Segurana Contra Incndios em Edifcios Qumica do Fogo

Segurança Contra Incêndios em Edifícios Química do Fogo Parte I Valentim M B Nunes Unidade Departamental de Engenharias Instituto Politécnico de Tomar, Maio, 2020

1. Química do Fogo. Características físico-químicas do fogo. Reações químicas. Relações mássicas. Equações químicas. Estequiometria das reações químicas. Leis dos gases. Escalas de temperatura. Termoquímica. Energia em reações químicas. Reações de combustão. Combustíveis, comburentes e energia de ativação. Temperaturas características. Velocidade das reações de combustão. Poder calorífico e potencial calorífico dos combustíveis. numa abordagem não especializada… que pretende a integração de conhecimentos.

Alguma História…… Após o grande incêndio da cidade de Roma, acontecido na noite de 18 de julho de 64, foram os decretadas medidas preventivas contra incêndios, naquilo que hoje se designa por segurança passiva. • proibição de construir acima de determinada altura • alargamento das ruas • construção de muros corta-fogo • criação de locais de abastecimento de água

Alguma História…… O Incêndio do Chiado deflagrou a 25 de Agosto de 1988 nos Armazéns Grandella do lado da Rua do Carmo em Lisboa. O fogo que deflagrou por volta das 5 horas da manhã, destruiu 18 edifícios e uma área que equivale a quase oito estádios de futebol.

Alguma História…… Um incêndio violento deflagrou na Catedral de Notre-Dame de Paris em 15 de abril de 2019

O que é um incêndio? Um incêndio pode ser definido como um fogo de grandes proporções do qual, de alguma forma, ou nalgum período temporal, perdemos o controlo. O fogo é o resultado de uma reacção química de combustão, bastante exotérmica, com libertação de calor e luz. Os próximos slides servirão para clarificar alguns conceitos básicos de Química. Por favor…. não terminem a sessão……

Estrutura atómica Com base na teoria atómica de Dalton, um átomo pode ser definido como a unidade básica de um elemento, que pode entrar numa combinação química. Com base em sucessivas descobertas ao longo do século XX foi possível demonstrar que os átomos possuem uma estrutura interna. Um átomo consiste num pequeno núcleo, onde se encontram os protões e os neutrões, neutrões rodeado por uma “nuvem” de electrões berlinde

Partículas subatómicas Existem outras partículas subatómicas, mas o protão, o electrão e o neutrão são as três partículas fundamentais em química. Uma característica fundamental destas partículas é a sua massa e carga. Partícula Massa (g) Carga (C) Unidades de carga Electrão 9. 10938 x 10 -28 -1. 6022 x 10 -19 -1 Protão 1. 67262 x 10 -24 +1. 6022 x 10 -19 +1 Neutrão 1. 67493 x 10 -24 0 0

Relações mássicas Os átomos distinguem-se uns dos outros pelo número de protões e neutrões que contêm. O número atómico (Z) de um elemento é o número de protões do átomo desse elemento. Num átomo neutro o número de protões é igual ao número de electrões. O número de massa (A) é o numero total de protões e neutrões existentes no núcleo de um átomo de um dado elemento. Representação simbólica: Átomos que têm o mesmo número atómico e mas diferentes números de massa dizem -se isótopos.

Massas atómicas A massa de um átomo é função do número de protões e neutrões. Por convenção internacional , um átomo do isótopo de carbono-12 (que tem 6 protões e 6 neutrões) tem uma massa de exactamente 12 unidades de massa atómica (u. m. a. ) A massa atómica do carbono é 12. 01 u. m. a. e não 12. 00 u. m. a. As abundâncias naturais do carbono-12 e carbono-13 são 98. 89% e 1. 11%. Assim a massa atómica média é dada por: https: //www. spq. pt/files/tabela_periodica. pdf

Exercício 1: O cobre é utilizado em cabos eléctricos, permutadores de calor, etc. As massas atómicas dos seus dois isótopos estáveis, (69. 09%) e (30. 91%) são 62. 93 u. m. a. e 64. 9278 u. m. a. Calcular a massa atómica média do cobre. Exercício 2: As massas atómicas dois isótopos estáveis do boro, (19. 78%) e (80. 22%) são respectivamente 10. 0129 u. m. a. e 11. 0093 u. m. a. Calcular a massa atómica média do boro.

