Quimiluminescência Luminiscência Robert E. Leandro MEEA Mestrado em Engenharia Mecânica Departamento de Eng. Mecânica 13 Out 2004.

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1 Quimiluminescência Luminiscência Robert E. Leandro MEEA Mestrado em Engenharia Mecânica Departamento de Eng. Mecânica 13 Out 2004

2 Luminescência Após excitarmos uma espécie química, esta pode emitir luz ao desexcitar. O comprimento de onda da luz emitida vai depender do nível para o qual o electrão transitou quando foi excitado, e para o qual ele regressará.

3 Tipos de Luminescência Quimiluminescência é a produção de luz a partir de uma reacção química, em excesso em relação à radiação de corpo negro esperada desse corpo. Daí ser frequentemente referida como “luz fria”. três tipos de processos de produção de “luz fria”: Fosforescência Fluorescência Quimiluminescência

4 Mecanismo de Emissão de Luz 516 nm C2*C2* + Fosforescência Fluorescência Quimiluminescência Fotão Emitido E= h  Fonte de excitação Fotoindução Reacção química Tempo de relaxamento ~ minutos ms ~ ns C2C2

5 Fluorescência Fotoluminescência Exemplos: Fosforescência

6 Quimiluminescência Quando, numa reação química duas ou mais espécies reagem entre si por vezes surgem nos produtos da reacção uma espécie que se encontra excitada e pode emitir luz ao se desexcitar. A + B  C* + D C*  C + h

7 Quimiluminescência Existem na Natureza animais, plantas e bactérias que contêm enzimas capazes de produzir reacções químicas que emitem luz. Bioluminescência

8 Quimiluminescência Chamas A Quimiluminescência está intrisicamente ligada à cinética química que suporta o processo de combustão As espécies químicas que provocam essa luz, em chamas limpas, são principalmente o C 2, CH e OH.

9 Quimiluminescência Passos da reacção de maior intencidade QL 516 nm 431 nm 308 nm Luminosidade da Chama

10 Luminosidade da Chama – Espectro Exemplo do espectro de luz de uma chama azul. OH*, CH* e C 2 * são os principais radicais quimiluminiscentes

11 Comprimentos de onda emitidos Radicais e produtos da combustão comuns : EspécieComprimentos de onda (nm) OH*306 – 315 NH*336 CN*359, 386 CH*390, 431 C2*C2*469 – 473, 510 – 516 CH 2 O*395, 423 CO 2 *Banda de emissão 513 nm 431 nm 308 nm

12 A Técnica Espécies quimiluminiscentes formadas durante o processo de Combustão podem dar informações importantes sobre esse mesmo processo de Combustão. Intensidade de emissão é proporcional à concentração de radicais Existência ou não de reacção Identificação da posição da frente de chama

13 A Técnica Dependência Linear da quimiluminiscência com o caudal de combustível, para um mesmo regime de escoamento (Clark, 1958). Dependência com a razão de equivalência (Clark, 1958). Quimiluminescência mínima de CH e máxima de C2 para zonas ricas da razão de equivalência. Como é que esta informação pode ser usada?

14 A Técnica concentração de OH*, C 2 * e CH* Modelos tendem a falhar em zonas onde a chama é sujeita a elevadas taxas de estiramento e curvatura (Teod. 2004) razão de OH* / CH* Proporcional à taxa de reacção Proporcional à razão de equivalência razão de C2* / CH* razão de OH* / C2*

15 A Técnica Resolução espacial das medidas de emissão de radicais coincidem com a zona de reacção devido ao tempo de vida curto dos radicais. Tempo de vida (s) C2*C2*10 -7 CH*10 -5 OH*10 -7 Medidas são normalmente feitas ao longo de uma linha de integração. Medidas locais são mais difíceis. MAS

16 Aplicação da Técnica a Combustão não Estacionária Necessidades Elevada Resolução Temporal Elevada Resolução Espacial PM t~ns Optica de Cassegrain

17 Medidas Locais Sistema de Focagem : Elevada Resolução Espacial from Beduneau & Ikeda (2002) z Lente Esférica Espelhos de Cassegrain Resolução Espacial

18 Medidas Locais Sonda com Lente Esférica Indices de refracção dependem de : - aberrações cromáticas Dimensões do Volume de Controle: - aberrações geométricas Sonda com óptica de Cassegrain

19 Intensidade cromática Lente Colimadora Espelho Dicroico Filtro de interferência C 2 * (513 nm) Filtro de interferência OH* (308nm) PMs Fibra Optica

20 Exemplo de Aplicação (1) I/P = const.I  P CH* e OH I/P = m  + b I = P(m  + b) C 2 * I/P

21 Exemplo de Aplicação (1) cont. I 1 / I 2 = m  + b à priori > m  > resolução (C2/OH) mas quanto mais pobre o regime < I(C2)

22 Exemplo de Aplicação (11) Distribuição radial de OH em Chama do tipo Bunsen

23 Exemplo de Aplicação (11) cont. Distribuição radial de OH em Chama do tipo Bunsen

24 Exemplo de Aplicação (111) ResoluçãoTemp. [t] Spherical lens √ Langmuir Probe √ Cassegrain Optics √ Esp. [x] [t] e [x] _ ? √√ +?

25 Exemplo de Aplicação (11I) cont.

26 References Beduneau, J.-L. & Ikeda, Y. (2002), Application of Laser Ignition on Laminar Flame Front Structure Investigation. Presented in the 11th symposium of Applications of Lasers Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal. Clark, T. (1958). Studies of OH,CO and C2 radiation from laminar and turbulent propane-air and ethylene-air flames. NACA Technical notes 4266.