Team Phoenix: Combustão

Combustão é uma reação química, na qual uma substância combustível reage com o oxigênio, ativada pelo calor (elevação de temperatura), emitindo energia luminosa (fogo), mais calor e outros produtos.

A combustão pode ser classificada em:

a) Combustão Lenta: Ocorre quando a oxidação de uma determinada substância não provoca liberação de energia luminosa nem aumento de temperatura. Ex: ferrugem, respiração, etc.
b) Combustão Viva: Ocorre quando a reação química de oxidação libera energia luminosa e calor sem aumento significativo de pressão no ambiente. Ex: Queima de materiais comuns diversos.
c) Combustão Muito Viva: Ocorre quando a reação química de oxidação libera energia e calor numa velocidade muito rápida com elevado aumento de pressão no ambiente. Ex: Explosões de gás de cozinha, Dinamite, etc.

Para fins didáticos, nesse curso, adotar-se-á o triângulo do fogo como elemento de estudo da combustão, atribuindo-se, a cada lado, um dos elementos essenciais à combustão.

TRIÂNGULO DO FOGO

     O Triângulo do Fogo é uma forma didática, criada para melhor ilustrar a reação química da combustão onde cada ponta do triângulo representa um elemento participante desta reação.

     Para que exista Fogo, 3 elementos são necessários: o combustível, o comburente (Oxigênio) e a Fonte de Calor (Temperatura de Ignição).

Combustível

     É   toda   substância   capaz   de   queimar,   servindo   de   campo   de propagação   do   fogo.   Para   efeito   prático   as   substâncias   foram   divididas   em combustíveis e incombustíveis, sendo a temperatura de 1000ºC para essa divisão, ou seja, os combustíveis queimam abaixo de 1000ºC, e os incombustíveis acima de 1000ºC, isto se deve ao fato de, teoricamente, todas as substâncias poderem entrar em combustão (queimar).

     Os materiais combustíveis maus condutores de calor, madeira por exemplo, queimam com mais facilidade que os materiais bons condutores de calor como os metais. Esse fato se deve a acumulação de calor em uma pequena zona, no caso dos materiais maus condutores, fazendo com que a temperatura local se eleve mais facilmente, já nos bons condutores, o calor é distribuído por todo material, fazendo com que a temperatura se eleve mais lentamente.

     Os combustíveis podem estar no estado sólido, liquido e gasoso, sendo que a   grande maioria   precisa   passar para   o   estado   gasoso, para   então se combinarem o comburente e gerar uma combustão. Os combustíveis apresentam características conforme o seu estado físico, conforme vemos abaixo:

Sólidos
Ex: Madeira, Tecido, Papel, Mato, etc.

Líquidos
Ex: Gasolina, Álcool Etílico, Acetona, etc.

Gasosos
Ex: Acetileno, GLP, Hidrogênio, etc.

Combustíveis sólidos - A maioria dos combustíveis não queima no estado sólido, sendo necessário transformar-se em vapores, para então reagir com o comburente, ou ainda transformar-se em líquido para posteriormente em gases, para então queimarem. Como exceção podemos citar o enxofre e os metais alcalinos (potássio, magnésio, cálcio, etc...), que queimam diretamente no seu estado sólido e merecem atenção especial como veremos mais a frente.

Combustíveis líquidos - Os combustíveis líquidos, chamados de líquidos inflamáveis, têm características particulares, como:

• Não tem forma própria, assumindo a forma
do recipiente que as contem;
• Se derramados, escorrem e se acumulam
nas partes mais baixas;
• A maioria dos líquidos inflamáveis é mais
leves que a água, sendo assim flutuam sobre ela;
• Os   líquidos   derivados   de   petróleo   têm
pouca solubilidade em água;
• Na sua grande maioria são voláteis (liberam vapores a
temperatura menores que 20ºC).

Combustíveis   gasosos   - Os   gases   não   têm   volume   definido,   tendendo, rapidamente, a ocupar todo o recipiente em que está contido. Para que haja a combustão, a mistura com   o   comburente   deve   ser   uma mistura ideal, isto é, não pode conter combustível demasiado (mistura rica) e   nem   quantidade   insuficiente   do mesmo (mistura pobre).

     Defini-se então para cada combustível os limite da sua mistura ideal, chamados de limites de inflamabilidade, que estão dispostos a seguir:

• Limite inferior de inflamabilidade (LII)
– é a concentração mínima de uma mistura onde pode ocorrer a combustão.
• Limite superior de inflamabilidade (LSI)
– é a concentração máxima de uma mistura onde pode haver a combustão.

Fonte de Calor

     Calor é uma forma de energia que eleva a temperatura, gerada da transformação de outra energia, através de processo físico ou químico. Pode ser descrito como uma condição da matéria em movimento, isto é, movimentação ou vibração das moléculas que compõem a matéria.

