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.
Considerando os conceitos vistos e a queima do carvão, estudo no problema anterior, determinar a massa de ar necessária para a combustão completa de 10 toneladas deste material. Determinar também a massa e
o volume de fumaças resultantes, quando medidas a
e
.
Considerando os conceitos vistos e a queima do carvão, estudo no problema anterior, determinar a massa de ar necessária para a combustão completa de 10 toneladas deste material. Determinar também a massa e
o volume de fumaças resultantes, quando medidas a
Passo 1
O que o enunciado pede:
- Determinar a massa de ar necessária para a combustão completa de
toneladas do carvão do estudo anterior. - Determinar a massa e o volume das fumaças resultantes, quando medidas a
e .
Informações e suposições que vamos usar (o enunciado remete a um problema anterior que não foi enviado; para poder resolver sem mais dados vou assumir o modelo usual e explicitar isso):
- Vou assumir que o carvão pode ser tratado como carbono elementar puro para a combustão (relação estequiométrica simples). Se o carvão tiver H, S, O etc., os números mudariam — mas essa é a hipótese comum em exercícios básicos.
- Massa de carvão:
- Reação de combustão (com carbono puro):
- Constantes e dados usados:
- Massa molar do carbono:
. - Massa molar do oxigénio:
. - Massa molar do dióxido de carbono:
. - Massa molar do nitrogénio:
. - Composição do ar seco (por volume):
e . Isso implica razão molar . - Massa molar média do ar seco:
(usada se for conveniente). - Gás ideal: equação de estado
. Usarei o volume molar a e :
- Massa molar do carbono:
Passo 2
Calcular o número de mols de carbono (a partir da massa) — passo necessário para usar a estequiometria:
- Fórmula usada:
, onde é o número de mols, a massa (em g) e a massa molar (em g·mol^{-1}). - Aplicando ao carbono:
(Guarde esse valor para os cálculos seguintes:
.)
Passo 3
Determinar a quantidade de oxigénio necessária (estequiometria da reação):
- A reação
indica que mol de consome mol de . - Portanto:
- Massa de
necessária:
(Arredondando convenientemente:
.)
Passo 4
Determinar a massa de ar necessária a partir da massa de oxigénio:
- Ideia: o ar contém apenas cerca de
em número de mols de , mas para massa a fração de massa de no ar seco é aproximadamente (valores padrão: ). - Relação usada (massa de ar total = massa de O_2 necessária / fração mássica de O_2 no ar):
- Aplicando com
:
(Em toneladas: aproximadamente
.)
Pequena interpretação física: esse valor é o ar estequiométrico (quantidade mínima de ar seco que fornece o
para queimar todo o carbono). Em prática industrial costuma usar excesso de ar, mas aqui pedem a massa necessária para combustão completa — isto é o ideal estequiométrico.
Passo 5
Determinar a massa das fumaças (produtos gasosos) — para carbono puro:
- Produtos:
formado + do ar que atravessa o processo (assumimos que não há O_2 em excesso e que não há vapor d’água porque não há hidrogénio no combustível). - Número de mols de
: . - Massa de
:
Usando
:
(Logo
, ou cerca de
.)
- Número de mols de
que entra com o ar:
-
Então
-
Massa de
:
Usando os números, isso dá (apenas apresentando o valor final arredondado):
(Portanto
.)
- Massa total das fumaças (somente gases): soma de
e :
(Em toneladas: cerca de
. Isso deve coincidir, por conservação de massa, com a massa dos reagentes: massa do carvão
massa do ar.)
Passo 6
Determinar o volume das fumaças nas condições dadas (
,
):
- Usamos o gás ideal:
, onde é o volume molar à temperatura dada. - Já determinamos
. Calculando numericamente:
- Volume molar a
e : . - Logo o volume total:
(Em litros: cerca de
.)
Passo 7
Resumo dos resultados com arredondamentos razoáveis e interpretação:
- Massa de ar estequiométrica para queimar
t de carvão (assumido puro carbono): aproximadamente (≈ ). - Massa de
formada: aproximadamente (≈ ). - Massa de
nos produtos: aproximadamente (≈ ). - Massa total das fumaças (gases): aproximadamente
(≈ ). - Volume das fumaças a
e : aproximadamente .
Observação motivadora: se o carvão real tiver hidrogénio e enxofre, haverá vapor d’água e
entre os produtos e isso aumentaria a massa e mudaria o volume dos gases; nesse caso haveria que incluir água condensável (PCS vs PCI) — mas para este exercício tratamos carvão como carbono puro para simplificar e ilustrar o método.
Resposta
Massa de ar necessária:
(≈
).
Massa das fumaças (gases): (≈
).
Volume das fumaças a e
:
.
Massa das fumaças (gases):
Volume das fumaças a