COMBUSTÍVEL (SUBSTÂNCIA QUE REAGE COM O OXIGÊNIO LIBERANDO ENERGIA)

Modelo de bolas e varetas da molécula de trinitrato de 1,2,4-butanotriol, um importante propelente militar.
Cores utilizadas:
Carbono, C: preto
Hidrogênio, H: branco
Oxigênio, O: vermelho
Nitrogênio, N: azul

Combustíveis são quaisquer materiais que podem reagir com outras substâncias para liberar energia na forma de energia térmica ou para serem usados na geração de trabalho. O conceito foi originalmente aplicado apenas a materiais capazes de liberar energia química, mas desde então também passou a ser aplicado a outras fontes de energia térmica, como a energia nuclear (por meio de fissão nuclear e fusão nuclear).

A energia térmica liberada pelas reações dos combustíveis pode ser convertida em energia mecânica por meio de uma máquina térmica. Outras vezes, o próprio calor é valorizado para aquecimento, culinária ou processos industriais, bem como para a iluminação que acompanha a combustão. Os combustíveis também são utilizados nas células dos organismos em um processo conhecido como respiração celular, onde moléculas orgânicas são oxidadas para liberar energia utilizável. Hidrocarbonetos e moléculas orgânicas relacionadas são, de longe, a fonte de combustível mais comum utilizada pelos seres humanos, mas outras substâncias, incluindo metais radioativos, também são utilizadas.

Os combustíveis se contrapõem a outras substâncias ou dispositivos que armazenam energia potencial, como aqueles que liberam diretamente energia elétrica (como baterias e capacitores) ou energia mecânica (como volantes, molas, ar comprimido ou água em um reservatório).

PRODUTOS QUÍMICOS

Os combustíveis químicos são substâncias que liberam energia ao reagirem com as substâncias ao seu redor, principalmente pelo processo de combustão.

Os combustíveis químicos dividem-se de duas maneiras. Primeiro, pelas suas propriedades físicas, como sólido, líquido ou gasoso. Segundo, com base na sua ocorrência: primários (combustíveis naturais) e secundários (combustíveis artificiais). Assim, uma classificação geral dos combustíveis químicos é:

• Combustíveis sólidos:
• Primário (natural): madeira , carvão , turfa, esterco , etc.
• Secundário (artificial): coque, carvão
• Combustíveis líquidos:
• Primário (natural): petróleo
• Secundário (artificial): diesel, gasolina , querosene , GLP , alcatrão de hulha, nafta, etanol
• Combustíveis gasosos:
• Primário (natural): gás natural
• Secundário (artificial): hidrogênio , propano , metano , gás de carvão , gás de água , gás de alto-forno , gás de coqueria , GNV

Energia: A quantidade de energia proveniente de diferentes tipos de combustível depende da relação estequiométrica, ou seja, da proporção quimicamente correta entre ar e combustível para garantir a combustão completa do combustível, e de sua energia específica, ou seja, a energia por unidade de massa.

• Diesel 48; 14,5 : 1; 3.310
• Etanol 26,4 9 : 1; 2,933
• Gasolina 46,4 14,7 : 1; 3,156
• Hidrogênio 142 34,3 : 1; 4.140
• Querosene 46 15,6 : 1; 2,949
• GLP 46,4 17,2 : 1; 2,698
• Metanol 19,7 6,47 : 1; 3,045
• Metano 55,5 17,2 : 1; 3.219
• Nitrometano 11,63 1,7 : 1; 6,841

Notas: 1 MJ ≈ 0,28 kWh ≈ 0,37 HPh.

(A relação ar-combustível (FAR) é o inverso da relação ar-combustível (AFR).)

λ é a razão de equivalência ar-combustível, e λ=1 significa que se assume que o combustível e o agente oxidante (oxigênio no ar) estão presentes nas proporções exatas para que ambos sejam totalmente consumidos na reação.

