Cap. 6 Termodinâmica da Combustão

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Cap.06: Termodinâmica da 
Combustão 
Disciplina: Máquinas Térmicas II – Motores de 
Combustão Interna 
Prof. Daut Couras 
Universidade Federal Rural do Semi-Árido 
Depart. de Ciências Amb. e Tecnológicas 
Engenharia Mecânica 
Prof.: Daut Couras 
Universidade Federal Rural do Semi-Árido 
Máquinas Térmicas II 
6.1. Ar e Combustíveis 
• Combustão ocorre no centro do ar; 
• Ar: mistura de inúmeros componentes: 
 
 
 
 
 
 
 
• Para cálculo de combustão: 21% de oxigênio e 79% de 
nitrogênio. 
GÁS % VOLUME MASSA MOLAR % (MOLAR) 
O2 20,95 31,998 20,95 
N2 78,09 28,012 79,05 
Ar 0,93 38,948 
CO2 0,03 40,009 
ar 100 28,962 
Prof.: Daut Couras 
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6.1. Ar e Combustíveis 
• Por cada mole de oxigênio haverá: 
 
 
 
 
 
• Como o N tem uma massa molar de 28,16 kg/kmol a massa 
molar do ar seco será 28,962 kg/kmol (valor ponderado). 
 
 
• Geralmente contém vapor d’água (geralmente 0,5%). 
Nde773,3
2095,0
2095,01


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6.1. Ar e Combustíveis 
• Influência do vapor de água no ar. 
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Máquinas Térmicas II 
Prof.: Daut Couras 
6.2. Reação entre o Combustível e o Ar 
• Um combustível do tipo CmHnOp que reage com oxigênio do ar 
o nitrogênio terá de ser considerado (20,95% de O2 e 79,05% 
de N2). 
 
• Porcentagem mássica de O2 será: 
 
 
 
 
 
• 1 kg de ar contém 0,232 kg de O2. 
2232,02095,0
962,28
998,31
2095,022 Odekg
M
M
m
m
ar
O
ar
O

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6.2.1. Coeficiente de Excesso de Ar 
• Mistura Estequiométrica: todo o ar é usado para queimar todo 
o combustível. 
 
• Coeficiente de excesso de ar(λ): 
 
 
 
 
 
 
 
 
• λ aumenta para misturas pobres. 
 
 
 
 
real
esteq
realar
f
esteqar
f
esteq
real
esteqf
ar
realf
ar
A
F
A
F
m
m
m
m
F
A
F
A
m
m
m
m



























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6.2.1. Coeficiente de Excesso de Ar 
 
• Riqueza da mistura(ϕ): 
 
 
 
 
 
 
 
 
• ᶲ aumenta para misturas ricas. 
 
 
 
 
esteq
real
esteqar
f
realar
f
real
esteq
realf
ar
esteqf
ar
A
F
A
F
m
m
m
m
F
A
F
A
m
m
m
m



























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6.2.2. Poder Calorífico do Combustível 
 
• Depende da determinação da entalpia (ou energia interna) dos 
reagentes e dos produtos da combustão(δQ= dU + p.dV). 
 
• Processos isocóricos: Qv = ∆U = (Uprod – Ureag) 
 
• Processos isobáricos: Qp = ∆H = ∆U+ p∆V então: 
 
Qp = Qv + p∆V 
 
• Combustíveis sólidos: ∆V=0, então Qp = Qv 
 
• Combustíveis líquidos e gasosos: ∆V > 0, então: Qp > Qv 
(0,3 a 0,4%). 
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6.2.2. Poder Calorífico do Combustível 
• A presença de água no estado vapor ou líquido nos produtos 
ocasiona diferenças no cálculo do poder calorífico. 
• Poder Calorífico Superior(PCS ou PCs): quando a água é 
condensada, aproveitando-se o calor latente de vaporização 
(HH2O). 
• Poder Calorífico Inferior(PCI ou Pci): quando vapor de água 
está presente. 
 
