atps termodinamica - passo 4

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Passo 4 (Equipe) Comparar o coeficiente de dilatação térmica da gasolina e do álcool e verificar em que horário é mais vantajoso o abastecimento com esses combustíveis, baseado em propriedades físicas como densidade e temperatura. 4.1 O Etanol O etanol é uma substância orgânica obtida da fermentação de açúcares, hidratação do etileno ou redução a acetaldeído, como nas bebidas alcoólicas e na indústria de perfumaria. No Brasil, tal substância é também muito utilizada como combustível de motores de combustão interna, constituindo assim um mercado em ascensão para um combustível obtido de maneira renovável e o estabelecimento de uma indústria de química de base, sustentada na utilização de biomassa de origem agrícola e renovável. Em sua forma anidro (ou puro), o etanol pode ser misturado com gasolina em várias proporções para uso em motores a gasolina sem modificações, funcionando como bom aditivo ao combustível além de permitir maiores taxas de compressão ao motor. No Brasil, ao abastecer um veículo em um posto revendedor, o consumidor adquire a gasolina "C", que consiste numa mistura de gasolina "A" com álcool anidro. A gasolina produzida pelas refinarias é pura, sem álcool. As distribuidoras compram gasolina A das refinarias e o álcool anidro dos usineiros, misturam esses dois produtos para formular a gasolina C. A proporção de álcool anidro nessa mistura é determinada pelo Conselho Interministerial do Açúcar e do Álcool (CIMA), podendo variar entre 20% e 25%, através de Resoluções. A seguir, são apresentadas algumas propriedades do etanol. Propriedades do etanol.

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Page 1: ATPS Termodinamica - Passo 4

Passo 4 (Equipe)

Comparar o coeficiente de dilatação térmica da gasolina e do álcool e verificar em

que horário é mais vantajoso o abastecimento com esses combustíveis, baseado

em propriedades físicas como densidade e temperatura.

4.1 O Etanol

O etanol é uma substância orgânica obtida da fermentação de açúcares, hidratação do

etileno ou redução a acetaldeído, como nas bebidas alcoólicas e na indústria de

perfumaria.

No Brasil, tal substância é também muito utilizada como combustível de motores de

combustão interna, constituindo assim um mercado em ascensão para um combustível

obtido de maneira renovável e o estabelecimento de uma indústria de química de base,

sustentada na utilização de biomassa de origem agrícola e renovável.

Em sua forma anidro (ou puro), o etanol pode ser misturado com gasolina em

várias proporções para uso em motores a gasolina sem modificações, funcionando como

bom aditivo ao combustível além de permitir maiores taxas de compressão ao motor.

No Brasil, ao abastecer um veículo em um posto revendedor, o consumidor adquire a

gasolina "C", que consiste numa mistura de gasolina "A" com álcool anidro. A gasolina

produzida pelas refinarias é pura, sem álcool. As distribuidoras compram gasolina A das

refinarias e o álcool anidro dos usineiros, misturam esses dois produtos para formular a

gasolina C. A proporção de álcool anidro nessa mistura é determinada pelo Conselho

Interministerial do Açúcar e do Álcool (CIMA), podendo variar entre 20% e 25%, através

de Resoluções.

A seguir, são apresentadas algumas propriedades do etanol.

Propriedades do etanol.

Combustível

Fórmula

(fase)

Peso

Molecular

Densidade

(kg/dm³)

Calor de

Vaporização

(kJ/kg)(AC)est.

Etanol

C2H6O

(líquido) 46,07 0,785 840 9,0

Page 2: ATPS Termodinamica - Passo 4

4.2 A Gasolina

A gasolina é uma clara, mas levemente amarelada mistura líquido derivado do petróleo

que é usado principalmente como combustível em motores de combustão interna.

A gasolina é um combustível constituído basicamente por hidrocarbonetos e, em menor

quantidade, por produtos oxigenados. Esses hidrocarbonetos são, em geral, mais

"leves" do que aqueles que compõem o óleo diesel, pois são formados por moléculas de

menor cadeia carbônica (normalmente de 4 a 12 átomos de carbono). Além dos

hidrocarbonetos e dos oxigenados, a gasolina contém compostos de enxofre, compostos

de nitrogênio e compostos metálicos, todos eles em baixas concentrações. A faixa de

destilação da gasolina automotiva varia de 30 a 220ºC.