Massa molar dos elementos A unidade para quantidade de matéria do SI (Sistema Internacional) é o mole (mol). É a quantidade de matéria que contém tantas unidades elementares (átomos, moléculas ou quaisquer outras partículas) quantos os átomos de carbono existentes em exactamente 12 g de carbono-12. Esta definição é operacional, pelo que o número de partículas por mole tem de ser determinado experimentalmente. O valor actualmente aceite é: Este número é designado por número de Avogadro, Avogadro NA Um mole de átomos de carbono-12 tem uma massa de exactamente 12 g e contem 6. 022× 1023 átomos. Esta massa é a massa molar (M) do carbono-12.

QUANTIDADE DE SUBST NCIA Definição anterior: O mole é a quantidade de substância de um sistema que contém tantas entidades elementares quantos os átomos existentes em 0, 012 kg de carbono-12. Quando o mole é usado, as entidades elementares devem ser especificadas e podem ser átomos, moléculas, iões, electrões, outras partículas ou grupos especificados de tais partículas. 2019: O mole, símbolo mol, é a unidade SI para quantidade de substância. Um mole contém exatamente 6. 02214076 × 1023 entidades elementares. Esse número é o valor numérico fixo da constante de Avogadro, NA, quando expresso na unidade mol− 1 e é chamado de número de Avogadro. A quantidade de substância, símbolo n, de um sistema é uma medida do número de entidades elementares especificadas, podendo ser um átomo, uma molécula, um ião, electrão, ou qualquer outra partícula ou grupo de partículas especificado.

Exercício 3: O zinco é um metal utilizado na protecção de estruturas de ferro, impedindo a corrosão. Quantos gramas de Zn existem em 0. 356 mol de Zn? Exercício 4: O enxofre é um elemento não metálico que está presente nos combustíveis dando origem á emissão de dióxido de enxofre. Quantos átomos de enxofre existem em 16. 3 g de S?

Moléculas Uma molécula é uma agregado de pelo menos dois átomos ligados de forma precisa por forças químicas: ligação química Para exprimir a composição das moléculas usamos fórmulas químicas. A fórmula molecular indica o número exacto de cada elemento presente numa molécula: Oxigénio: O 2; Água: H 2 O; propano: C 3 H 8; dióxido de carbono: CO 2; etc. .

Massa molecular A massa molecular é a soma das massas atómicas (u. m. a. ) de todos os átomos de uma molécula. Por exemplo a massa molecular da água é: A massa molar (em gramas) é numericamente igual à massa molecular (em u. m. a. ). Por exemplo, a massa molar da água é M = 18. 02 g/mol. Isto significa que 1 mole de água pesa 18. 02 g e contem 6. 022× 1023 moléculas de água. "Encha-se um copo com água cujas moléculas foram marcadas. Deite-se essa água num dos oceanos e deixe-se as moléculas espalharem-se por todos os mares do mundo. Encha-se de novo o copo em qualquer dos mares. Nele estarão cerca das 100 moléculas inicialmente marcadas”. Lord Kelvin.

Exercício 5: Considere o etanol anidro, C 2 H 5 OH, e o n-octano, C 8 H 18, dois combustíveis que podem ser utilizados em motores de combustão interna. Calcular a respetiva massa molar. Exercício 6: O metano (CH 4) é o principal constituinte do gás natural. Quantos moles de CH 4 existem em 6. 07 g de metano?

Reacções Químicas Uma transformação química é denominada reacção química. Para representar uma transformação usamos uma equação química. Uma equação química utiliza símbolos químicos para mostrar o que ocorre durante uma reacção química. H 2 + O 2 H 2 O Para estar de acordo com a lei da conservação da massa terá de haver o mesmo número de cada tipo de átomos em ambos os lados da equação. 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Esta equação química está acertada. Mostra que “duas moléculas de hidrogénio podem combinar-se ou reagir com uma molécula de oxigénio para formar duas moléculas de água.

