Combustão Completa e Ar Teórico
Teoria
Que tipo de combustão desperdiça menos combustível?
No estudo da termodinâmica, a gente está sempre preocupado em evitar o desperdício dos recursos que usamos! Para evitar o desperdício de energia, queremos que a eficiência de um ciclo que gera trabalho esteja o mais próxima possível do ciclo de Carnot. Um ciclo de Carnot usa menos energia que um ciclo real para gerar a mesma quantidade de trabalho !
Por causa dessa preocupação em aproveitar ao máximo os recursos que temos, fazemos a seguinte pergunta: existe um tipo de combustão que desperdiça menos combustível? Sim! Essa combustão é chamada de combustão completa! A combustão completa usa menos combustível do que uma combustão incompleta para liberar a mesma quantidade de energia.
Para uma mesma quantidade de combustível, a combustão completa libera mais energia do que a combustão incompleta. Mas por que a combustão completa libera mais energia, se os dois processos estão usando a mesma quantidade de combustível? Em outras palavras, qual é a diferença entre a combustão completa e a combustão incompleta?
Combustão completa
Dizemos que um processo de combustão está completo, quando todo carbono do combustível vira , todo hidrogênio vira e todo o enxofre vira . O enxofre quase nunca faz parte dos combustíveis que aparecem nos exercícios. Por isso, ele não vai aparecer nos nossos exemplos!
Em outras palavras, a combustão completa com ar seco que estudaremos só gera produtos: o (que vem do ar seco), o , o , o e o . O só aparece nos produtos, quando a reação ocorre com excesso de oxigênio. Quando só existem essas moléculas nos produtos da reação, quer dizer que os combustíveis liberaram toda a energia que poderiam liberar!
Dizendo isso de outra forma, quando os elementos químicos só geram esses cinco produtos, é sinal de que o combustível foi totalmente aproveitado! Por conta disso, sempre queremos que a combustão seja completa!
Combustão incompleta
A combustão é chamada de incompleta, quando existem combustíveis que não foram totalmente aproveitados nos produtos, como: , , , , etc. Esses produtos ainda possuem energia para liberar, mas a reação chegou ao fim antes de quebrar essas moléculas e tirar essa energia delas! Ou seja, a combustão incompleta é um desperdício de combustível!
Ou seja, a única diferença entre a combustão completa e a combustão incompleta são os produtos gerados pelas reações. Na combustão completa, o combustível é totalmente queimado e gera menos produtos. Já na combustão incompleta, o combustível é parcialmente queimado e acaba formando produtos a mais que poderiam liberar mais energia.
Já vimos que a combustão incompleta tem desvantagens em relação à combustão completa. Então o que precisamos fazer para evitar que a combustão seja incompleta?
Ar teórico
Os produtos gerados pela combustão dependem de vários fatores: a temperatura dos reagentes, a quantidade de reagindo, a quantidade de combustível e se o combustível está bem misturado com o oxigênio. São tantas variáveis que podem interferir na composição dos produtos, que é muito difícil de controlar quais moléculas vão ser formadas na combustão!
No entanto, existe um fator que não podemos deixar faltar! Se ele faltar, a combustão será incompleta! Esse fator é a quantidade mínima de ar necessária para a combustão completa. Se for fornecido menos ar do que essa quantidade, o combustível não terá suficiente para reagir e queimar completamente. Essa quantidade mínima de ar é chamada de ar teórico.
Atenção! Esse não é o único nome dado para essa quantidade mínima de ar! Ela também aparece nos exercícios como ar estequiométrico, quantidade de ar quimicamente correta ou ar teórico.
Combustão estequiométrica
Além disso, vemos pela figura acima que fornecer essa quantidade mínima de ar não garante que a combustão seja completa. Ela é só a quantidade mínima que precisamos fornecer para a combustão ter a possibilidade de ser completa. Quando a combustão consegue ser completa com a quantidade teórica de ar, chamamos ela de combustão teórica ou estequiométrica.
Na maioria das combustões reais usamos mais ar do que a quantidade estequiométrica! Isso serve para aumentar as chances da combustão ser completa! Quando a combustão completa ocorre com mais ar do que a quantidade estequiométrica de ar , ela gera nos seus produtos. Um exemplo desse tipo de reação está na figura abaixo.
Se a quantidade de ar teórico é um fator tão importante, como podemos calcular esse valor? Para descobrir como fazemos essa conta, vamos resolver um exemplo!
Exemplo para calcular a quantidade de ar teórico
Calcule a quantidade de ar teórico necessária para a combustão de de metano com ar seco.