A gasolina básica (sem oxigenados) possui uma composição complexa. A sua formulação

pode demandar a utilização de diversas correntes nobres oriundas do processamento do

petróleo como nafta leve (produto obtido a partir da destilação direta do petróleo),

nafta craqueada que é obtida a partir da quebra de moléculas de hidrocarbonetos mais

pesados (gasóleos), nafta reformada (obtida de um processo que aumenta a

quantidade de substâncias aromáticas), nafta alquilada (de um processo que produz

iso-parafinas de alta octanagem a partir de iso-butanos e olefinas), dentre outros.

Pequenas quantidades de diferentes aditivos são comuns, para fins como o desempenho

no ajuste do motor ou reduzindo emissões prejudiciais. Algumas misturas também

contêm quantidades significativas de etanol como combustível alternativo parcial. A

gasolina não é um combustível genuinamente gasoso (ao contrário, por exemplo, o gás

liquefeito de petróleo, que é armazenado sob pressão como um líquido, mas retornou

ao estado gasoso antes da combustão).

Existem dois problemas graves na queima da gasolina nos motores dos carros. O

primeiro é em relação à névoa fotoquímica (smog) e o ozônio de baixa altitude nas

grandes cidades. O segundo problema tem a ver com o carbono e os gases do efeito

estufa. Os carros deveriam queimar a gasolina de forma perfeita e não criar nada

além de dióxido de carbono e água no cano de escapamento. Porém, o motor de

combustão interna nos carros não é perfeito.

No processo da queima de gasolina, ele também produz o monóxido de carbono (CO),

óxidos de nitrogênio (NOX) e também hidrocarbonetos não queimados (HC).

Page 3: ATPS Termodinamica - Passo 4

Catalisadores eliminam boa parte desta poluição, mas também não são perfeitos. O

dióxido de carbono que sai do escapamento de cada carro é um gás causador do efeito

estufa. Os efeitos finais são desconhecidos, mas há a forte possibilidade de haver

mudanças de clima extremas que afetarão a todos no planeta.

A poluição do ar vinda dos carros é um problema real nas grandes cidades. Por essa

razão, há esforços crescentes para substituir a gasolina por outras fontes de

combustíveis alternativos.

A seguir são apresentadas algumas propriedades básicas da gasolina.

Propriedades da gasolina

Combustível

Fórmula

(fase)

Peso

Molecular

Densidade

(kg/dm³)

Calor de

Vaporização

(kJ/kg)(AC)est.

Gasolina

CnH1,87n

(líquido) ~110 0,72 - 0,78 350 14,6

No Brasil, os combustíveis disponíveis para os veículos de passeio são a gasolina e o

etanol (álcool etílico). Há diferentes tipos de “gasolinas” e “álcoois”, que recebem aditivos

visando melhor desempenho dos motores, dentre outras funções. Em comum, todas as

versões de gasolina comercial recebem adição de etanol anidro (sem água), numa

proporção que var ia conforme a legislação vigente, determinada pela Agência Nacional

do Petróleo (ANP). Iremos considerar em nossas atividades a gasolina comum,

denominada gasolina C. No caso do etanol, quando não está adicionado à gasolina, o

álcool combustível é o álcool hidratado, com teor alcoólico de 96%, como obtido no

processo de destilação.

Page 4: ATPS Termodinamica - Passo 4

4.3 Em que horário é mais vantajoso o abastecimento com esses combustíveis,

baseado em propriedades físicas como densidade e temperatura

4.3.1 Introdução

Na maioria das vezes os líquidos se dilatam muito mais do que os recipientes que os

contém. Como consequência, se em certa temperatura o recipiente estiver

completamente cheio, ao aquecermos o conjunto haverá um derramamento de parte do

líquido contido no recipiente. Ao volume de liquido derramado damos o nome de dilatação

aparente do líquido. O objetivo deste trabalho é demonstrar o coeficiente de dilatação

térmica aparente dos combustíveis.

4.3.2 Fundamentação Teórica

Da mesma forma como os sólidos sofrem dilatação conforme a variação de temperatura,

os líquidos também se dilatam conforme a temperatura. A diferença entre a dilatação

térmica dos sólidos e dos líquidos é que os sólidos podem dilatar linear, superficial ou

volumetricamente, já no caso dos líquidos, apenas seu volume é dilatado conforme a

temperatura. Geralmente, os líquidos aumentam de volume quando aquecidos e

diminuem quando esfriados. Falamos geralmente, já que no caso da água é diferente.

