Análise termodinâmica da Combustão

1. Análise termodinâmica da Combustão • Combustíveis • Hidrocarboneto sólido: carvão – C, H, O, N, S, água e cinza • Antracito (duro) ou Betume (macio) • Hidrocarbonetos líquidos CxHy : gasolina, querosene, óleo combustível • Vantagens dos combustíveis líquidos: limpeza e facilidade no manuseio e estocagem • Álcool – carbohidrato - CxHzOH : máquinas de combustão interna • Combustão completa e são limpos

2. Combustíveis

3. Processo de Combustão • Conservação de massa • Pequena redução de massa ( 10-10 kg/Kg combustível) : E=mc2 • C + O2 = CO2 • CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O • Ar: 3,76 moles de N2/mol O2 • CH4 + 2O2 + 2(3,76) N2 = CO2 + 2H2O + 7,52 N2 • Ar Teórico: quantidade mínima de ar necessária para oxidar os reagentes

4. Processo de Combustão • Excesso de ar é requerido para circundar as moléculas de hidrocarboneto e assegurar combustão completa – 25 % de excesso • CH4 + (1,25) (2) O2 + (1,25) (2) (3,76) N2 = CO2 + 2H2O + 9,4 N2+ 0,5 O2 • Combustão incompleta : fuligem • Condições para combustão completa: • Mistura ar-combustível precisa estar na temperatura de ignição • Oxigênio suficiente • Contato entre oxigênio e combustível

5. Razão ar - combustível • C2 H6 + 3,5 O2 + 3,5 (3,76) N2 = 2 CO2 + 3H2O + 13,17 N2 • Razão moles de ar/moles de combustível = • = (3,5 + 13,7)/1 = 16,67 • R a/f = (16,67 x 28,97) / (1 x 30,068) = 16,05 Kg ar/Kg combustível

6. Produtos de combustão • Fator que afeta a eficiência da combustão: quantidade de ar em excesso. • Se pouco ar é usado, a combustão é incompleta e a energia química do combustível não é totalmente aproveitada. • Se há excesso de ar, calor é perdido aquecendo-se o ar em excesso

7. Análise de Orsat • O gás de combustão passa através de várias substâncias químicas que absorvem dióxido de carbono, monóxido de carbono e oxigênio. • A diminuição volumétrica do gás de combustão é anotada. • O volume restante é considerado nitrogênio.

8. Entalpia de formação • A entalpia de todos os elementos é suposta como sendo zero num estado de referência arbitrário a 25ºC e 1 atm • A entalpia de formação do composto é sua entalpia na sua temperatura e pressão • C + O2 = CO2 • 1a Lei da Termodinâmica: Q + HR = HP • Q + R ni hi = P nj hj • Q = HP = - 393 757 kJ = (hf0 )CO2

9. Células de Combustível • Transforma energia química em energia elétrica através de reações de redução catalisadas por oxigênio • Alta eficiência de conversão de energia • A célula de combustível consome combustíveis supridos externamente • O combustível ( hidrogênio) e o oxidante (oxigênio na forma de ar) são supridos aos sítios catódicos e anódicos da célula

10. Célula de combustível Carga Catodo H2 (g) = 2H+ + 2e- Anodo ½ O2 (g) + 2H+ = H2O Eletrodo poroso Hidrogênio Oxigênio H2 O Câmara de gases

11. Célula de combustível • Voltagem de 1V a 1,3 V • Eficiência da célula =  = Trabalho máximo/Mudança de entalpia global •  = G/H • G = H – TS • G0 = GP – GR = ( HP – HR) – T0 (SP – SR) • G0 = P njhj - R nihi – T0 [P njsj - R nisi ] • H2(g) + ½ O2 (g) = H2O (l)

12. Célula de combustível • G0 = GP = (gf0)H2O = -237 327 kJ/Kgmol • H = HP = (hf0 )H2O = -286 010 kJ/Kgmol •  = 0,83 • G = - nV • N = número de elétrons transferidos por molécula de combustível •  - 96500 kJ/V.Kgmol • V – voltagem = 1,229 V