Razão Ar-Combustível e Razão Combustível-Ar

Produzido por Rafael Cardoso Brandão
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Teoria

As quantidades de ar e combustível devem ser equilibradas!

Quando sopramos uma vela muito forte, o fogo dela apaga. Ou seja, muito ar faz o combustível da vela parar de queimar. Quando tampamos a vela com um copo, o fogo dela também apaga. Nesse caso, a falta de ar faz o combustível da vela parar de queimar também. Por que uma hora o ar faz a combustão parar e outra hora ele é necessário para a combustão?

Porque a combustão precisa de uma proporção equilibrada entre ar e combustível para dar certo. Se a reação possui muito ar e pouco combustível, ela não dá certo. Por outro lado, se a reação possui mais combustível e pouco ar, ela também dá errado. Isso significa que a proporção precisa estar em uma faixa de valores para a combustão dar certo.

Por causa disso, é muito importante saber calcular qual é a proporção entre ar e combustível que está presente entre os reagentes da combustão! Mas como se faz isso?

É isso que veremos agora!

Razão ar-combustível ( A C )

Nós calculamos a proporção entre ar e combustível presentes numa combustão, dividindo a quantidade de ar pela quantidade de combustível. O resultado dessa divisão é chamado de relação ar-combustível ou razão ar-combustível. Geralmente, essa razão é calculada como a massa de ar ( m a r ) dividida pela massa do combustível ( m c o m b ) .

A C m a s s a = m a r m c o m b

onde:

  • A C m a s s a é a razão ar-combustível em base mássica;
  • m a r é a massa de ar presente nos reagentes. Sua unidade no Sistema Internacional (S.I.) é o quilograma ( k g ) ;
  • m c o m b é a massa de combustível presente nos reagentes. Sua unidade no Sistema Internacional (S.I.) é o quilograma ( k g ) .

Quando calculamos a razão ar-combustível através das massas ( A C m a s s a ) , dizemos que A C está em base mássica. No entanto, essa não é a única forma de calcularmos A C . Ela também pode ser calculada como a divisão entre a quantidade de k m o l do ar ( n a r ) dividida pela quantidade de k m o l de combustível ( n c o m b ) . Nesse caso dizemos que A C está em base molar ( A C m o l a r ) !

A C m o l a r = n a r n c o m b

onde:

  • A C m o l a r é a razão ar-combustível em base molar;
  • n a r é a quantidade de k m o l do ar presente entre os reagentes;
  • n c o m b é a quantidade de k m o l do ar presente entre os reagentes.

Nós vamos ver através dos exercícios que calcular A C m o l a r é, geralmente, mais fácil do que calcular A C m a s s a . No entanto, muitas questões pedem o valor de A C em base mássica ( A C m a s s a ) . Então como podemos converter o valor de A C m o l a r para A C m a s s a ? A fórmula abaixo faz essa mudança de base pra gente!

A C m a s s a = A C m o l a r × M a r M c o m b

onde:

  • M a r é a massa molar do ar. Ela vale aproximadamente 28,97   k g / k m o l .

M a r = 28,97   k g k m o l

  • M c o m b é a massa molar do combustível. Ela varia de combustível para combustível. A tabela abaixo mostra o valor da massa molar para alguns combustíveis.

Exemplo de cálculo da razão ar-combustível A C

Já conhecemos as fórmulas para calcular a razão ar-combustível a partir das quantidades de k m o l do ar n a r e do combustível n c o m b . Mas como a gente pode achar o valor de A C se as questões de combustão quase nunca informam diretamente os valores de n a r e n c o m b pra gente? Para tirar essa dúvida, vamos resolver um exemplo!

Determine a razão ar-combustível em base mássica da combustão representada pela equação química abaixo.

2   C H 4 + 4   O 2 + 3,76   N 2 ⟶ 2   C O 2 + 4   H 2 O + 15,04   N 2

O primeiro passo para calcular a razão ar-combustível em base mássica A C m a s s a é calcular a razão ar-combustível em base molar A C m o l a r . A fórmula de A C m o l a r depende da quantidade de k m o l do combustível n c o m b e da quantidade de k m o l de ar n a r . O combustível da equação química acima é o metano C H 4 . A quantidade de k m o l do metano na equação vale:

2   C H 4 + 4   O 2 + 3,76   N 2 ⟶ 2   C O 2 + 4   H 2 O + 15,04   N 2

n c o m b = 2   k m o l

Já a quantidade de k m o l de ar n a r é a soma entre a quantidade de k m o l de nitrogênio n N 2 e a quantidade de k m o l do oxigênio n O 2 .