• Relação entre PCs e PCi: PCi = PCs – (mH2O/mf) x HH2O 
 
• 0ºC : 2500 kJ/kg 
 
• 25ºC: 2442 kJ/kg 
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6.2.2. Poder Calorífico do Combustível 
• Determinação do Poder Calorífico: 
• Sólidos e Líquidos: calorímetro queima a volume 
constante. Imerso em água à temperatura de referência, e o 
aumento de temperatura da água (e do calorímetro) é 
medido de modo a determinar-se o calor em jogo. Todo o 
vapor d’água produzido é condensado, desta maneira 
calcula-se o Qvs do combustível. 
• Gasosos: vazão cte de combustível e ar é queimado e os 
gases são arrefecidos por uma vazão de água até perto da 
temperatura inicial, incluindo a total condensação da água 
presente nos gases queimados. A potência térmica é 
calculada através da temperatura da água e sua vazão. 
Determina-se Qps. 
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Calor Específico 
(kJ/kg.K) 
Poder Calorífico 
(MJ/kg) 
Combustível Fórmula 
Hv 
(kJ/kg) 
Líquido Vapor Superior Inferior 
PCi da Mist. 
Estq. (MJ/kg) 
 
A/F 
Gasolina CnH1.87n 350 2,4 1,7 47,3 44 2,83 14,6 
Gasóleo CnH1.8n 270 2,2 1,7 46,1 43,2 2,79 14,5 
Fuel CnH1.7n 230 1,9 1,7 45,5 42,8 2,85 14,4 
Metano CH4 509 0,63 2,2 55,5 50 2,72 17,2 
Propano C3H8 426 2,5 1,6 50,4 46,4 2,75 15,7 
Metanol CH4O 1103 2,6 1,72 22,7 20 2,68 6,5 
Etanol C2H6O 840 2,5 1,93 29,7 26,9 2,69 9,0 
Carbono C 33,8 33,8 2,70 11,5 
Monóxido de C CO 1,05 10,1 10,1 2,91 2,5 
Hidrogênio H2 1,44 142 120 3,4 34,3 
6.2.2. Poder Calorífico do Combustível 
• Fórmula de Dulong e Petit – erro inferior a 5%: 
][512,2][250,9
)8/][]([970,119
][790,32
2
22
OHS
OH
CPCi



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6.2.3. Poder Calorífico da Mistura 
• Refere-se a massa do combustível adicionada da massa de ar. 
• Coeficiente de excesso de ar tem-se: 
 
 
   
   
 



 




esteq
fmist
esteqreal
f
arf
f
mist
esteqreal
esteq
real
F
Amm
F
A
F
A
m
mm
m
m
F
A
F
A
F
A
F
A



1
11
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6.2.3. Poder Calorífico da Mistura 
• Poderes caloríficos da mistura em: 
• Termos de massa: 
 
 
 
• Termos de volume: 
 
 
 
 
• Onde: 
esteqmist
f
Mmist
FA
PCi
m
m
PCiPC
)/(1
, 
  esteq
mist
esteqmist
mist
far
f
Vmist
FA
PCi
FAV
m
PCi
VV
m
PCiPC
)/(1)/(1)(
, 

 
far
far
mist
mist
mist
VV
mm
V
m



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6.2.3. Poder Calorífico da Mistura 
• Num motor de injeção direta ou em motores em que os 
combustíveis sejam injetados no estado líquido: 
 
 
 
 
 