Para calcular a quantidade de ar teórico da combustão, temos que considerar que ela é estequiométrica. Ou seja, precisamos considerar que ela é uma combustão completa sem excesso de ar. Isso significa que, só existem o , o e nos produtos. Isso acontece no caso do , porque todo o vira e todo o vira .
Calcular a quantidade de ar teórico da combustão é a mesma coisa que calcular a quantidade de de ar . A quantidade de de ar é a soma entre a quantidade de do e a quantidade de do .
O enunciado do problema já informou que o vale .
Para calcular os coeficientes estequiométricos que faltam, precisamos realizar o balanço químico da equação.
Se aplicarmos o balanço químico para o carbono , achamos que:
Se a gente fizer o mesmo para o hidrogênio , encontramos que:
Já para o oxigênio a equação fica:
Com esses valores, podemos calcular e .
Por fim, encontramos a quantidade de ar teórico !
Combustão incompleta
Ar teórico
Combustão estequiométrica
Exemplo para calcular a quantidade de ar teórico n a r t e ó r i c o ó
Exercícios Resolvidos
Exercício Resolvido #1
Elaboração própria
Determine a quantidade de ar teórico necessária para queimar uma amostra de carvão composta por carbono de .
Passo 1
Oi, lindonas e lindões! Vamos fazer um exercício de cálculo de quantidade de ar teórico?
O exercício quer que a gente calcule a menor quantidade de de ar seco que faça de carbono passar por uma combustão completa. Em outras palavras, ele quer saber quantos de ar temos que usar pra transformar em ! A equação da combustão abaixo mostra os reagentes e produtos da combustão completa de .
onde , e são os coeficientes estequiométricos da equação química da combustão.
Como o ar é composto de e , a quantidade de de ar é a soma entre a quantidade de de do ar e a quantidade de de .
Para achar o valor do coeficiente vamos precisar fazer o balanço químico da equação de combustão.
Passo 2
Fazer o balanço da equação é a mesma coisa que fazer os elementos químicos do lado esquerdo terem a mesma quantidade de que dos elementos químicos do lado direito! Ou seja, a quantidade de do lado esquerdo deve ser igual à quantidade de do lado direito. Por isso, de dos reagentes deve ser igual a de dos produtos.
O coeficiente pode ser encontrado fazendo o balanço de oxigênio . Pra isso, os de presentes nos reagentes têm que ser iguais aos de dos produtos.
Substituindo na fórmula de :
Resposta
Exercício Resolvido #2
Elaboração própria
Calcule a quantidade estequiométrica de ar necessária para queimar de octano .
Passo 1
Oi, minha gente! Partiu fazer um exercício de cálculo de quantidade estequiométrica de ar pra alegrar o dia?
O exercício quer que a gente calcule a menor quantidade de de ar seco que faça de passar por uma combustão completa. Em outras palavras, ele quer saber quantos de ar temos que usar pra transformar em e ! A equação da combustão abaixo mostra os reagentes e produtos da combustão completa de .
onde , , e são os coeficientes estequiométricos da equação química da combustão.
Como o ar é composto de e , a quantidade de de ar é a soma entre a quantidade de de do ar e a quantidade de de .
Para achar o valor do coeficiente vamos precisar fazer o balanço químico da equação de combustão.
Passo 2
Fazer o balanço da equação é a mesma coisa que fazer os elementos químicos do lado esquerdo terem a mesma quantidade de que dos elementos químicos do lado direito! Ou seja, a quantidade de do lado esquerdo deve ser igual à quantidade de do lado direito. Por isso, de dos reagentes deve ser igual a de dos produtos.
Antes de achar o coeficiente , precisamos calcular o coeficiente através do balanço de hidrogênio ! De acordo com esse balanço, os de dos reagentes precisam ser iguais aos de dos produtos.
O coeficiente pode ser encontrado fazendo o balanço de oxigênio . Pra isso, os de presentes nos reagentes têm que ser iguais aos de dos produtos.
Substituindo na fórmula de :
Resposta
Exercício Resolvido #3
Elaboração própria
Deduza uma fórmula que calcule a quantidade estequiométrica de ar necessária para queimar de um hidrocarboneto qualquer .
Passo 1
Tudo bem, querid@s? Partiu fazer um exercício de cálculo de quantidade estequiométrica de ar?
O exercício quer que a gente calcule a menor quantidade de de ar seco que faça de passar por uma combustão completa. Em outras palavras, ele quer saber quantos de ar temos que usar pra transformar em e ! A equação da combustão abaixo mostra os reagentes e produtos da combustão completa de .
onde , , e são os coeficientes estequiométricos da equação química da combustão.
