustão não procede, pois não há gases em quantidade suficiente para tal.
Ponto de combustão: é a temperatura na qual os vapores de combustível queimam ao contato de uma chama e continuam a queimar em sua ausência, pois a vaporização já ocorre em uma extensão suficiente para alimentar a combustão.
Ponto de ignição: é a temperatura na qual o combustível entra em combustão, mesmo sem a presença de uma chama, apenas com a de comburente.
Dependendo da quantidade de gás oxigênio disponível, a combustão pode ser completa ou incompleta.
A chama azul é característica de uma combustão completa; e a chama amarela é característica de uma combustão incompleta.
Figura 3: Chamas no bico de Bunsen: a amarela e a azul.
Fonte: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/.
 
A combustão completa ocorre quando existe oxigênio suficiente para consumir todo combustível. No caso de compostos feitos de carbono e hidrogênio (hidrocarbonetos); e de carbono, hidrogênio e oxigênio (como álcoois, cetonas, aldeídos, ácidos carboxílicos, etc.), os produtos são o dióxido de carbono (gás carbônico – CO2) e a água. 
Para citar um exemplo de hidrocarboneto, temos o metano (CH4), que é o principal constituinte do combustível biogás, e que também está presente no gás natural de petróleo. Observe como ocorre a sua combustão de modo completo:
CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) + calor
Outra forma de descobrir se a reação de combustão é completa é por meio do Nox (número de oxidação) do carbono, pois todas as reações de combustão são de oxirredução, sendo que o combustível sofre oxidação e o comburente sofre redução, conforme mostrado a seguir:
Observe que no CO2 formado, o carbono apresenta o seu Nox máximo (+4). Quando isso ocorre, quer dizer que todo combustível foi consumido e, portanto, é uma reação de combustão completa.
Figura 4: Chama azul.
Fonte:https://brasilescola.uol.com.br..
 
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A combustão se dá de forma incompleta quando não houver oxigênio suficiente para consumir todo o combustível. No caso dos compostos orgânicos que estamos considerando, os produtos da combustão incompleta podem ser monóxido de carbono (CO) e água; ou carbono elementar (C) e água.
Veja um exemplo desse tipo de combustão incompleta:
Combustão incompleta do metano: CH4(g) + 3/2 O2(g) → CO(g) + 2 H2O(g)
Se a quantidade de gás oxigênio for menor ainda, o produto será o carbono no lugar do monóxido de carbono. Exemplos:
Combustão incompleta do metano: CH4(g) + O2(g) → C(s) + 2 H2O(g)
Algumas vezes, essa combustão é tão incompleta que o carbono torna-se visível ao sair pelo escapamento dos carros, na forma de fuligem (uma fumaça escura, formada de minúsculas partículas sólidas de carvão).
Figura 5: Fuligem saindo de escapamento de carro.
Fonte: https://mundoeducacao.uol.com.br/quimica.
 
Em algumas fábricas, como a de produção de carvão ou de negro-de-fumo, o objetivo é exatamente realizar uma reação de combustão incompleta.
Observando o Nox do carbono, vemos que ele não apresenta o seu Nox máximo, portanto, as combustões abaixo são incompletas:
Figura 6: Combustão incompleta.
Fonte: https://mundoeducacao.uol.com.br/quimica.
 
Resumindo, temos:
A reação global de combustão “tenta” ser descrita através de uma equação química, que leva em conta a composição inicial da mistura dos reativos (Ar + Combustível). 
Na estequiometria, ela fica mais ou menos assim: 
 CnHm + Ar => CO2 + água + N2 + entalpia de combustão.
Vale lembrar que esta equação nem de longe leva em conta o mecanismo real da combustão. 
Na realidade, a combustão em si, não é o resultado de uma única reação química mas sim, uma sucessão de incontáveis (milhões) reações elementares em cadeia.
Equação da Combustão 
A combustão pode ocorrer de dois modos; com chama e sem chama. Por sua vez, a combustão com chama pode ser classificada em pré-misturada ou difusa.
A combustão com chama se caracteriza por se concentrar em uma região no espaço que pode se propagar, ou não.
De um lado existem os gases quentes resultantes da combustão e de outro existem apenas os gases não queimados. Exemplos deste tipo de combustão são a lamparina e a queima no cilindro de motores de combustão interna com vela de ignição.
Figura 7: Combustão interna.
Fonte: https://reparadorsa.com.br.