Como a razão do número de moléculas é igual à razão do número de moles, podemos igualmente afirmar que “duas moles de moléculas de hidrogénio reagem com uma mole de moléculas de oxigénio para produzir duas moles de moléculas de água”. Reagentes Produtos da reacção Para fornecer informação adicional, os químicos indicam frequentemente os estados de agregação dos reagentes e produtos. Por exemplo: 2 P(s) + 3 Cl 2(g) 2 PCl 3 (l)

Estequiometria As relações mássicas entre reagentes e produtos numa reacção química representam a estequiometria da reacção. Na prática, as unidades usadas para reagentes (ou produtos) são moles, gramas ou litros (para gases). Independentemente da unidade usada a maneira de determinar a quantidade de produto formado numa reacção é o método da mole. Uma reacção química acertada mostra a estequiometria da reacção: relação entre as quantidades, em número de moles, de reagentes e produtos numa dada reacção química. 2 CO(g) + O 2(g) 2 CO 2(g) Coeficientes estequiométricos

Cálculos estequiométricos Massa de reagente(s) nº de moles de reagente(s) Volume de reagente(s) Estequiometria Massa de produto(s) Volume de produto(s) nº de moles de produto(s)

Exercício 7: Uma equação global para o processo de degradação da glucose em dióxido de carbono e água é: C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O. Se forem consumidos 856 g de glucose qual a massa de CO 2 produzida? Exercício 8: O metanol é queimado ao ar de acordo com a equação: 2 CH 3 OH + 3 O 2 2 CO 2 + 4 H 2 O. Se forem consumidos 209 g de metanol, qual a massa de H 2 O produzida?

O estado gasoso CSubstâncias que existem como gases: H 2, F 2, He, Xe, CO 2, NH 3, CH 4 C Muitas substâncias são líquidos ou sólidos. Ao serem aquecidos transformamse mais facilmente em gases, vaporizando a temperaturas baixas. CO ar é uma mistura gasosa cuja composição em volume é aproximadamente 78% de N 2, 21% de O 2 e 1% de outros gases incluindo CO 2.

Equação dos gases perfeitos A partir das leis dos gases podemos estabelecer uma relação entre pressão, volume e temperatura de um gás, que se chama equação dos gases perfeitos. temperatura/K pressão volume número de moles constante dos gases perfeitos Em condições PTP (pressão e temperatura padrão), ou seja t = 0°C ou T = 273. 15 K, e p = 1 atm, os resultados experimentais mostram que 1 mol de um gás perfeito ocupa 22. 414 L. O valor de R vem então: R ≈ 0. 0821 atm. L. K-1. mol-1 R ≈ 8. 314 J. K-1. mol-1

Escala de Temperatura Absoluta Lord Kelvin V p 1 p 2 p 3 - 273. 15 ºC 0 ºC T/K = t/ºC + 273. 15 t/ºC

Comparação de Escalas

Exercício 9: Calcule o volume (em L) ocupado por 7. 4 g de CO 2 em condições PTP. Exercício 10: Uma amostra de 6. 9 mol de monóxido de carbono está dentro de um recipiente de volume igual a 30. 4 L. Qual a pressão do gás (em atm) se a temperatura for de 62 °C? Exercício 11: Uma certa quantidade de gás a 25 °C e à pressão de 0. 8 atm está contida num balão de vidro. Supondo que o balão pode suportar uma pressão máxima de 2 atm, até que temperatura pode ser aquecido?

Exercício 12: Calcule o volume de oxigénio (em L) para a combustão completa de 2. 64 L de acetileno (C 2 H 2) em condições PTP. A reacção é 2 C 2 H 2(g) + 5 O 2(g) 4 CO 2(g) + 2 H 2 O(l) Exercício 13: Calcule o volume de O 2 (em L), nas mesmas condições de pressão e temperatura, necessários para a combustão completa de 14. 9 L de butano. A reacção é: 2 C 4 H 10(g) + 13 O 2(g) 8 CO 2(g) + 10 H 2 O(l)

Energia em reacções químicas As variações de energia que ocorrem em reacções químicas são muito importantes. Por exemplo, na combustão de um material, como num Fogo, é tão importante a energia térmica que se liberta como os produtos de combustão! Praticamente todas as reacções absorvem ou libertam energia, geralmente na forma de calor. O calor é a transferência de energia térmica entre dois corpos a temperaturas diferentes.