Como o ar é composto de e , a quantidade de de ar é a soma entre a quantidade de de do ar e a quantidade de de .
Para achar o valor do coeficiente vamos precisar fazer o balanço químico da equação de combustão.
Passo 2
Fazer o balanço da equação é a mesma coisa que fazer os elementos químicos do lado esquerdo terem a mesma quantidade de que dos elementos químicos do lado direito! Ou seja, a quantidade de do lado esquerdo deve ser igual à quantidade de do lado direito. Por isso, os de dos reagentes deve ser igual aos de dos produtos.
Antes de achar o coeficiente , precisamos calcular o coeficiente através do balanço de hidrogênio ! De acordo com esse balanço, os de dos reagentes precisam ser iguais aos de dos produtos.
O coeficiente pode ser encontrado fazendo o balanço de oxigênio . Pra isso, os de presentes nos reagentes têm que ser iguais aos de dos produtos.
Substituindo na fórmula de :
Resposta
Exercício Resolvido #4
Elaboração própria
Um combustível gasoso possui análise volumétrica de de , de e de . Determine a quantidade de ar teórico necessária para queimar desse combustível.
Passo 1
E aí, galera bonita! Bora colocar em prática nosso conhecimento sobre cálculo de ar teórico através de um exercício?
O exercício quer que a gente calcule a menor quantidade de de ar seco que faça de combustível composto de , e passar por uma combustão completa. Ou seja, ele quer saber quantos de ar temos que usar pra transformar o combustível em , e ! A equação da reação abaixo mostra os reagentes e produtos da combustão.
onde , , , , , e são os coeficientes estequiométricos da equação química da combustão.
Como o ar é composto de e , a quantidade de de ar é a soma entre a quantidade de de do ar e a quantidade de de .
Para achar o valor do coeficiente vamos precisar fazer o balanço químico da equação de combustão.
Passo 2
O primeiro passo para fazer o balanço de uma equação com combustível misturado é determinar a quantidade de dos componentes que formam o combustível. Ou seja, temos que achar de de , a quantidade de de e a quantidade de de presentes dentro da mistura combustível. Grava pra não errar na prova!
Achamos a quantidade de de , multiplicando os de combustível pelos de no combustível.
Da mesma forma, achamos a quantidade de de , multiplicando os pelos de no combustível. A quantidade de de é encontrada, multiplicando os pelos de no combustível!
Substituindo essas informações na equação química de combustão, encontramos a seguinte reação.
Com esses coeficientes somos capazes de achar , e no próximo passo!
Passo 3
Fazer o balanço da equação é a mesma coisa que fazer os elementos químicos do lado esquerdo terem a mesma quantidade de que dos elementos químicos do lado direito! Ou seja, a quantidade de do lado esquerdo deve ser igual à quantidade de do lado direito. Por isso, de dos reagentes deve ser igual a de dos produtos.
Calculamos o coeficiente através do balanço de hidrogênio ! De acordo com esse balanço, os de dos reagentes precisam ser iguais aos de dos produtos.
O coeficiente pode ser encontrado fazendo o balanço de oxigênio . Pra isso, os de presentes nos reagentes têm que ser iguais aos de dos produtos.
Substituindo na fórmula de :
Resposta
Exercício Resolvido #5
Elaboração própria
Uma mistura de gás natural possui uma análise molar de de , de e de . Calcule a quantidade de ar teórico necessária à combustão completa de desse combustível.
Passo 1
E aí, galera bonita! Bora colocar em prática nosso conhecimento sobre cálculo de ar teórico através de um exercício?
O exercício quer que a gente calcule a menor quantidade de de ar seco que faça de combustível composto de , e passar por uma combustão completa. Ou seja, ele quer saber quantos de ar temos que usar pra transformar o combustível em , e ! A equação da reação abaixo mostra os reagentes e produtos da combustão.
onde , , , , , e são os coeficientes estequiométricos da equação química da combustão.
Como o ar é composto de e , a quantidade de de ar é a soma entre a quantidade de de do ar e a quantidade de de .
Para achar o valor do coeficiente vamos precisar fazer o balanço químico da equação de combustão.
Passo 2
O primeiro passo para fazer o balanço de uma equação com combustível misturado é determinar a quantidade de dos componentes que formam o combustível. Ou seja, temos que achar de de , a quantidade de de e a quantidade de de presentes dentro da mistura combustível. Gente, gravem isso pra não errar!