A combustão sem chama ocorre quando o processo de combustão ocorre simultaneamente em diversos pontos da misturacombustível comburente. Neste caso, não existe uma região definida que possa ser denominada de chama e o processo é volumétrico. Exemplo deste tipo de combustão é o motor diesel.
Figura 8: Combustão interna motor diesel.
Fonte: https://www.asmaquinaspesadas.com.
Na combustão com chama pré-misturada, o combustível e o comburente são pré-misturados a nível molecular antes de qualquer reação química começar. Exemplo típico deste tipo de combustão é o motor de combustão interna com vela de ignição.
Por outro lado, a chama difusa os reagentes estão inicialmente separados e a combustão ocorre apenas na região onde o combustível se mistura com o comburente. Exemplos de combustão com chama difusa são o motor diesel e a lamparina.
Figura 9: chama difusa lamparina.
Fonte:https://medium.com/@marafaria/lamparinadequerosene.
A entalpia é uma ferramenta termodinâmica para o cálculo do calor envolvido em um processo químico. Sua variação é numericamente igual à variação da quantidade de calor do processo. Assim, a entalpia de combustão é uma ferramenta para o cálculo do calor liberado por um mol de combustível em um processo de combustão completa, à pressão constante.
Por vezes, as tabelas colocam os valores de entalpia de combustão em condição padrão, 25 °C e 1 atm de pressão, representados por ΔH°C. 
Entalpia de combustão
	Combustível	ΔH°C (kJ/mol)
	Carvão, C(s)	-393,5
	Metano, CH4(g)	-802
	Propano, C3H8(g)	-2220
	Butano, C4H10(g)	-2878
	Octano, C8H18(l)	-5471
	Etanol, C2H6O(l)	-1368
	Hidrogênio, H2(g)	-286
Destacou-se anteriormente o ponto de ignição, temperatura em que a combustão pode ocorrer de forma espontânea, sem a presença de chama ou faísca para prover energia de ativação. Nessa situação, a temperatura é tão elevada que o simples contato entre as moléculas do combustível e do comburente já é suficiente para o desencadeamento da reação de combustão.
A tabela a seguir traz alguns valores de temperaturas de autoignição.
Combustão espontânea
	Combustível	Ponto de ignição (°C)
	Benzeno	498
	Carvão	349
	Etanol	363
	Butano	405
	Hidrogênio	500
	Gasolina	246–280
	Diesel	210
	Propano	455
	Metano	580
Quanto à velocidade da combustão
A velocidade da combustão depende do grau de divisão da matéria, ou seja, quanto mais fracionado for o corpo combustível, maior será a velocidade da combustão.
De acordo com a velocidade em que se processa a reação química, a combustão pode ser classificada em: lenta, viva, muito viva ou instantânea.
Lenta
É a combustão em que o processo da reação se dá muito lentamente, e não há produção de chama ou qualquer outro fenômeno luminoso. Essa lentidão da reação é decorrente da temperatura ser baixa, geralmente inferior a 500°C. Um exemplo típico é o processo de queima dos cigarros e dos charutos.
Classificação da combustão
Viva
É a combustão em que o processo da reação se dá com maior velocidade, havendo neste caso, além da produção de calor mais acentuado e bastante sensível, com consequente queima, a produção de chama.
Podem-se distinguir dois aspectos na combustão viva: as chamas e a incandescência.
As chamas são uma mistura de gases combustíveis e ar, em combustão viva, devendo as palavras inflamabilidade e inflamação, serem reservadas aos fenômenos em que se verifica a produção da chama.
A incandescência é produzida pela forma de combustão viva dos corpos sólidos chamada ignição. Este fenômeno revela-se pelo aparecimento de sinais luminosos nos sólidos.
Classificação da combustão
A energia desenvolvida pela combustão é dissipada sob a forma de radiações não visíveis, são os raios infravermelhos. Ex: as combustões que ocorrem em madeiras, combustíveis líquidos, tecidos, etc.
Muito Vivas
São as combustões em que o processo da reação se dá com grande velocidade, (inferior a 300m/s). Neste tipo de combustão também há a produção do calor e da chama. É o caso, por exemplo, da combustão da pólvora negra ao ar livre.
Instantâneas
São as combustões que se processam com uma velocidade superior a 300 m/s e atingem de forma súbita toda a massa do combustível. Acontecem principalmente com gases e poeiras (aerodispersóides) e são também chamadas de explosão.