Tipos de processos Qualquer processo que liberte calor (isto é, transferência de energia térmica para o exterior) chama-se processo exotérmico. Num processo endotérmico tem de se fornecer calor ao sistema, a partir do meio exterior.

Entalpia Uma grande parte das transformações ocorre a pressão constante. Para quantificar o fluxo de calor para dentro ou para fora de um sistema a química utiliza o conceito de entalpia, H. A variação de entalpia, ou H, é a diferença entre a entalpia final e a entalpia inicial: Por outras palavras, o H é igual ao calor libertado ou absorvido num processo que ocorre a pressão constante.

Entalpia de reacções A entalpia da reacção pode ser positiva ou negativa. Para um processo endotérmico (é absorvido calor pelo sistema a partir da vizinhança), H é positivo, H > 0. Para um processo exotérmico (é libertado calor para a vizinhança) o H é negativo, H < 0. H = - 890. 4 k. J H = + 6. 01 k. J Sabemos por experiência que a combustão do metano (principal constituinte do gás natural) fornece calor ao meio exterior, tratando-se portanto de um processo exotérmico cujo H deve ser negativo: CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O(l) H = - 890. 4 k. J

Exercício 14. Dada a equação termoquímica: 2 SO 2(g) + O 2(g) 2 SO 3(g), H = -198. 2 k. J calcular o calor o libertado quando 87. 9 g de SO 2 se convertem em SO 3. Exercício 15. Calcule a quantidade de calor libertada durante a combustão de 2. 66 g de fósforo, de acordo com a equação: P 4(s) + 5 O 2(g) P 4 O 10(s) H = - 3013 k. J

Entalpias de combustão Combustível Hcombustão (k. J/g) Carvão de lenha -35 Carvão de pedra -30 Gasolina -34 Querosene -37 Gás natural -50 Madeira -20

Agora que apreendemos alguns conceitos básicos de Química, regressemos diretamente à “Química do Fogo”

Combustão A combustão é uma reacção química com o oxigénio (comburente), com a conversão de energia química em energia térmica, onde o combustível é, geralmente, o carbono ou um composto de carbono, tais como hidrocarbonetos e compostos orgânicos oxigenados. Alguns exemplos: Carvão: C + O 2 → CO 2 Hidrocarbonetos: Cx. Hy + (2 x+y/2) O 2 → x CO 2 + y/2 H 2 O Compostos Oxigenados - Monoálcoois: Cx. Hy. Oz + (3 x/2) O 2 → x CO 2 + y/2 H 2 O Os produtos da reação não exibem as mesmas características (físicas e químicas) dos produtos que reagiram entre si para lhes dar origem. O calor envolvido resulta precisamente da quebra e formação de ligações nas moléculas de reagentes e produtos.

Fogo Não pode existir fogo sem a junção simultânea dos três elementos que constituem o triângulo do fogo: Combustível Comburente Energia de ativação ou calor

COMBUSTÍVEL É toda e qualquer substância que em presença do oxigénio e de uma determinada energia de activação é capaz de arder. COMBURENTE É o gás em cuja presença o combustível pode arder; de uma forma geral, considerase o oxigénio comburente típico que se encontra presente no ar ambiente (numa proporção de aproximadamente 21%). ENERGIA DE ACTIVAÇÃO É a fonte de energia que, ao manifestar-se sobre a forma de calor, pode provocar a inflamação dos combustíveis.

Combustíveis O combustível é uma substância que pode arder (reacção com o oxigénio do ar). Pode apresentar-se no estado sólido, liquido ou gasoso. madeira, carvão, outros materiais orgânicos, metais, etc. gasolina, petróleos, gás natural, acetileno, álcoois, óleos, etc. propano, hidrogénio, etc.