     A energia de ativação serve como condição favorável paraque haja a reação de combustão, elevando a temperatura ambiente ou de forma pontual, proporcionando com que o combustível reaja com o comburente em uma reação exotérmica.

     A   energia   de   ativação   pode   provir   de   várias   origens,   como   por exemplo: Origem nuclear.

Ex.: Fissão nuclear
Origem química. Ex.: Reação química(limalha de ferro + óleo)
Origem elétrica. Ex.: Resistência(aquecedor elétrico)
Origem mecânica. Ex.: Atrito

     Calor   é   uma   forma   de   energia,   denominada   energia   térmica   ou calórica. Essa energia é transferida sempre de um corpode maior temperatura para o de menor temperatura, até existir equilíbrio térmico. Unidades de medida: Caloria (Cal), BTU, Joule (J).

“Temperatura é uma grandeza primitiva, não podendo, por isso, ser definida. Podemos considerar a Temperatura de um corpo como sendo a medida do grau de agitação de suas moléculas”. Escalas: Celsius ( oC), Kelvin (K) e Fahrenheit ( oF).

    Ao   receber   calor,   o   combustível   se   aquece   até   chegar   a   uma temperatura   que   começa   a   desprender   gases   (os   combustíveis   inflamáveis normalmente já desprendem gases a temperatura ambiente). Esses gases se misturam com o oxigênio do ar e em contato com uma chama ou até mesmo uma centelha, dá início à queima.

     Face a este fenômeno, é de extrema importância o controle da temperatura em ambientes com combustíveis, pois cada combustível emana gases numa temperatura específica, podendo desta forma, em contato com uma simples centelha dar início a um princípio de incêndio.
Efeitos do Calor:

     O calor é uma forma de energia que altera a temperatura, e é gerada pela transformação de outras formas de energias. A energia de ativação, qualquer que seja, se transformará em energia calorífica(calor) que está intimamente ligado a temperatura, proporcionando o seu aumento. O calor gerado irá produzir efeitos físicos e químicos nos corpos e efeitos fisiológicos nos seres vivos. Como os que vemos a seguir:

• Aumento/diminuição da temperatura - O aumento ou diminuição da temperatura acontece em função calor que é uma forma de energia que é transferida de um corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. Este fenômeno se desenvolve com maior rapidez nos corpos considerados bons condutores de calor e mais lentamente nos corpos considerados maus condutores.

• Dilatação/Contração   térmica   - É   o   fenômeno pelo   qual   os   corpos aumentam ou diminuem suas dimensões conforme o aumento ou diminuição de temperatura. A dilatação/contração pode ser linear, quando apenas uma dimensão tem aumentos consideráveis, superficial, quando duas dimensões têm aumentos consideráveis,      e   volumétrica,   quando   as   três   dimensões   têm aumentos consideráveis.

     Cada substância tem seu coeficiente de dilatação térmica, ou seja, dilatam mais ou menos dependendo da substância. Este fator pode acarretar alguns problemas, como por exemplo, uma viga de 10m exposta a um aumento de temperatura na ordem 700º C. Com esse aumento de temperatura, o ferro, dentro da viga, aumentará seu comprimento em 84mm aproximadamente, o concreto, apenas 42mm. Sendo assim, o ferro, tende a deslocar-se no concreto, perdendo a sua capacidade de sustentabilidade, na qual foi projetada.

• Mudança de Estado - Para que uma substância passe de um estado físico para outro, é necessário que ela ganhe ou perca calor. Ao aquecermos um corpo sólido, ele passará a líquido e continuando passará ao estado gasoso. O inverso acontecerá se resfriarmos o gás ou vapor.

• Efeitos fisiológicos do calor - O calor pode causar vários danos os seres humanos,   como   exemplo   podemos   citar   a   desidratação,   a   insolação,   fadiga, queimaduras e inúmeros problemas no aparelho respiratório. A exposição de uma pessoa, ao calor, por tempo prolongado, poderá acarretar na morte da mesma.

Comburente (Oxigênio – O2)

     É o elemento que reage com o combustível, participando da reação química da combustão, possibilitando assim vida às chamas e intensidade a combustão. Como exemplo de comburente podemos citar o gás cloro e o gás flúor, porém o comburente mais comum é o oxigênio, que é encontrado na quantidade de aproximadamente 21% na atmosfera. A quantidade de oxigênio ditará o ritmo da combustão, sendo plena na concentração de 21% e não existindo abaixo dos 4%, conforme tabela abaixo:

Ar atmosférico 21 % Normal Respiração do ser humano 21% Normal 16% Mínimo
Combustão 13% Mínimo para chamas 04% Mínimo para brasas

TETRAEDRO DO FOGO

     Modernamente,   foi   acrescentado   ao   triângulo   do   fogo   mais   um elemento: A REAÇÃO EM CADEIA, formando assim o tetraedro ou quadrado de fogo. Os combustíveis após iniciar a combustão geram mais calor liberando mais gases ou vapores combustíveis, sendo que os átomos livres são os responsáveis pela liberação de toda a energia necessária para a reação em cadeia.

