Comportamento dos gases

QUEIMA DE COMBUSTÍVEIS E COMPORTAMENTO DOS GASES

1. INTRODUÇÃO

O processo de queima de combustíveis está ligado a vários princípios da química e da física. Este trabalho tem por objetivo analisar alguns destes princípios destacando a importância de ambas as matérias em nosso cotidiano e ao mesmo tempo dando uma ênfase ao comportamento dos gases – tema que vem sendo estudado atualmente por nossa classe. De fato, muitas pessoas se beneficiam dos grandes avanços da ciência e dos fenômenos da natureza, mas infelizmente não procuram saber como eles ocorrem, por que ocorrem e se tal comportamento pode ser modificado. A tecnologia é algo que está em constante mudança e para tal, necessita de indivíduos capazes de identificar sempre o que pode ser melhorado, fornecendo sugestões baseadas em seus estudos e observando que a física está presente em tudo.

1. DESENVOLVIMENTO

1. PROCESSO DE COMBUSTÃO

Toda e qualquer queima de combustível é um processo de combustão. Mas o que é um processo de combustão? Para responder tal pergunta, devemos recorrer a alguns conceitos químicos.

Combustão é uma reação química onde dois ou mais reagentes (combustíveis e comburentes- geralmente o gás oxigênio-) com grande liberação de energia em forma de calor e luz. Por isso, são consideradas reações exotérmicas.

A maioria dos combustíveis utilizados são orgânicos (compostos que vem sendo estudados nas aulas de química). Alguns exemplos são: a gasolina, o etanol, o diesel e o metano.  Toda queima de hidrocarbonetos libera compostos na atmosfera que podem causar sérios danos ao meio ambiente. Um exemplo desses é a chuva ácida causada quando são liberadas excessivamente partículas de enxofre e óxidos de nitrogênio.  No entanto, apesar dos danos, a combustão se mostra um processo extremamente eficaz na indústria, no transporte, etc. Assim, cerca de 85% da energia mundial é produto da combustão.

A combustão pode ser lenta (ferrugem), viva (carvão) ou explosiva (no caso dos combustíveis de automóveis). Daremos maior importância ao terceiro tipo de combustão.

A equação de combustão de um hidrocarboneto é dada pela seguinte fórmula:

CxHy + (x + (y/4))O2 → xCO2 + (y/2)H2O

Ou

Combustível + Oxigênio → Dióxido de carbono + Água + Calor

Cada combustível tem suas propriedades específicas. Uma dessas propriedades é o poder calorífico, ou seja, a quantidade de energia em forma de calor que um combustível pode liberar. No caso da gasolina, seu poder calorífico é de 9600 kcal/kg e o do etanol é de 6100kcal/kg. Logo, a gasolina sob as mesmas condições que o álcool, possui um rendimento superior a ele.

O poder de explosão também é outro fator importante a ser notado. A explosão de um combustível deve ocorrer de forma regular (tempo e modo corretos) para que não cause prejuízos ao motor e tenha um aproveitamento razoável. A gasolina é um combustível detonante, por isso necessita de aditivos antidetonantes para ter um funcionamento adequado. Antigamente, este antidetonante era o chumbo tetraetila; no entanto era uma substância nociva à saúde humana e ao meio ambiente, sendo substituída mais tarde pelo álcool.

Para que a combustão de uma substância seja eficaz, são necessárias algumas análises sobre o comportamento dos gases e é aí que começa a entrar a física.

1. FÍSICA ENVOLVIDA NA COMBUSTÃO E FUNCIONAMENTO DE UM MOTOR À EXPLOSÃO

Os dois combustíveis mais utilizados em motores de automóveis convencionais são a gasolina e o etanol. A gasolina é um combustível fóssil derivado do petróleo e como o petróleo é uma fonte não renovável, é um recurso finito. Trata-se de uma mistura de hidrocarbonetos representada por C8H18.  Já o etanol, deriva da fermentação de açúcares oriundos de fontes vegetais como a cana de açúcar e o milho e portanto é um combustível renovável, pois depende apenas do plantio constante da matéria-prima.  É representado quimicamente por C2H6O. Parte-se então para uma análise mais crítica destes dois combustíveis bastante utilizados em veículos. Cada um destes combustíveis necessita para sua queima uma proporção de ar diferente (já considerando que a ar possui apenas 21% de oxigênio). Abaixo é possível conferir esta proporção:

[pic 1][pic 2]

Nos dois raciocínios temos antes a reação de queima dos combustíveis e abaixo a proporção de ar que cada um necessita para ter uma combustão adequada. Ou seja, a gasolina precisa de 15 unidades de ar para cada unidade de massa injetada no motor, enquanto o álcool só precisa de 9.

Nos carros atuais bicombustíveis, existe um mecanismo que controla tudo isso e é chamado de injeção eletrônica. Quando os dois combustíveis são misturados, eletronicamente um sensor detecta a proporção de cada um, calculando (por meio de algoritmos matemáticos) a quantidade ideal que ser injetada para ter o maior rendimento possível.

O combustível em forma líquida passa para o estado gasoso e uma determinada quantidade de ar é misturada a ele. Logo após a partida, o sensor chamado sensor λ (Lambda) faz a leitura da proporção de ar e combustível resultantes da queima (no escape). De acordo com o resultado, ele envia um pulso elétrico que faz o ajuste dessa proporção para que se garanta a máxima eficiência. No entanto, há um outro fator essencial para o bom funcionamento dos veículos atuais e é o chamado tanquinho de gasolina. A gasolina neste tanquinho é enviada à admissão sempre que ocorre a partida do veículo, pois quando o motor é ligado, as misturas dos gases não se encontram em temperaturas ideias de trabalho (principalmente por conta do etanol que possui um poder calorífico mais baixo), daí é que ocorre a dificuldade na hora de dar a partida em dias frios.  Contudo, em modelos de automóveis mais recentes o tanquinho acabou sendo abolido, pois utiliza-se um medidor de condutibilidade elétrica que faz a leitura correta da proporção dos combustíveis antes de entrarem no motor ou mesmo aquecem o etanol antes da ignição para permitir a partida.