Exercícios Resolvidos de Primeira Lei para Combustão

Enunciado

Etano é queimado, à pressão atmosférica, com quantidade estequiométrica de ar como oxidante. Determine o calor rejeitado, em de combustível, considerando que os produtos e reagentes estão a e a água aparece nos produtos como vapor de água.

Passo 1

Então, galera, esse é um exercício de combustão que pede pra gente calcular a taxa de calor liberada pelo combustível dividida pela quantidade de combustível queimada a cada segundo .

Para achar essa quantidade, temos que usar a primeira lei da termodinâmica adaptada à combustão. Essa fórmula se encontra abaixo.

O somatório da esquerda é a soma das entalpias dos reagentes que são queimados a cada segundo e o somatório da direita é a soma das entalpias dos produtos que são gerados a cada segundo. é a taxa de trabalho realizada. Ela vale zero, porque o enunciado só diz que calor é rejeitado. Ele não cita nenhum trabalho sendo realizado nessa combustão.

Pra achar vamos ter que encontrar o valor desses dois somatórios. Mas para encontrar os somatórios, vamos precisar calcular as vazões molares presentes nesses somatórios. Então vamos começar as contas tentando encontrar as vazões molares.

Passo 2

Começamos a calcular as vazões molares, escrevendo a equação química da combustão. O enunciado diz que a combustão é completa sem excesso de ar (quantidade estequiométrica de ar). Isso significa que apenas , e são os produtos. Como o ar é composto por e , o , o e o são os reagentes.

onde , , , e são os coeficientes estequiométricos da combustão.

Esses coeficientes são iguais às vazões molares! Por exemplo, o coeficiente do combustível é igual à vazão molar do combustível .

Como a questão está interessada na taxa de calor liberada por cada de combustível, vamos calcular o calor, quando a quantidade de de queimado vale .

Para achar os outros coeficientes, temos que fazer o balanço da equação de reação.

Calculamos o coeficiente através do balanço de carbono . Para ficar balanceado, os de dos reagentes devem ser iguais aos de dos produtos.

é calculado pelo balanço do hidrogênio . Os de dos reagentes precisam ser iguais aos de dos produtos.

Calculamos por meio do balanço do oxigênio . Esse balanço faz com que os de dos reagentes sejam iguais aos de dos produtos.

Por fim, encontramos pelo balanço de nitrogênio ! Os de dos reagentes são iguais aos de dos produtos.

A vazão molar de é igual à , a vazão molar de dos reagentes e dos produtos é igual a , a vazão molar de é igual à e a vazão molar de é igual à .

Pronto! Achamos as vazões molares. No entanto, ainda precisamos encontrar as entalpias de formação e as diferenças de entalpia pra achar os somatórios!

Passo 3

As entalpias de formação do e valem zero porque os dois são substâncias quimicamente mais estáveis.

As entalpias de formação de , e são encontradas em tabelas, como a tabela abaixo. Mas tome cuidado! Precisamos pegar o valor da entalpia de formação de vapor de !

Eba! Estamos quase com todos os valores que precisamos. Só falta achar as diferenças de entalpia . No entanto, é a diferença entre a entalpia de uma substância a temperatura e a entalpia de uma substância a temperatura de . Como o enunciado diz que os produtos e reagentes estão a , vale zero pra todas as substâncias.

Com esses valores podemos achar os somatórios na próxima etapa!

Passo 4

Como foi dito antes, o somatório da esquerda é a soma das entalpias dos reagentes que são queimados a cada segundo. Isso quer dizer que esse somatório é igual às entalpias específicas dos reagentes multiplicadas pelas vazões molares dos reagentes!

Calculando separadamente cada termo da soma:

Juntando os termos novamente, chegamos no valor do somatório da esquerda.

Agora, vamos partir pro cálculo do somatório da direita. Conforme já foi dito antes, o somatório da direita é a soma das entalpias dos produtos que são queimados a cada segundo. Isso quer dizer que esse somatório é igual às entalpias específicas dos produtos multiplicadas pelas vazões molares dos produtos!