• Ignorando o volume do combustível, teremos: 
2,1
800

f
ar
V
V
esteq
ar
ar
f
Vmist
F
A
PCi
V
mPCi
PC
)(
, 




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6.2.3. Poder Calorífico da Mistura 
• Hidrogênio possui um PC elevado mas o PC da mistura é 
significativamente inferior. 
• Grande volume ocupado pelo hidrogênio na mistura, que 
reduz a presença de ar. 
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6.3. Cálculos em Combustão 
• Caso mais geral considera-se que um combustível tem: 
• Carbono 
• Hidrogênio 
• Enxofre 
• Oxigênio 
• Traços(l) 
• Massa unitária de combustível (f): 
f
traços
f
O
f
S
f
H
f
c
f
kg
kg
l
kg
kg
o
kg
kg
S
kg
kg
h
kg
kg
ckg  221
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6.3. Cálculos em Combustão 
• Levando em consideração os pesos moleculares destes 
elementos, a combustão com oxigênio gera:OH
h
O
h
H
h
SO
s
O
s
S
s
CO
c
O
c
C
c
222
22
22
22
1
22
323232
121212



Oxigênio 
necessário 
para queimar 
1kg de comb. 
Produtos de 
Combustão 
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6.3. Cálculos em Combustão 
• Em relação ao oxigênio, o seu peso molecular é 32, assim o 
oxigênio necessário à queima estequiométrica de 1kg de 
combustível é: 
 
 
 
 
• Ou seja: 
32
3243212











 ohsc
F
O
esteq
 














f
O
esteq kg
kg
ohsc
F
O
2937,7988,0664,2
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6.3. Cálculos em Combustão 
• Para o ar: 
 
 
 
 
• A necessidade de ar será: 
31,4
232,0
1
22

O
ar
O
ar
M
M
m
m
 














f
ar
esteq kg
kg
ohsc
F
A
937,7988,0664,231,4
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6.3.1. Cálculo da Quantidade de Ar 
• Considerando a queima de um combustível genérico: 
 
 
 
 
• A relação oxigênio/combustível será: 
f
traços
f
O
f
S
f
H
f
c
kg
kg
l
kg
kg
o
kg
kg
S
kg
kg
h
kg
kg
c  22
32
3243212











 ohsc
F
O
esteq
f
O
kg
kg
2
f
O
kg
kmol
2
2
2
O
O
kmol
kg
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6.3.1. Cálculo da Quantidade de Ar 
• Se o ar contém 0,232 de O2, podemos escrever: 
 ohsc
F
A
esteq
31,45,3431,45,11 





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6.3.2. Cálculo dos Produtos de Combustão 
• O número de moles de produtos de combustão numa reação 
completa, estequiométrica e sem dissociação será: 
 
 
























f
ar
ar
esteq
f
prod
p
kg
kmol
M
F
A
kg
kghsc
N 2095,01
43212
Combustão (A/F)esteq - (O/F)esteq 
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6.3.2. Cálculo dos Produtos de Combustão 
• Considerando que a água foi retirada dos produtos (anulando-
se o termo h/4), fica somente CO2 e SO2 (equivalentes a CO2) 
nos produtos da combustão. Assim, a concentração de CO2 
nos produtos de combustão será: 
 
 
 
 
 
 
• Nps é o número de moles nos produtos de combustão secos. 
ar
esteqps
CO
M
FAsc
sc
N
N
k
)(
7905,0
3212
32122
max



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6.3.2. Cálculo dos Produtos da Combustão 
• Havendo excesso de ar (e considerando gases secos – sem 
água – e sem dissociação): 
 
 
 
 
 
 
• A concentração de CO2 ficará: 
   
ar
esteq
ar
esteq
ps
M
FA
M
FAsc
N )1()2095,01(
3212
' 





 
Combustão (A/F)esteq - (O/F)esteq Excesso de ar 
 
ar
esteq
ps
ps
CO
M
FA
N
sc
N
N
k
)1(
3212
'
2




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6.3.2. Cálculo dos Produtos da Combustão 
• Coeficiente de excesso de ar(λ) pode ser calculado: 
 
 
 
 
 
 
 
• Logo: 
 
 
 
psar
esteq
ar
esteq
ps
CO
ps
CO
NM
FA
M
FA
N
N
N
N
k
k 1
11
)1(
2
max
2


 

 
11max 






ar
esteq
ps
M
FA
N
k
k

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6.3.2. Cálculo dos Produtos da Combustão 
• Concentração de O2: 
 