2   C H 4 + 4   O 2 + 4 × 3,76   N 2 ⟶ 2   C O 2 + 4   H 2 O + 15,04   N 2

n a r = n N 2 + n O 2

n a r = 4 × 3,76 + 4

n a r = 19,04

Dividindo essas duas quantidades, obtemos o valor de A C m o l a r .

A C m o l a r = n a r n c o m b

  A C m o l a r = 19,04 2

A C m o l a r = 9,52

Esse valor de A C m o l a r significa que para cada 1   k m o l de C H 4 existem 9,52   k m o l de ar reagindo com ele! Em outras palavras o valor de A C m o l a r informa pra gente a quantidade de k m o l de ar que reage com cada 1   k m o l de combustível!

Podemos calcular A C m a s s a , convertendo o valor de A C m o l a r com a ajuda das massas molares do ar M a r e do metano M C H 4 . A massa molar do metano M C H 4 está presente na tabela de massa molar de alguns combustíveis mostrada antes.

A C m a s s a = A C m o l a r × M a r M c o m b

A C m a s s a = 9,52 × 28,97 16,04

A C m a s s a = 17,19

O valor de A C m a s s a significa que, nessa reação, para cada 1   k g de C H 4 existem 17,19   k g de ar reagindo com ele! Dizendo isso de outra forma, para cada 1   k g de combustível existem 17,19   k g de ar reagindo com ele!

Razão combustível-ar (CA)

Aprendemos algumas formas de calcular a razão ar-combustível A C , mas ela não é a única forma de calcular a proporção entre combustível e ar!

A gente também pode calcular a proporção entre combustível e ar, dividindo a quantidade de combustível pela quantidade de ar. Essa divisão é chamada de razão combustível-ar ou relação combustível-ar C A .

C A m a s s a = m a r m c o m b

C A m o l a r = n a r n c o m b

onde:

  • C A m a s s a é a razão combustível-ar em base mássica;
  • C A m o l a r é a razão combustível-ar em base molar.

Mas qual é a diferença entre essa forma nova C A de calcular a proporção entre combustível e ar e a outra forma mais comum de aparecer em exercícios A C ?

A razão combustível-ar C A é o inverso da razão ar-combustível A C ! Ou seja, a gente calcula C A invertendo a fórmula de A C .

C A m a s s a = 1 A C m a s s a

C A m o l a r = 1 A C m o l a r

Por causa disso, a forma de ler o valor da razão combustível-ar C A é diferente da forma de ler o valor da razão ar-combustível A C ! Então vamos aprender a ler esse valor e aprender a calcular C A , resolvendo um exemplo!

Exemplo de cálculo da razão combustível-ar C A

Determine a razão combustível-ar em base mássica e em base molar da combustão representada pela equação química abaixo.

2   C H 4 + 4   O 2 + 3,76   N 2 ⟶ 2   C O 2 + 4   H 2 O + 15,04   N 2

Essa equação química é igual à equação química que usamos de exemplo para calcular A C m a s s a . Isso significa que os valores de A C m a s s a e A C m o l a r que calculamos antes, serve para o exemplo de agora também!

Logo, para achar C A m a s s a , só precisamos inverter o valor de A C m a s s a que já calculamos!

C A m a s s a = 1 A C m a s s a

C A m a s s a = 1 17,19

C A m a s s a = 0,058

Esse valor de C A m a s s a significa que para cada 1   k g de ar existem 0,058   k g de C H 4 reagindo com ele! Em outras palavras o valor de C A m a s s a informa pra gente a quantidade de k g de combustível que reage com cada 1   k g de ar!

Podemos usar o mesmo truque de inverter a fórmula de A C para achar C A m o l a r !

C A m o l a r = 1 A C m o l a r

C A m o l a r = 1 9,52

C A m o l a r = 0,105

O valor de C A m o l a r significa que para cada 1   k m o l de ar existem 0,105   k m o l de C H 4 reagindo com ele! Em outras palavras o valor de C A m o l a r informa pra gente a quantidade de k m o l de combustível que reage com cada 1   k m o l de ar!

Exemplo de cálculo da razão ar-combustível A C

Razão combustível-ar (CA)

Exemplo de cálculo da razão combustível-ar C A

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