Achamos a quantidade de de , multiplicando os de combustível pelos de no combustível.
Da mesma forma, achamos a quantidade de de , multiplicando os pelos de no combustível. A quantidade de de é encontrada, multiplicando os pelos de no combustível!
Substituindo essas informações na equação química de combustão, encontramos a seguinte reação.
Com esses coeficientes somos capazes de achar , e no próximo passo!
Passo 3
Fazer o balanço da equação é a mesma coisa que fazer os elementos químicos do lado esquerdo terem a mesma quantidade de que dos elementos químicos do lado direito! Ou seja, a quantidade de do lado esquerdo deve ser igual à quantidade de do lado direito. Por isso, de dos reagentes deve ser igual a de dos produtos.
Calculamos o coeficiente através do balanço de hidrogênio ! De acordo com esse balanço, os de dos reagentes precisam ser iguais aos de dos produtos.
O coeficiente pode ser encontrado fazendo o balanço de oxigênio . Pra isso, os de presentes nos reagentes têm que ser iguais aos de dos produtos.
Substituindo na fórmula de :
Resposta
Exercício Resolvido #6
Elaboração própria
Uma quantidade desconhecida de gás metano é queimada, gerando de um produto seco com a seguinte composição: de , de , de e de . Determine a quantidade de ar teórico necessária para queimar essa quantidade desconhecida de gás metano.
Passo 1
Oi, lind@s! Indo direto ao ponto, o exercício pede que que a gente calcule a menor quantidade de de ar seco que deve reagir com de de em uma combustão completa. No entanto, nós não conhecemos a quantidade de que é queimada. Logo, precisamos achar antes de achar . Pra isso, balanceamos a equação de combustão abaixo.
onde , , , , e são os coeficientes estequiométricos da equação química da combustão.
Essa é a equação química da combustão que gera o produto com composição mostrada no enunciado! Pra achar a quantidade de temos que começar a balancear essa equação no próximo passo!
Passo 2
O primeiro passo para balancear uma equação de combustão com a composição dos produtos conhecida é achar a quantidade de de cada componente dos produtos. Ou seja, a primeira etapa é achar os coeficientes de cada componente. Por exemplo, achamos a quantidade de de multiplicando os de produto seco pelos de .
Também somos capazes de achar a quantidade de de , multiplicando os de produto seco pelos de presente nos produtos secos.
Nós não precisamos balancear toda a equação! Saber o valor dos coeficientes de e já basta, porque calcularemos através do balanço de carbono (o e o são as únicas substâncias do produto que possuem carbono ). Pra quantidade de ficar balanceada, os de dos reagentes têm que ser iguais aos de dos produtos.
Agora sim somos capazes de achar a quantidade de ar teórico que queima os de completamente!
Passo 3
é a quantidade de ar que faz o virar somente e . Por isso, encontramos balanceando a equação de combustão abaixo!
onde , , e são os coeficientes estequiométricos da nova equação química da combustão. Não confunda com os coeficientes antigos da reação do passo 1! Eles são diferentes!
Como o ar é composto de e , a quantidade de de ar é a soma entre a quantidade de de do ar e a quantidade de de .
Faremos o balanço químico da nova equação de combustão no próximo passo pra achar e !
Passo 4
Para a quantidade de carbono ficar balanceada, a quantidade de do lado esquerdo deve ser igual à quantidade de do lado direito. Por isso, de dos reagentes deve ser igual a de dos produtos.
Calculamos o coeficiente através do balanço de hidrogênio ! De acordo com esse balanço, os de dos reagentes precisam ser iguais aos de dos produtos.
Por fim, o coeficiente pode ser encontrado fazendo o balanço de oxigênio . Pra isso, os de presentes nos reagentes têm que ser iguais aos de dos produtos.
Substituindo na fórmula de :
Resposta
Exercício Resolvido #7
Elaboração própria
Uma mistura de gás natural possui uma análise molar de de , de , de , de e de . Calcule a quantidade de ar teórico necessária à combustão completa de desse combustível.
Passo 1
E aí, pessoa! Bora fazer um exercício de cálculo de ar teórico? Tenho certeza que depois desse exercício você vai olhar pro problema da sua prova e vai pensar:
O exercício quer que a gente calcule a menor quantidade de de ar seco que faça de combustível composto de , , , e passar por uma combustão completa. Ou seja, ele quer saber quantos de ar temos que usar pra transformar o combustível em , e ! Abaixo estão os reagentes e produtos dessa combustão.
onde , , , , , , , e são os coeficientes estequiométricos da equação química da combustão.