Combustíveis Os combustíveis apresentam-se pois no três estados da matéria, pelo que as características da combustão dependem de inúmeros factores, entre os quais a condutividade térmica, o estado de divisão, a densidade, e a tendência para libertar vapores. * A condutividade térmica mede a capacidade de um material conduzir o calor. Substâncias pouco condutoras ardem mais facilmente ( a madeira arde mais facilmente ao acumular calor) O estado de divisão também é importante. Um sólido finamente dividido, ou um liquido (mesmo pouco inflamável) disperso em spray em direcção a uma fonte de calor inflama mais facilmente A densidade de um solido ou liquido e dos próprios vapores é outro aspecto importante. Por exemplo os vapores oriundos da gasolina são mais densos que o ar e acumulam-se junto ao solo. O gás natural é menos denso, e por isso dispersa-se mais facilmente em espaços abertos. * ver adiante

Sólidos No caso dos sólidos, o combustível liberta vapores que, misturados com o comburente, ardem sob a forma de chama logo que possuam a necessária energia de activação (exemplos: carvão ou madeira, nas fases iniciais da combustão); A superfície do combustível, em contacto comburente e com a necessária energia, arde sob a forma de incandescência (brasas) sem formação de chamas (exemplos: alumínio, magnésio ou, ainda, o carvão e a madeira, nas fases mais avançadas da combustão). Por vezes o combustível funde-se e só depois se vaporiza, comportando-se como os combustíveis líquidos, por exemplo numa vela.

Líquidos A combustão de um combustível líquido em uma atmosfera oxidante acontece na verdade em forma gasosa. Na realidade o que ocorre é a combustão dos vapores emanados por um liquido inflamável e não se pode falar da combustão de um líquido. Assim, para que ocorra a combustão, é necessário que a quantidade de vapor libertada pelo líquido seja tal que a mistura resultante de vapor e ar estejam dentro dos limites de inflamabilidade. * * ver adiante

Gases As reacções de combustão são favorecidas quando combustível é um gás. O estado gasoso é caracterizado por uma maior liberdade de movimento das moléculas, facilitando a reacção com o oxigénio. Os gases (e sólidos e líquidos pulverizados sprays) constituem ambientes potencialmente muito perigosos, dado o elevado nível de divisão dos materiais combustíveis, baixa densidade e condutibilidade térmica, onde poderão ocorrer reacções de combustão muito rápidas e violentas.

Comburente O comburente é o gás que alimenta a combustão, geralmente o oxigénio presente no ar. Para que um incêndio se inicie, a atmosfera deve conter pelo menos 16% de O 2 (embora diferente fontes consultadas refiram 13%) Os combustíveis sólidos podem arder, sem chama, numa atmosfera com apenas 6 % de oxigénio. Existem outros tipos de comburentes, como o cloro e vapor de enxofre. Existem ainda produtos químicos com oxigénio na sua composição que, em certas condições (temperaturas + elevadas), se decompõem e libertam esse oxigénio, alimentando assim a combustão.

Activação A energia de activação, activação ou CALOR, CALOR é a energia necessária para aumentar a temperatura do combustível ao ponto de começar a sofrer oxidação (combustão) ou emitir vapores que possam iniciar a ignição. Origem Térmica: • meios de ignição (fósforos, pontas de cigarros); • instalações geradoras de calor (fornos, caldeiras); • radiação solar (libertação de vapores); • superfícies quentes (placa de fogão) Origem Eléctrica: • resistência (aquecedor eléctrico, secador); • arco voltaico (abertura ou fecho interruptor); • electricidade estática; • descarga eléctrica na atmosfera Origem Mecânica: • chispas provocadas por ferramentas ou atrito (contacto entre 2 peças metálicas em movimento) Origem Química: • reacção química

Triângulo do Fogo Os três componentes (combustível, comburente e activação) formam o Triângulo do Fogo. Contudo, nem todos fenómenos que ocorrem num incêndio podem explicar-se completamente tendo por base este triângulo. A união sustentada destes três elementos leva ao aparecimento do quarto factor, a Reação em Cadeia, com o qual se produz a combustão de maneira continuada. Devido a esse facto, inclui-se uma nova representação, que compreende as condições necessárias para que se produza um fogo, em forma de tetraedro. As técnicas de extinção (dos fogos) consistem (Ver Parte II) em mitigar pelo menos um destes factores.