COMBUSTÍVEL NUCLEAR

Combustível nuclear é qualquer material consumido para gerar energia nuclear. Em teoria, uma grande variedade de substâncias poderia ser considerada combustível nuclear, já que podem liberar energia nuclear sob as condições adequadas. No entanto, os materiais comumente chamados de combustíveis nucleares são aqueles que produzem energia sem serem submetidos a condições extremas. O combustível nuclear pode ser "queimado" por fissão nuclear (separação de núcleos) ou fusão (união de núcleos) para gerar energia nuclear. "Combustível nuclear" pode se referir ao próprio combustível ou a objetos físicos (por exemplo, feixes compostos por barras de combustível) feitos do material combustível, misturado com materiais estruturais, moderadores de nêutrons ou refletores de nêutrons.

O combustível nuclear possui a maior densidade energética dentre todas as fontes de combustível viáveis.

Fissão: O tipo mais comum de combustível nuclear usado pelos humanos são os elementos físseis pesados, que podem ser submetidos a reações em cadeia de fissão nuclear em um reator de fissão nuclear; o termo combustível nuclear pode se referir ao material ou a objetos físicos (por exemplo, feixes de combustível compostos por barras de combustível) compostos pelo material combustível, possivelmente misturado com materiais estruturais, moderadores de nêutrons ou refletores de nêutrons.

Quando alguns desses combustíveis são atingidos por nêutrons, eles, por sua vez, são capazes de emitir nêutrons ao se desintegrarem. Isso possibilita uma reação em cadeia autossustentável que libera energia a uma taxa controlada em um reator nuclear , ou a uma taxa muito rápida e descontrolada em uma arma nuclear.

Os combustíveis nucleares físseis mais comuns são o urânio-235 (²³⁵U) e o plutônio-239 (²³⁹Pu). As ações de mineração, refino, purificação, uso e, por fim, descarte do combustível nuclear compõem o ciclo do combustível nuclear. Nem todos os tipos de combustíveis nucleares geram energia por fissão nuclear. O plutônio-238 e alguns outros elementos são usados para produzir pequenas quantidades de energia nuclear por decaimento radioativo em geradores termoelétricos de radioisótopos e outros tipos de baterias atômicas.

Fusão: Ao contrário da fissão nuclear, alguns nuclídeos leves, como o trítio (³H), podem ser usados como combustível para a fusão nuclear. Este processo envolve a combinação de dois ou mais núcleos para formar núcleos maiores. Os combustíveis que produzem energia por este método não são atualmente utilizados pela humanidade, mas são a principal fonte de combustível para as estrelas. Os combustíveis de fusão são elementos leves, como o hidrogênio, cujos núcleos se combinam facilmente. Para iniciar a fusão, é necessário elevar a temperatura a um nível tão alto que os núcleos colidam com energia suficiente para se manterem unidos antes de se repelirem devido à carga elétrica. Este processo é chamado de fusão e libera energia.

Em estrelas que sofrem fusão nuclear, o combustível consiste em núcleos atômicos que podem liberar energia pela absorção de um próton ou nêutron. Na maioria das estrelas, o combustível é fornecido pelo hidrogênio, que pode se combinar para formar hélio por meio da reação em cadeia próton-próton ou pelo ciclo CNO. Quando o combustível de hidrogênio se esgota, a fusão nuclear pode continuar com elementos progressivamente mais pesados, embora a energia líquida liberada seja menor devido à menor diferença na energia de ligação nuclear. Uma vez produzidos os núcleos de ferro-56 ou níquel-56, nenhuma energia adicional pode ser obtida por fusão nuclear, pois estes possuem as maiores energias de ligação nuclear. Quaisquer núcleos mais pesados que 56Fe e 56Ni absorveriam energia em vez de liberá-la durante a fusão. Portanto, a fusão cessa e a estrela morre. Nas tentativas humanas, a fusão é realizada apenas com hidrogênio (2H (deutério) ou 3H (trítio)) para formar hélio-4, pois essa reação libera a maior quantidade de energia líquida. O confinamento elétrico (ITER), o confinamento inercial (aquecimento por laser) e o aquecimento por fortes correntes elétricas são os métodos mais populares.

COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS PARA TRANSPORTE

A maioria dos combustíveis para transporte são líquidos, pois os veículos geralmente requerem alta densidade energética. Isso ocorre naturalmente em líquidos e sólidos. A alta densidade energética também pode ser fornecida por um motor de combustão interna. Esses motores requerem combustíveis de queima limpa. Os combustíveis mais fáceis de queimar de forma limpa são tipicamente líquidos e gases. Assim, os líquidos atendem aos requisitos de serem tanto de alta densidade energética quanto de queima limpa. Além disso, líquidos (e gases) podem ser bombeados, o que significa que o manuseio é facilmente mecanizado e, portanto, menos trabalhoso. Como há um movimento geral em direção a uma economia de baixo carbono, o uso de combustíveis líquidos, como hidrocarbonetos, está sendo questionado.

HISTÓRIA

Fogo. Lareira. Fogueira. Rostov-on-Don, Rússia. Foto tirada por Vyacheslav Argenberg em 2 de janeiro de 2014, 00:25:11.

O primeiro uso conhecido de combustível foi a combustão de lenha pelo Homo erectus, há quase dois milhões de anos. Durante a maior parte da história da humanidade, apenas combustíveis derivados de plantas ou gordura animal foram utilizados pelos humanos. O carvão vegetal, um derivado da madeira, é utilizado desde pelo menos 6.000 a.C. para fundir metais. Ele só foi substituído pelo coque, derivado do carvão mineral, quando as florestas europeias começaram a se esgotar por volta do século XVIII. Briquetes de carvão vegetal são agora comumente usados como combustível para churrasco.

O petróleo bruto era destilado por químicos persas , com descrições claras em manuais árabes como os de Muhammad ibn Zakarīya Rāzi. Ele descreveu o processo de destilação de petróleo bruto em querosene , bem como outros compostos de hidrocarbonetos, em seu Kitab al-Asrar (Livro dos Segredos). O querosene também era produzido durante o mesmo período a partir de xisto betuminoso e betume, aquecendo a rocha para extrair o óleo, que era então destilado. Rāzi também fez a primeira descrição de uma lâmpada de querosene usando óleo mineral bruto, referindo-se a ela como "naffatah".

As ruas de Bagdá eram pavimentadas com alcatrão, derivado do petróleo que se tornou acessível a partir de campos naturais na região. No século IX, campos de petróleo foram explorados na área ao redor da atual Baku, Azerbaijão. Esses campos foram descritos pelo geógrafo árabe Abu al-Hasan 'Alī al-Mas'ūdī no século X e por Marco Polo no século XIII, que descreveu a produção desses poços como centenas de carregamentos de navios.

Com o desenvolvimento da máquina a vapor no Reino Unido em 1769, o carvão passou a ser mais comumente utilizado, cuja combustão libera energia química que pode ser usada para transformar água em vapor. O carvão foi posteriormente usado para impulsionar navios e locomotivas. No século XIX, o gás extraído do carvão passou a ser usado para iluminação pública em Londres. Nos séculos XX e XXI, o principal uso do carvão é a geração de eletricidade, fornecendo 40% do suprimento mundial de energia elétrica em 2005.

Os combustíveis fósseis foram rapidamente adotados durante a Revolução Industrial, porque eram mais concentrados e flexíveis do que as fontes de energia tradicionais, como a energia hídrica. Tornaram-se uma parte fundamental da nossa sociedade contemporânea, com a maioria dos países do mundo a queimar combustíveis fósseis para produzir energia, mas estão a perder popularidade devido ao aquecimento global e aos efeitos relacionados causados pela sua queima.

Atualmente, a tendência tem sido o uso de combustíveis renováveis, como os biocombustíveis, como os álcoois.

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