Gás é o estado físico de uma substância que não tem forma e ocupa o espaço posto a sua disposição. O aumento de temperatura intensifica a movimentação das moléculas das substâncias gasosas, e as ligações entre elas praticamente deixam de existir.
Se o peso do gás é menor que o do ar, o gás tende a subir e dissipar-se, mas se o peso do gás é maior que o do ar, ele permanece próximo ao solo e caminha na direção dos ventos, obedecendo aos contornos do terreno.
Para o gás queimar, há necessidade de que esteja em uma mistura ideal com o ar atmosférico. Desta forma, para ocorrer a combustão é necessário que a porcentagem da concentração dos gases ou vapores estejam dentro dos limites de inflamabilidade, (LII = Limite Inferior de Inflamabilidade ou LSI = Limite superior de Inflamabilidade).
Combustíveis: gasosos, sólidos e líquidos
Gás inflamável: é qualquer material que no estado gasoso, e sob temperatura ambiente e na pressão atmosférica, queimará quando em contato com uma concentração normal de oxigênio no ar, sob a ação de uma fonte de calor.
Gás inerte: E aquele que não sustenta a combustão, como, por exemplo, o nitrogênio, o gás carbônico, o argônio, o hélio, etc.
Figura 10: Queima de gás.
Fonte:https://wandersonmonteiro.wordpress.com
Combustão de Gases
A combustão de um combustível líquido acontece realmente na forma gasosa. Isto significa que antes de ocorrer a combustão, o líquido precisa receber calor para mudar de fase, sair de líquido e tornar-se vapor. Além disso, o líquido inflamável só entra em combustão se estiver acima de uma temperatura denominada de ponto de fulgor. Iniciada a reação, ela se auto mantém. Ponto de fulgor é a menor temperatura na qual um líquido libera vapor ou gás em quantidade suficiente para formar com o ar atmosférico uma mistura inflamável. Abaixo dessa temperatura, o líquido não irá evaporar com rapidez suficiente para sustentar o fogo, caso a fonte de ignição seja removida.
Combustão de Líquidos 
Etapas do processo de combustão de sólidos O processo de combustão de sólidos consiste em 4 fases distintas, mas que podem acontecer simultaneamente em diferentes regiões da biomassa em reação. Elas são descritas a seguir.
Aquecimento e Secagem – é o processo de retirada da umidade contida no combustível sólido através da adição de calor, que provoca a evaporação da água. 
Pirólise – após a secagem do combustível sólido, se a sua temperatura for elevada a níveis adequados, acontecerá a liberação dos gases inflamáveis contidos no sólido. Essa fase também é denominada de volatilização. Os gases liberados nessa fase, quando misturados com o oxigênio do ar em proporções adequadas, torna-se uma mistura inflamável. 
Combustão dos Sólidos 
Combustão – nessa fase, os gases formados no processo de pirólise reagem com o oxigênio numa reação exotérmica tendo como produtos CO2 + H2O + Calor (produtos hipotéticos para uma reação ideal estequiométrica). O fogo normalmente é visível nesta fase. 
Combustão dos Sólidos 
Figura 11: Combustão de madeira.
Fonte: https://www.istockphoto.com/br/foto/fogueira.
Pós-Combustão – ao final da pirólise, a biomassa tornou-se uma massa sólida composta de carvão e cinza. As partículas de menores dimensões são arrastadas pelos gases e saem com a denominação de particulados. Uma fração do carbono e cinzas consegue gasificar e entra no escoamento na forma de CO, CH4 e H2 e outros gases. 
Combustão dos Sólidos 
Figura 12: Pós-Combustão de madeira.
Fonte: https://www.istockphoto.com/br/foto/fogueira.
REFERÊNCIAS 
Combustão e gasificação de biomassa sólida / Gonçalo Rendeiro… [et al.]. Brasília : Ministério de Minas e Energia, 2008. 192p. : il. ; 21 × 30cm. – ( Soluções energéticas para a Amazônia ).
https://brasilescola.uol.com.br/quimica/combustao-chamas-cores-diferentes.htm
https://mundoeducacao.uol.com.br/quimica/reacao-combustao.htm
https://www.portalsaofrancisco.com.br/quimica/combustao#google_vignettehttps://pt.wikipedia.org/wiki/Combust%C3%A3o
https://www.preparaenem.com/quimica/reacao-combustao.htm
https://www.antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/combustao.php
PARANÁ. Corpo de Bombeiros da Polícia Militar. Manual de Combate a Incêndio. Oficiais alunos do Curso de Prevenção e Combate a Incêndios, 2008.
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