Como o ar é composto de e , a quantidade de de ar é a soma entre a quantidade de de do ar e a quantidade de de .
Para achar o valor do coeficiente vamos precisar fazer o balanço químico da equação de combustão.
Passo 2
O primeiro passo para fazer o balanço de uma equação com combustível misturado é determinar a quantidade de dos componentes que formam o combustível. Ou seja, temos que calcular os de , os de , os de , os de e os de presentes na mistura combustível. Gente, memorizem isso!
Achamos a quantidade de de , multiplicando os de combustível pelos de no combustível.
Da mesma forma, achamos a quantidade de de , multiplicando os pelos de no combustível. A quantidade de de é encontrada, multiplicando os pelos de no combustível!
Usando o mesmo método, o é calculado, multiplicando pelos de e é encontrado multiplicando pelos de .
Substituindo essas informações na equação química de combustão, encontramos a seguinte reação.
Com esses coeficientes somos capazes de achar , e no próximo passo!
Passo 3
Fazer o balanço da equação é a mesma coisa que fazer os elementos químicos do lado esquerdo terem a mesma quantidade de que dos elementos químicos do lado direito! Ou seja, os de dos reagentes deve ser igual aos de dos produtos.
Calculamos o coeficiente através do balanço de hidrogênio ! De acordo com esse balanço, os de dos reagentes precisam ser iguais aos de dos produtos.
O coeficiente pode ser encontrado fazendo o balanço de oxigênio . Pra isso, os de presentes nos reagentes têm que ser iguais aos de dos produtos.
Substituindo na fórmula de :
Resposta
Exercício Resolvido #8
Elaboração própria
Uma amostra de carvão em uma análise análise final (em massa), possui de de , de , de , de , de e de cinzas não combustíveis. Calcule a quantidade de ar teórico necessária à combustão completa de desse carvão.
Passo 1
Oi, chuchu! Bora fazer um exercício de cálculo de ar teórico! Não fica se lamentando jogad@ na cama, pensando que nada vai dar certo! Seu gato deve estar te julgando!
O exercício quer que a gente calcule a menor quantidade de de ar seco que faça do carvão composto de , , , e passar por uma combustão completa. Ou seja, ele quer saber quantos de ar temos que usar pra transformar o combustível em , , e ! Abaixo estão os reagentes e produtos dessa combustão.
onde , , , , , , , e são os coeficientes estequiométricos da equação química da combustão. As cinzas não entram na equação, porque não participam da combustão!
Como o ar é composto de e , a quantidade de de ar é a soma entre a quantidade de de do ar e a quantidade de de .
Para achar o valor do coeficiente vamos precisar fazer o balanço químico da equação de combustão.
Passo 2
O primeiro passo para fazer o balanço de uma equação, quando o enunciado nos dá as composições dos produtos e do combustível, é determinar os coeficientes de cada componente do combustível. Os coeficientes são encontrados, calculando as massas de cada componente.
Calcularemos , achando a massa de carbono presente no combustível. Encontramos multiplicando os de combustível pelos de no combustível.
Da mesma forma, achamos a massa de , multiplicando pelos de no combustível. A massa de é encontrada, multiplicando pelos de .
Fazemos o mesmo com e . Suas massas e são calculadas, multiplicando a massa de do combustível todo pelas suas porcentagens mássicas dadas pelo enunciado.
Agora, para achar a quantidade de de nos reagentes, dividimos pela massa molar do carbono que vale .
é encontrado, dividindo pela massa molar do hidrogênio que vale segundo as tabelas termodinâmicas de gases.
Encontramos a quantidade de de presente no combustível, dividindo pela massa molar do que vale .
Por fim, achamos e , dividindo e pelas massas molares de e de .
Substituindo o valor desses coeficientes calculados na equação de combustão:
Com esses coeficientes já somos capazes de achar os coeficientes restantes!
Passo 3
Fazer o balanço da equação é a mesma coisa que fazer os elementos químicos do lado esquerdo terem a mesma quantidade de que dos elementos químicos do lado direito! Ou seja, os de dos reagentes deve ser igual aos de dos produtos.
Calculamos o coeficiente através do balanço de hidrogênio ! De acordo com esse balanço, os de dos reagentes precisam ser iguais aos de dos produtos.
O coeficiente pode ser encontrado fazendo o balanço de oxigênio . Pra isso, os de presentes nos reagentes têm que ser iguais aos de dos produtos.
Substituindo na fórmula de :