 
 
 
 
 
• Se λ→∞os gases de escape são constituídos somente por ar, 
ou seja: omax=0,21 
 
 
ar
esteq
ar
esteq
ps
O
M
FAsc
M
FA
N
N
o
)2095,0(
3212
)1(2095,0
'
2











 
ar
esteq
P
M
FA
N
o
o



1
1
1
max

o
ok
k
max
max
1
1


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6.3.3. Combustão Incompleta 
• Causas da combustão incompleta: falta de ar, da dissociação 
ou somente porque parte da mistura não queimou. 
• Produtos da combustão incompleta: CO, H2, NO e HC. 
• Número de moles presentes nos produtos de combustão: sem 
água; b – fração de CO nos gases não queimados. 
 
 
 
• As concentrações dos diversos gases nos produtos da 
combustão (secos) são: 
• k – CO2(+SO2) 
• z – CO 
• o – O2 
   
ar
esteq
ar
esteq
ps
M
FA
M
FAbsc
N )1()2095,01(
283212
'' 





 
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6.3.3. Combustão Incompleta 
• Concentrações: 
psN
sc
zk
''
3212


ps
ps
ps
ps
N
N
N
sc
N
sc
zk
k
'
''
''
3212
'
3212
max 




 
 zkf
M
FA
Nz
zk
k
ar
esteq
ps
,
''
1
2
11 max 













 
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6.3.3. Combustão Incompleta 
• Como: 
 
 
 
 
 
 
• E visto que omax = 0,2095, pode-se escrever: 
 
 
 
 
• A partir dos valores de k, o e z é possível calcular o valor de λ. 
 
   
ar
esteq
ar
esteq
ar
esteq
ps
O
M
FA
M
FAbsc
M
FAb
N
N
o
)1()2095,01(
23212
)1(2095,0
2
''
2











 
),(
'
)2095,0(2
2
1 ozf
M
FA
N
zo
zo
ar
esteq
ps



 
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6.3.4. Dissociação 
• Quando uma combustão se dá a temperatura elevada 
(>1500K) nem todo o combustível se converte em CO2 e H2O. 
 
• Ocorre uma reação inversa de dissociação em CO, H2 e O2. 
 
• Existe porque o equilíbrio químico altera-se com a 
temperatura. 
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6.3.4. Dissociação 
• A reação pode ser descrita da seguinte forma: 
 
 
 
• Os compostos H, O, OH, NO poderão também ser adicionados 
ao lado direito da equação: 10 compostos nos produtos da 
reação. 
 
• Para determinar os valores a, b, c, ... será necessário calcular 
as condições de equilíbrio químico: temperatura e pressão 
dos gases de escape (com uma dada riqueza de mistura) 
• Processo iterativo. 
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2222222 )76,3( hNgHOfHeOdCOcCONObHaC yx 
6.3.4. Dissociação 
• Outra forma de cálculo: Constantes de Dissociação. 
 
• Para cada reação há uma constante que permite calcular a 
taxa de reação. 
 
• Para a reação inversa (dissociação) haverá também uma 
constante. 
 
• Equilíbrio: quando as taxas de reação de cada reação forem 
iguais, o que permite calcular uma constante de dissociação 
em função da temperatura. 
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6.3.4. Dissociação 
• Como nos motores a redução da temperatura é muito rápido 
não há tempo para formar: CO2 e H2O – equilíbrio químico 
“congelado”. 
• Aparece mais CO, H2 e O2 do que seria de esperar. 
 
• Dissociação é reação altamenteendotérmica: 
• Reduz a quantidade de calor efetivamente em jogo durante 
a combustão e baixa a temperatura máxima, diminuindo o 
rendimento do ciclo. 
• Se mais tarde a reação exotérmica inversa ocorra (a 
baixa temperatura): os gases de escape aumentam a 
temperatura (a reação ocorre na descarga). 
 
• Ocorre a formação de NOX. 
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