Relação ar - combustível A relação ar-combustível é a razão entre a quantidade de ar e de combustível para assegurar a combustão completa do combustível. Também é designada por rácio arfuel ideal. Air–fuel ratio (A/F) Este rácio é o mais utilizado para caracterizar misturas utilizadas em motores de combustão interna.

Cálculos ideais Para calcular a quantidade de oxigénio e a partir daí a quantidade de ar necessário para a combustão completa do combustível resolve-se a equação estequiométrica ideal. Esta equação significa que não se adiciona ar extra para a combustão. Ø Escrever a equação para a combustão. Por exemplo, CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O ØAcertar a equação: CH 4 + 2 O 2 CO 2 +2 H 2 O Ø Converter para massa molecular. Por exemplo , a massa molar do metano, CH 4 é igual a 16 g/mol, logo o oxigénio necessário para a combustão completa de 1 mol de metano é igual a 2× 32 = 64 g. Ø Calcular a quantidade necessária para queimar o fuel. Isto significa que é necessário 64/16 = 4 kg de oxigénio para a combustão de 1 kg de metano. Ø O oxigénio está presente no ar na proporção de 21% em volume e 23% em massa. São pois necessários 4/0. 23 = 17. 39 ou ≈ 17. 4 Kg de ar para a combustão completa de 1 kg de metano. Assim, o rácio ar-fuel do metano é 17. 4

Rácios ar/fuel Combustível A/F Gasolina 14. 7 Querosene 15. 6 Gás Natural 17. 2 Propano 15. 5 Etanol 9. 0 Metanol 6. 4 Hidrogénio 34 Diesel 14. 6

Exercício 16: Calcular o rácio ar-fuel para o octano. Comparar com o respectivo valor para a gasolina. Exercício 17: Calcular o rácio ar-fuel para o etanol.

Em termos de química do Fogo é também muito útil o conhecimento da quantidade de ar, em m 3 para a combustão completa de 1 kg de diversos materiais*: *valores típicos dada a variedade dos materiais

Temperaturas características As temperaturas características de um combustível servem para caracterizar a respectiva perigosidade, ou seja, a maior ou menor probabilidade de, ao misturar-se em proporções adequadas com o oxigénio, se verificar uma reacção de combustão. Temperatura de inflamação Temperatura de combustão Temperatura de ignição

Temperaturas características • Temperatura de Inflamação Temperatura mínima à qual uma substância liberta vapores combustíveis, que quando misturados com um comburente, e por acção de uma fonte de energia, se podem inflamar, extinguindo-se a combustão de seguida, devido à emissão de vapores em quantidade insuficiente. • Temperatura de Combustão Temperatura mínima à qual uma substância liberta vapores combustíveis em quantidade suficiente que, quando misturados com um comburente e na presença de uma fonte de energia entram em combustão, podendo arder continuamente, mesmo quando se retira a fonte de calor. • Temperatura de Ignição Temperatura mínima à qual os vapores combustíveis se auto inflamam (combustão espontânea) quando misturados com um comburente, e sem a presença de uma fonte de energia exterior.

Material Temperatura de Inflamação (°C) Temperatura de combustão (°C) Temperatura de ignição (°C) Pinho 225 265 280 Madeira ~245 ~270 ~290 Papel 230 - 230 Polietileno 340 - 350 Gasolina - 40 - 20 227 Gasóleo 90 104 330 Etanol 13 - 370 Etileno - - ~490

Tendência para libertar vapores Representa a propriedade de um combustível liquido de libertar vapores. Existem diferentes classificações de acordo com os Países. A norma portuguesa NP- 1936 (1983), classifica os combustíveis, quanto ao risco de incêndio, nas seguintes categorias: • 1ª categoria: Quando a temperatura de inflamação é inferior a 21 ºC. Isto significa que estes líquidos combustíveis libertam vapores à temperatura ambiente, pelo que se consideram muito inflamáveis • 2ª categoria: Se a temperatura de inflamação é igual ou superior a 21 e inferior a 55 ºC. Estes líquidos combustíveis são designados por inflamáveis, pois libertam vapores em lugares não protegidos. • 3ª categoria: Se a temperatura de inflamação é igual ou superior a 55 ºC. Estes líquidos combustíveis são, muitas vezes, designados por não inflamáveis.

