Semana 6 COMBUSTÃO – PODER CALORÍFICO.

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1 Semana 6 COMBUSTÃO – PODER CALORÍFICO

2 A combustão é uma reação química onde combustível é oxidado e energia é liberada.
Para calcular a energia liberada e a máxima temperatura obtida é necessário aplicar conservação de energia. Muito mais fácil trabalhar com o conceito de entalpia

3 Vamos por partes...como o Jack (bad joke!)

4 Entalpia Entalpia de formação Entalpia sensível Entalpia absoluta ∆hi
entalpia absoluta = entalpia de formação + entalpia sensível

5 Entalpia absoluta Entalpia sensível Entalpia de formação

6 A interpretação física para entalpia de formação é dada como sendo a entalpia associada com a quebra de ligações químicas de elementos no estado padrão e a formação de novas ligações químicas para criação de um novo composto.

7 O estado padrão (representado pelo símbolo 0) de uma substância é definido pelas condições seguintes: • estado físico mais comum; • estado alotrópico mais estável; • pressão = 1 atm; temperatura = 298K (25 °C)

8 Entalpias de formação de algumas substâncias a 25 oC.
_________________________________________________________________________________ Composto i Fórmula h0f,i [kJ/kmol] Água (l) H2O Água (g) Álcool etílico (l) C2H5OH Amônia (g) NH3 -45867 Benzeno C6H6 83076 Butano (g) C4H10 Carbono (s, grafite) C Dióxido de carbono (g) CO2 Eteno (g) C2H4 -84687 Metano (g) CH4 -74865 Metanol CH3OH Monóxido de carbono (g) CO Nitrogênio molecular (g) N2 Nitrogênio atômico (g) N 472628 n-Decano (g) C10H22 n-Dodecano (g) C12H26 n-Heptano (g) C7H16 n-Octano (g) C8H18 Oxigênio molecular (g) O2 Oxigênio atômico (g) O 249195

9 Numericamente, a entalpia de formação de um composto é igual ao calor trocado pelo volume de controle onde ocorre a reação entre elementos padrão para formação desse composto em questão, de tal forma que tanto os reagentes como os produtos estão na condição padrão (T = 298K e P = 1atm). . , Qvc = HP – HR , Qvc = =0 Na formação do CO2 é necessário a liberação de energia através do VC; daí o sinal negativo da entalpia de formação

10 Para a formação de alguns outros compostos ocorre justamente o contrário, ou seja, é necessário acrescentar energia ao VC e a entalpia de formação possui sinal positivo.

11 Esquema para obter a entalpia de formação do O.
Qvc = HP – HR ,

12 ∆H Entalpia sensível (∆hi)
para Cp cte Valores de entalpia sensível (hi) em função da temperatura podem ser encontrados em diversos textos na forma de tabela.

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14 Comum encontrar Tabelas com equações de entalpia sensível (hi)
Ao utilizar tais tabelas lembre-se da definição de entalpia sensível

15 Entalpia sensível (hi)
Corresponde a diferença de entalpia do composto i entre a condição que ele se encontra (T e P) e a condição padrão (Tref e Pref). Adota-se como condição padrão de referência Tref = 298K e Pref = 1atm

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17 Entalpia absoluta Entalpia sensível Entalpia de formação

18 Exemplo Uma mistura gasosa de CO, CO2 e N2 a 1atm e 1200K contém 0,10 e 0,20 de frações molares para CO e CO2, respectivamente. Determine a entalpia absoluta da mistura em base molar (kJ/kmol).

19 Para um mol de mistura: vamos utilizar Tabelas

20 Tabela 3.1 – Entalpia de formação (h0f,i) para diversos compostos.
Composto i Fórmula h0f,i [kJ/kmol] Água (l) H2O Água (g) Álcool etílico (l) C2H5OH Amônia (g) NH3 -45867 Benzeno C6H6 83076 Butano (g) C4H10 Carbono (s, grafite) C Carbonato de cálcio (s) CaCO3 Dióxido de carbono (g) CO2 Dióxido de enxofre (g) SO2 Dióxido de Nitrogênio (g) NO2 33095 Monóxido de carbono (g) CO Nitrogênio molecular (g) N2 Nitrogênio atômico (g) N 472628

21 hi = a + b.T + c.T2 + d.T3 [kJ/kmol]
Tabela 3.2 – Coeficientes dos polinômios de terceiro para o cálculo da entalpia sensível hi = a + b.T + c.T2 + d.T3 [kJ/kmol] Composto i a b c d CO -8802,31 28,5383 0, -2, CO2 -13106,40 41,9064 0, -5, H2 -8098,13 26,5580 0, -1, H -6196,76 20,7859 OH -8281,70 27,0173 0, -1, H2O -9445,18 29,3863 0, -5, N2 -8678,80 28,1214 0, -2, N -6326,00 21,2820 -0, 7, NO -9091,08 29,5552 0, -2, NO2 -12960,40 41,7093 0, -4, O2 -9126,59 29,7605 0, -1, O -6392,14 21,4915 -0, 4, Obs: entrar com a temperatura em Kelvin no polinômio.

