Aula 02 Combustão e termoquímica 2016 (1)

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Combustão e 
termoquímica
TURNS, Stephen R.. Introdução à Combustão: Conceitos e Aplicações, 3rd Edition. AMGH, 08/2013. 
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Propriedades e relações 
termoquímcias
Propriedade extensiva : o valor depende da 
quantidade (massa ou número de mols) da 
substância considerada. 
Símbolos em letra maiúscula 
V (m 3) para volume
U (J) para energia interna
H (J) (= U + PV) para a entalpia, etc.
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Propriedades e relações 
termoquímcias
Propriedade intensiva : e ́ expressa por unidade de 
massa ou por mols de substância e seu valor e ́
independente da quantidade de substância 
presente.
Símbolos em letra minúscula
v (m 3/kg) para o volume específico
u (J/kg) para a energia interna especifica
h (J/kg) (= u +  Pv) para a entalpia especifica
Existem duas importantes exceções a essa regra do uso de letra 
minúscula para identificar propriedades intensivas: a 
temperatura T e a pressão P.
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Propriedades e relações 
termoquímcias
Propriedades intensivas molares:
Identificadas com o uso de uma barra sobre o 
símbolo, por exemplo: ത𝑢 e തℎ (J/kmol).
As propriedades extensivas são obtidas simplesmente 
ao multiplicar as respectivas propriedades intensivas 
pela massa (ou pelo número de mols)
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Equação de Estado
Uma  equac ̧ão de estado fornece a:
rela c ̧ão entre a pressão, P, a temperatura, T, e o volume V 
(ou o volume específico, ) para uma substância.
Um gás com comportamento ideal:
O gás pode ser modelado como se não houvesse forças 
intermoleculares e como se as moléculas não ocupassem 
volume, as seguintes formas equivalentes da equação de 
estado dos gases ideais se aplicam:
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Equação de Estado
 As seguintes formas equivalentes da equação de estado dos 
gases ideais se aplicam:
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𝑃𝑉 = 𝑁𝑅𝑢𝑇
𝑃𝑉 = 𝑚𝑅𝑇
P𝜐 = RT
P = 𝜌𝑅𝑇
𝑅 =
𝑅𝑢
𝑀𝑊
R: const. para um determinado gás
Ru: const. universal dos gases
𝜌 =
1
𝑣
=
𝑚
𝑉
: volume específico
Hipótese: comportamento 
de gás ideal
Assumiremos comportamento de gás ideal para todas as
espécies químicas em fase gasosa e misturas de gases.
Essa hipótese é apropriada para praticamente todos os
sistemas do nosso interesse porque as altas temperaturas
associadas com a combustão resultam em densidades
suficientemente baixas para que o comportamento de gás
ideal seja uma aproximação razoável.
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Equação de estado calórica
Expressões relacionando a energia interna (ou a entalpia) com 
a pressão e a temperatura são denominadas equações de 
estado calóricas.
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Energia Térmica
Energia associada ao movimento das partículas
Temperatura é a grandeza física macroscópica 
associada à movimentação das partículas
Calores específicos em 
função da Temperatura
Consequência de a energia interna de uma 
molécula consistir em três componentes:
translacional, vibracional e rotacional
os modos rotacional e vibracional se tornarem 
progressivamente mais ativos à medida que a 
temperatura aumenta.
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(a) A energia interna de espécies químicas monoatômicas 
consiste somente na energia cinética de translação, enquanto 
(b) a energia interna de espécies químicas diatômicas divide-se 
entre translacional, vibracional (potencial e cinética) e 
rotacional (cinética).
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(a) A energia interna de espécies químicas monoatômicas 
consiste somente na energia cinética de translação, enquanto 
(b) a energia interna de espécies químicas diatômicas divide-se 
entre translacional, vibracional (potencial e cinética) e 
rotacional (cinética).
Podemos imaginar que os calores específicos das moléculas 
diatômicas sejam maiores do que das moléculas monoatômicas. 
Em geral, quanto mais complexa for a molécula, maior será o 
seu calor especifico molar.
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Calores específicos molares  à pressão constante como função 
da temperatura para espécies químicas monoatômicas (H, N e 
O), diatômicas (CO, H2 e O2) e triatômicas (CO2, H2O e NO2).
triatômicas
diatômicas
monotômicas
Misturas de Gases ideais
Dois conceitos importantes e uteis para caracterizar a 
composição de uma mistura são as frações molares e 
as frações mássicas das espécies químicas que 
formam a mistura.
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Primeira Lei para um sistema
A conservação da energia é o princípio fundamental 
incorporado na primeira lei da termodinâmica.