Limites de Inflamabilidade A percentagem de vapores numa mistura é outro dos factores importantes. Se a mistura contem demasiado combustível (mistura rica) ou uma quantidade insuficiente (mistura pobre) não há probabilidade de ocorrer combustão. Definem -se então, para cada combustível, os limites de inflamabilidade que delimitam o campo de inflamabilidade dentro do qual é possível o início da combustão. De acordo com a NP-3874 -1 (1995), temos: • Limite Inferior de Inflamabilidade (LII), corresponde à percentagem mínima de combustível gasoso que, misturado com o ar, permite a combustão. Abaixo deste limite a mistura é demasiado pobre em vapores combustíveis. • Limite Superior de Inflamabilidade (LSI), corresponde à percentagem máxima de combustível que, misturado com ar, permite a combustão. Acima deste limite a mistura é demasiado rica em vapores combustíveis.

Quanto maior for o espaçamento entre os limites inferior e superior de inflamabilidade (campo de inflamabilidade) de um dado combustível maior é a probabilidade de existir uma mistura combustível-ar em condições de entrar em combustão. Exemplo de um campo de inflamabilidade 3% 1% 2% 7% 4% LII 5% Campo de Inflamabilidade 6% 8% LSI Os campos de inflamabilidade variam de substância para substância.

Combustível Campo de Inflamabilidade (%) Hidrogénio 4. 0 - 75. 0 Monóxido de carbono 12. 5 - 74. 0 Propano 2. 1 - 9. 5 Acetileno 2. 5 - 82. 0 Gasolina 1. 4 – 7. 6 Éter 1. 7 – 48. 0 Etanol 3. 3 – 19. 0

Velocidade de combustão

Classificação das combustões A velocidade de uma combustão depende de vários factores. Ela será mais rápida quanto maior for: • O grau de divisão do combustível (troncos, tábuas, etc); • A inflamabilidade do combustível (gasolina, gasóleo, etc); • A superfície do combustível exposta ao comburente • O grau de renovação ou alimentação do comburente (recinto aberto ou fechado);

Combustões Lentas São combustões em que a reacção química se dá muito lentamente em que se produz uma temperatura suficientemente baixa, inferior a 500 ºC, não havendo emissão de luz. Com o exemplo temos as oxidações de metais (Fe, Cu. . ) e as fermentações.

Combustões Vivas São combustões em que a reacção química se dá com maior velocidade e em que se produz emissão de luz e chamas e que vulgarmente se designa por fogo. No caso dos sólidos (combustão superficial) verifica-se também incandescência e também formação de brasas, quando o combustível já não liberta vapores suficientes para provocar chama. Exemplo a combustão do carvão.

Deflagrações São combustões muito vivas, em que a propagação se dá com grande velocidade, inferior no entanto a 340 m/s, verificando-se produção de calor e chama. Exemplo combustão de poeira.

Explosões São combustões muito vivas com uma velocidade de propagação superior a 340 m/s atingindo toda a massa combustível produzindo grande ruído (Detonação). Resulta da mistura de gases ou partículas finamente divididas com o ar numa percentagem ideal que constitui a mistura explosiva. Provoca além disso elevação da temperatura, da pressão ou de ambas em todo o espaço confinante.

Combustão espontânea São combustões em que uma reacção química é acompanhada de uma elevação de temperatura que pode chegar à temperatura de ignição sem necessitar de energia de activação. Exemplos são o algodão ou desperdícios com óleo.