22 hi = a + b.T + c.T2 + d.T3 [kJ/kmol]
Tabela 3.2 – Coeficientes dos polinômios de terceiro para o cálculo da entalpia sensível hi = a + b.T + c.T2 + d.T3 [kJ/kmol] Composto i a b c d CO -8802,31 28,5383 0, -2, CO2 -13106,40 41,9064 0, -5, H2 -8098,13 26,5580 0, -1, H -6196,76 20,7859 OH -8281,70 27,0173 0, -1, H2O -9445,18 29,3863 0, -5, N2 -8678,80 28,1214 0, -2, N -6326,00 21,2820 -0, 7, NO -9091,08 29,5552 0, -2, NO2 -12960,40 41,7093 0, -4, O2 -9126,59 29,7605 0, -1, O -6392,14 21,4915 -0, 4, Obs: entrar com a temperatura em Kelvin no polinômio.

23 hi = a + b.T + c.T2 + d.T3 [kJ/kmol]
Tabela 3.2 – Coeficientes dos polinômios de terceiro para o cálculo da entalpia sensível hi = a + b.T + c.T2 + d.T3 [kJ/kmol] Composto i a b c d CO -8802,31 28,5383 0, -2, CO2 -13106,40 41,9064 0, -5, H2 -8098,13 26,5580 0, -1, H -6196,76 20,7859 OH -8281,70 27,0173 0, -1, H2O -9445,18 29,3863 0, -5, N2 -8678,80 28,1214 0, -2, N -6326,00 21,2820 -0, 7, NO -9091,08 29,5552 0, -2, NO2 -12960,40 41,7093 0, -4, O2 -9126,59 29,7605 0, -1, O -6392,14 21,4915 -0, 4, Obs: entrar com a temperatura em Kelvin no polinômio.

24 Em base mássica

25 Entalpia de Combustão e Poder Calorífico
Define-se entalpia de combustão (HRP) como a diferença entre a entalpia dos produtos e a entalpia dos reagentes, quando ocorre combustão completa a uma dada temperatura e pressão, ou seja: HPR = HP – HR

26 entalpia de combustão = 0
Corresponde a diferença de entalpia do composto i entre a condição que ele se encontra (T e P) e a condição padrão (Tref e Pref). Adota-se como condição padrão de referência Tref = 298K e Pref = 1atm

27 Ni = número de moles da espécie i
Equação utilizada para calcular a entalpia de combustão de um hidrocarboneto qualquer com ar na condição padrão. Para outros combustíveis ou oxidantes o procedimento é análogo.

28 Poder Calorífico (“Heating Value”)
Numericamente igual à entalpia de combustão, mas com sinal trocado Pode-se interpretar o poder calorífico como sendo a máxima energia possível de ser liberada pelo combustível durante a combustão com um determinado oxidante. PC = – HRP

29 PCS e PCI Quando toda água formada pela combustão está no estado líquido, o poder calorífico atinge o valor máximo e passa a ser denominado como poder calorífico superior (PCS). Já o poder calorífico inferior (PCI) corresponde à situação onde a água está totalmente vaporizada

30 A relação entre os poderes caloríficos superior e inferior fica:
PCS e PCI Como a entalpia de formação da água no estado líquido pode ser escrita como o calor latente de vaporização da água a entalpia de formação da água no estado gasoso A relação entre os poderes caloríficos superior e inferior fica:

31 PC(líquido) = PC(gasoso) – hLF ,
os poderes caloríficos nos estados líquido e gasoso de qualquer combustível: PC(líquido) = PC(gasoso) – hLF , onde hLF é o calor latente de vaporização do combustível.

32 O oposto extremo do exemplo acima no qual nós avaliamos a entalpia de combustão é o caso do processo adiabático, no qual nenhum calor é liberado Isto resulta em um aumento da temperatura nos produtos de combustão (Adiabatic Flame Temperature) Temperatura de Chama Adiabática

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