Tendo em vista que a propriedade mais importante associada aos materiais combustíveis é o seu poder calorífico e como visto anteriormente, a variação de entalpia de combustão é dependente do estado físico das substâncias, atribui-se dois valores aos combustíveis hidrogenados: Poder Calorífico Superior (PCS) e Poder Calorífico Inferior (PCI).
Considera-se o PCS quando a água formada na combustão é resfriada a temperatura ambiente e precipita líquida. Já o PCI é considerado quando a água resultante da reação não se condensa, retém energia e permanece na forma de vapor.
Calcular o PCS e o PCI para uma amostra de carvão médio, procedente de Jefferson (Alabama-USA), cuja análise primária revelou os dados contidos no quadro a seguir.
Calcular o PCS e o PCI para uma amostra de carvão médio, procedente de Jefferson (Alabama-USA), cuja análise primária revelou os dados contidos no quadro a seguir.
| Material |
|
|---|---|
| Cinzas | 12,5 |
| Carbono | 72,0 |
| Hidrogênio | 7,5 |
| Oxigênio | 5,0 |
| Enxofre | 3,0 |
Passo 1
O que o problema pede:
- Calcular o Poder Calorífico Superior (PCS) e o Poder Calorífico Inferior (PCI) para a amostra de carvão dada.
Informações fornecidas (pegar os dados da tabela):
- Frações em massa por 100 g de combustível (porcentagens):
- Cinzas:
- Carbono:
- Hidrogênio:
- Oxigênio:
- Enxofre:
- Cinzas:
Observações imediatas (apenas listando dados relevantes):
- Para fins de energia útil, os elementos que liberam calor na combustão são principalmente o carbono, o hidrogênio e o enxofre. Cinzas não geram calor; oxigênio presente no combustível altera o comburente necessário, mas não contribui energia direta como combustíveis.
- Vou trabalhar por unidade de massa do combustível:
(ou ). A partir daí calculemos os PCS e o PCI em ou .
Passo 2
Plano e fórmulas principais (explicação didática do método):
- Escolho
de combustível para facilitar: então a massa de cada elemento em gramas é a porcentagem multiplicada por . - Converto essas massas para número de mols usando massas molares:
- Carbono:
. - Hidrogênio:
. (lembrar: hidrogênio atômico; moléculas formam e cada gera 1 mol de ). - Enxofre:
.
- Carbono:
- Para cada mol de elemento queimado, usa-se a entalpia molar de combustão (valores padrão usados aqui; sempre cite-os na resposta):
- Combustão do carbono:
com . - Combustão do hidrogênio:
com (água líquida — é isto que define o PCS). - Combustão do enxofre:
com .
- Combustão do carbono:
- Diferença PCS vs PCI:
- PCS inclui a energia liberada quando a água formada se condensa até líquida (logo, usa-se
para água líquida). - PCI considera a água como vapor (ou seja, não recupera a energia de condensação). Logo,
, onde é a entalpia de vaporização da água (a 25 °C vale aproximadamente ).
- PCS inclui a energia liberada quando a água formada se condensa até líquida (logo, usa-se
- Resumo da sequência de cálculos:
- Calcular massas (em g) de C, H e S em
de carvão. - Converter para mols.
- Multiplicar pelos valores molares de combustão para obter energia parcial (kJ).
- Somar partes para obter PCS (kJ/kg).
- Subtrair a energia de vaporização da água formada para obter PCI.
- Calcular massas (em g) de C, H e S em
Passo 3
Calcular massas por
de combustível e converter em mols (mostrando cada conta):
- Massas em
= porcentagem : - Carbono:
- Hidrogênio:
- Enxofre:
- Carbono:
- Converter para mols:
- Mols de carbono:
Explicação: divide-se a massa (g) pela massa de um mol (g/mol). - Mols de átomos de hidrogênio:
Cada átomos de H formam mol de (ou 1 mol de formado), então - Mols de enxofre:
- Mols de carbono:
Passo 4
Aplicar as entalpias molares de combustão para obter as energias parciais (explicando o que cada termo significa):
- Valores molares usados (padrões):
(combustão do C formando ).
(combustão do formando ).
(combustão do S formando ).
Explicação: sinais negativos indicam liberação de energia; aqui usamos os valores em módulo (energia liberada). - Energia liberada pelo carbono (em kJ, por
de combustível): (multiplica-se mols de C pelo valor de kJ liberados por mol). - Energia liberada pelo hidrogênio (considerando água líquida — para PCS):
- Energia liberada pelo enxofre:
Passo 5
Somar as contribuições para obter o PCS (explicando unidade e conversão):
- PCS (energia total liberada assumindo água condensada):
- Converter para
: Comentário didático: este valor significa que, para cada quilograma deste carvão, se a água formada for condensada e toda energia de combustão for recuperável, obtém-se aproximadamente .
Passo 6
Calcular o PCI subtraindo a energia não recuperada (entalpia de vaporização da água formada):
- Entalpia de vaporização usada:
(energia requerida para manter a água como vapor por mol).
Explicação: se a água permanecer vaporosa, essa energia de vaporização não é recuperada, então deve ser subtraída do PCS. - Energia não recuperada devido à água em forma de vapor:
- PCI:
- Converter para
:
Passo 7
Resumo final e pequenas observações didáticas/interpretativas:
- Valores resultantes (arredondados com sentido prático) para o carvão descrito:
-
. -
.
-
- Observação: a diferença
corresponde à energia que ficaria “presa” no vapor d’água formado — é proporcional ao teor de hidrogênio do combustível. - Dica para prova: faça sempre os cálculos por
(ou por 100 g) para evitar confusão, converta massas para mols e aplique as entalpias molares. Não se esqueça de subtrair a vaporização da água para obter o PCI.