Podemos pois concluir que dependendo da velocidade de combustão o resultado de uma combustão manifesta-se sob a forma de: Libertação de calor: energia libertada pela combustão, sendo o principal responsável pela propagação do fogo dado que aquece todo o ambiente, aquecendo ao mesmo tempo os produtos combustíveis presentes, elevando as suas temperaturas às temperaturas de inflamação e possibilitando deste modo a continuação do incêndio. Aparecimento de chamas: são a manifestação mais visível da combustão, constituindo uma zona de visível em redor da superfície do material em combustão Resultam das altas temperaturas que originam transições energéticas ao nível das dos átomos. Libertação de gases: são o resultado da reacção química. Produção de fumo: aparece devido à combustão incompleta, na qual pequenas partículas de carbono e outras em suspensão, se tornam visíveis, variando estas na sua cor, tamanho e quantidade. Produção de materiais inorgânicos (cinzas, óxidos. . )

Finalmente, o risco de incêndio depende ainda da quantidade de combustível disponível, bem como do tipo de combustível. Aqui, é de novo muito importante a energia libertada numa combustão. Podemos definir os seguintes factores: -Poder Calorífico - quantidade de calor libertada pela combustão completa de uma unidade de massa combustível (MJ/kg) ou Kcal/kg); -Potencial Calorífico - quantidade de calor susceptível de ser libertada pela combustão completa de um corpo; - Carga de Incêndio - potencial calorífico da totalidade dos materiais combustíveis contidos num espaço, compreendendo o revestimento das paredes, divisórias, soalhos e tectos.

Poder calorífico Podemos considerar duas formas de definir o poder calorífico: Poder Calorífico Superior (P. C. S) e Poder Calorífico Inferior (P. C. I). Poder Calorífico Superior (P. C. S): O P. C. S é dado pela soma da energia libertada na forma de calor e a energia gasta na vaporização da água que se forma numa reacção de combustão. Poder Calorífico Inferior (P. C. I): O P. C. I é apenas a energia libertada na forma de calor. Para combustíveis que não contenham hidrogénio na sua composição, o valor de P. C. S é igual ao do P. C. I, porque não há a formação de água e não se gasta energia na sua vaporização. O valor de aquecimento ou poder calorífico de uma substância, geralmente um combustível ou alimentos, é a quantidade de calor libertado durante a combustão de um determinado montante do mesmo. O valor calórico é uma característica para cada substância. É medido em unidades de energia por unidade de substância, geralmente massa ou volume, tais como: kcal/kg, k. J/mol ou Btu/m³.

Poder calorífico de diferentes combustíveis Combustível Poder Calorífico Superior (a 25 °C e 1 atm) Poder Calorífico Inferior (a 25 °C e 1 atm) Hidrogénio 141, 86 k. J/g 119, 93 k. J/g Metano 55, 53 k. J/g 50, 02 k. J/g Propano 50, 36 k. J/g 45, 6 k. J/g Gasolina 47, 5 k. J/g 44, 5 k. J/g Gasóleo 44, 8 k. J/g 42, 5 k. J/g Metanol 19, 96 k. J/g 18, 05 k. J/g

Exercício 18. Sabendo que o Hcomb (CH 4) = - 890 k. J. mol-1, calcular o P. C. S e o P. C. I do metano. Exercício 19. Sabendo que o Hcomb (etanol) = - 458 kcal. mol-1, calcular o P. C. S e o P. C. I do etanol.

Notas finais Os fenómenos físico-químicos associados ao fogo são bastante complexos. O fogo é uma reacção de combustão, bastante exotérmica, e que depende de inúmeros factores. O tipo de materiais, temperatura, estado de divisão, etc. , podem influenciar a forma como uma combustão decorre. A própria mistura de substâncias diferentes pode aumentar os riscos de combustão. Decorre que, o conhecimento das propriedades químicas dos diversos materiais é importante para a tomada de decisões em termos de Segurança contra riscos de incêndio. Nas próximas lições estenderemos a nossa abordagem da "química do fogo” aos assuntos relacionados com o desenvolvimento e propagação de incêndios, efeitos da combustão e respetivos agentes extintores. Have a nice Weekend!