     A função didática deste polígono de quatro faces é a de complementar o triângulo do fogo com outro elemento de suma importância, a reação em cadeia.

     A combustão é uma reação que se processa em cadeia, que após a partida inicial, é mantida pelo calor produzido durante o processamento da reação.

     A   cadeia   de   reações,   formada   durante   a   combustão,   propicia   a formação de produtos intermediários instáveis, principalmente radicais livres, prontos a se combinarem com outros elementos, dando origem a novos radicais, ou finalmente, a corpos estáveis. Conseqüentemente, sempre teremos a presença de radicais livres em uma combustão.

     A estes radicais livres cabe a responsabilidade de transferir a energia necessária à transformação da energia química em calorífica, decompondo as moléculas ainda intactas e, desta vez, provocando a propagação do fogo numa verdadeira cadeia de reação.
Para   exemplificar   este   processo,   vamos   analisar   o   processo   de combustão do Hidrogênio no ar:

1ª fase: Duas moléculas de hidrogênio reagem com uma molécula de oxigênio, ativadas   por   uma   fonte   de   energia   térmica,   produzindo 4   radicais   ativos   de hidrogênio e 2 radicais ativos de oxigênio; 2H2 + O2 + Energia Térmica de Ativação →4H (Radical) + 2O (Radical)

2ª fase: Cada radical de hidrogênio se combina com uma molécula de oxigênio, produzindo um radical ativo de oxidrila mais um radicalativo de oxigênio; H (Radical) + O2→OH (Radical) + O (Radical)

3ª fase: Cada radical ativo de oxigênio reage com uma molécula de hidrogênio, produzindo outro radical ativo de oxidrila mais outro radical ativo de hidrogênio; e O (Radical) + H2 →OH (Radical) + H (Radical)

4ª fase: Cada radical ativo de oxidrila reage com uma moléculade hidrogênio, produzindo o produto final estável – água e mais um radical ativo de hidrogênio. OH (Radical) + H2 →H2O + H (Radical)

     E assim sucessivamente, se forma a cadeia de combustão, produzindo a   sua   própria   energia   de   ativação   (calor),   enquanto houver   suprimento   de combustível (hidrogênio).

     A reação em cadeia torna a queima auto-sustentável. O calor irradiado da chama atinge o combustível e este e decomposto em partículas menores, que se combinam com o oxigênio e queimam, irradiando outra vez calor para o combustível, formando um círculo constante.

Produtos da Combustão

“Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”.
Lei de Lavoisier

     Quando duas substâncias reagem quimicamente entre si, se transformam em outras substâncias. Estes produtos finais resultantes da combustão, que dependerão do tipo do combustível, normalmente são: Gás Carbônico (CO2), Monóxido de Carbono (CO), Fuligem, Cinzas, Vapor d’água, mais Calor e Energia Luminosa.

Dependendo do combustível poderemos ter vários outros produtos, inclusive tóxicos ou irritantes.

Exemplos:

• PVC ................................................................ CO e Ácido Clorídrico (HCI)
• Isopor e Outros Plásticos ............................... CO
• Poliuretano ..................................................... CO e Gás Cianídrico (HCN)
A fumaça

     É um dos produtos da combustão, sendo o resultado de uma combustão incompleta, onde pequenas partículas sólidas se tornam visíveis. A fumaça varia de cor conforme o tipo de combustão, como vemos a seguir:

Fumaça de cor branca – indica que a combustão é mais completa com rápido
consumo do combustível e boa quantidade de comburente;
Fumaça de cor negra – combustão que se desenvolve em altas temperaturas,
porém com deficiência de comburente;
Fumaça amarela, roxo ou violeta – presença de gases altamente tóxicos.

Gases

     São o resultado da modificação química do combustível, associado com o comburente. A combustão produz, entre outros, monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e o acido cianídrico (HCN).

CO2: Em alta concentração provoca asfixia.
CO: Venenoso, podendo provocar morte.
Gás cianídrico: Altamente venenoso, provoca morte.

Pontos Notáveis da Combustão

a) Ponto de Fulgor (Flash Point)

É a temperatura mínima, na qual o corpo combustível começa a desprender vapores, que se incendeiam em contato com uma chama ou centelha (agente ígneo), entretanto a chama não se mantém devido a insuficiência da quantidade de vapores.

b) Ponto de Combustão ou Inflamação (Fire Point)

É a temperatura mínima, na qual o corpo combustível começa a desprender vapores, que se incendeiam em contato com uma chama ou centelha (agente ígneo), e mantém-se queimando, mesmo com a retirada do agente ígneo.

c) Ponto de Ignição

É a temperatura, na qual os gases desprendidos do combustível entram em combustão apenas pelo contato com o oxigênio do ar, independente de qualquer outra chama ou centelha (agente ígneo).