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Primeira Lei para um sistema
A conservac ̧ão da energia e ́ o princípio
fundamental incorporado na primeira lei da 
termodinâmica.
a  conservação da energia para uma variação finita 
entre dois estados 1 e 2 é expressa como
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Primeira Lei para um sistema
A conservac ̧ão da energia e ́ o princípio
fundamental incorporado na primeira lei da 
termodinâmica.
 E é a variação da energia (total) do sistema, a 
qual e ́ a soma das energias interna, cine ́tica e 
potencial.
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convertida para uma base mássica ou expressa para 
representar um dado instante de tempo:
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onde letras minúsculas são 
usadas para as variáveis 
especificas expressas em base 
mássica, por exemplo, e ≡ E/m.
Primeira Lei para um volume de 
controle
Volume de controle é uma região de análise na qual 
um fluido pode escoar através das suas fronteiras.
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1. O volume de controle encontra-se estacionário em relação ao 
sistema de coordenadas. Isso elimina toda a forma de trabalho 
associada com movimentação da superfície de controle, assim como a 
necessidade de considerar variações das energias cinética e potencial 
causadas pelo movimento do próprio volume de controle.
Primeira Lei para um volume de 
controle
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2. As propriedades do fluido em cada ponto no interior do volume de 
controle ou na superfície de controle não variam com o tempo. Essa 
hipótese permite tratar todos os processos que o fluido sofre como 
ocorrendo em regime permanente.
Primeira Lei para um volume de 
controle
Volume de controle é uma região de análise na qual 
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3. As propriedades do fluido são uniformes ao longo das áreas de 
entrada e de saída dos escoamentos. Isso permite usar valores únicos 
para as propriedades dos escoamentos, em vez de precisarmos 
calcular integrais de área sobre a superfície de controle nas regiões de 
entrada e de saída dos escoamentos.
Primeira Lei para um volume de 
controle
Volume de controle é uma região de análise na qual 
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4. Existem apenas um escoamento de entrada e um escoamento de 
saída. Essa hipótese foi invocada apenas para manter a equação final 
em uma forma compacta e poderia ser facilmente removida para 
permitir o tratamento de múltiplos escoa- mentos de entrada e de 
saída.
Primeira Lei para um volume de 
controle
Volume de controle é uma região de análise na qual 
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Entalpia padrão e de formação
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entalpias de formação são iguais a zero para o 
estado de ocorrência natural dos elementos na 
temperatura e pressão do estado de referência
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298,15 K: തℎ𝑂2 = 0
തℎ𝑓,𝑂
° = 249.195
𝑘𝐽
𝑘𝑚𝑜𝑙𝑂
Entalpia de combustão e 
poder calorífico
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Entalpia de reação usando valores representativos para uma mistura estequiométrica 
de metano e ar. Supõe-se que a água nos produtos de combustão esteja no estado 
gasoso.
O calor de combustão, Δh c (também conhecido como 
poder calorifico): é numericamente igual à entalpia de 
reação, mas com sinal contrario.
O  poder calorifico superior, ou maior, PCS, e ́ o calor de 
combustão calculado supondo que toda a água nos 
produtos foi condensada para liquido. Esse cenário libera 
o máximo de energia, por isso a denominação de 
superior. 
O poder calorifico inferior, PCI , corresponde à situação 
na qual toda a água permanece do estado vapor.
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Δh c = - ΔH = Hp - Hr
PCS = entalpia de combustão se produtos contêm 
água na fase líquida
PCI = entalpia de combustão se produtos contêm 
água na fase gasosa
PCS -PCI = hlg = energia necessária para vaporizar a 
água nas condições padrão
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Entalpia de combustão (∆H), a 25ºC, de algumas substâncias
encontradas nos principais combustíveis utilizados.
Exercício:
Calcule PCI e PCS para a combustão do etanol 
combustível.
Dados:
 𝐻𝑓(𝐶𝑂2)
° = −393,51
𝑘𝐽
𝑚𝑜𝑙
 𝐻𝑓(𝐻2𝑂𝑔)
° = −241,82
𝑘𝐽
𝑚𝑜𝑙
 𝐻𝑓(𝐸𝑡𝑂𝐻)
° = −277,69
𝑘𝐽
𝑚𝑜𝑙
 𝐻𝑓(𝐻2𝑂𝑙𝑖𝑞)
° = −285,83
𝑘𝐽
𝑚𝑜𝑙
 ∆𝐻𝑣𝑎𝑝(𝐻2𝑂)= 44,01
𝑘𝐽
𝑚𝑜𝑙
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Poder calorífico inferior de alguns combustíveis utilizados.
Equação Estequiométrica - Combustão
Equação Estequiométrica - Combustão
Equação Estequiométrica - Combustão
Equação Estequiométrica - Combustão
Equação Estequiométrica - Combustão
Exemplo 1:
Determine a relação AC e 𝐴𝐶 para a 
combustão estequiométrica do octano.