A dilatação volumétrica de um líquido segue uma lei idêntica à da dilatação dos sólidos,

válida quando o intervalo de temperatura considerado não é muito grande. Assim, a

variação ∆V do volume líquido é diretamente proporcional ao volume inicial V0 e à

variação de temperatura ∆θ ocorrida. Portanto:

ΔV = γ . V0 . Δθ

Onde:

• γ = coeficiente de dilatação volumétrico real do líquido.

• V0 = volume inicial de líquido.

• Δθ = variação de temperatura.

Se o recipiente for ideal (que não sofre dilatação), veríamos a situação abaixo:

Se o líquido estivesse até a borda, o volume transbordado seria a dilatação real do

líquido.

Page 5: ATPS Termodinamica - Passo 4

Mas como o líquido está contido num recipiente sólido, que também se dilata, a medida

da dilatação do líquido é feita indiretamente, pois primeiro o recipiente sofrerá dilatação,

depois sim o calor chegando ao líquido, faz com que o líquido sofra dilatação, portanto:

ΔV real = ΔV recipiente + ΔV aparente

- Dilatação Térmica Aparente

Considere o mesmo recipiente, não mais sendo ideal, contendo agora um “ladrão”. Nesse

frasco é colocado um líquido até o nível do ladrão (figura a). Quando se aquece o

conjunto, parte do líquido sai pelo ladrão (figura b).

O volume do líquido extravasado, derramado equivale à DILATAÇAO APARENTE DO

LÍQUIDO.

Pois antes, de ocorrer o extravasamento de parte do líquido, o recipiente já teve sua

dilatação. Portanto:

ΔV real = ΔV recipiente + ΔV aparente

Quando um corpo sólido ou líquido é aquecido ocorre uma variação em suas dimensões,

isto se dá devido à agitação térmica das moléculas ou átomos, permitindo que os mesmos

se afastem. O coeficiente de dilatação térmica é uma medida de variação unitária da

grandeza de uma de suas dimensões. Essas variações das dimensões ocorrem no

comprimento, na largura e na espessura, algumas vezes mais acentuada em uma do que

em outra, é por essa razão que se estuda as variações das dimensões linear, superficial e

volumétricamente, aparecendo nesses casos três coeficientes de dilatação: coeficiente de

dilatação linear (variação unitária do comprimento), coeficiente de dilatação superficial

(variação unitária da área) e coeficiente de dilatação volumétrica (variação unitária do

volume).

 

Isso também ocorre com o álcool e a gasolina. Temperaturas baixas fazem seu volume

baixar e as altas aumentam.

Page 6: ATPS Termodinamica - Passo 4

A dilatação é proporcional ao aumento de temperatura, mas não é a mesma para

diferentes materiais, ou seja, mesmo para uma mesma variação de temperatura, a

dilatação dos corpos não será a mesma para diferentes materiais, pois cada um tem

um coeficiente de dilatação característico. 

Devido ao aumento de volume que é diferente para cada material, não se recomenda

encher completamente o tanque de combustível dos automóveis, pois a gasolina

derramaria, aproximadamente, dois litros se houvesse uma variação de 30oC na

temperatura.

 

Vejamos

Exemplo 01:

  

       Um caminhão-tanque com capacidade para 10000L, é enchido com gasolina quando

a temperatura é de 30°C. Qual a redução de volume sofrida pelo líquido ao ser

descarregado numa ocasião em que a temperatura é de 10°C?   

  

Resolução

Formula:

  

/V=Vi.Cv./ºC

 

 / =Variação do volume

Vi=Volume inicial

Cv=Coeficiente do liquido

/ºC=Variação da temperatura

  

/V=Vi.Cv./ºC

/V=10000.9,6.10-4(10-30)

/V=10000.9,6.0,0001.-20

/V=192L 

O volume diminuiu 192 litros

A gasolina e o álcool são vendidos por litro, mas em sua utilização como combustível, a

massa é o que importa. Um aumento da temperatura do ambiente leva a um aumento no

volume desses combustíveis.

Para diminuir os efeitos práticos dessa variação, os tanques dos postos de combustíveis

são subterrâneos, na tentativa de manter a temperatura o mais constante possível.

Page 7: ATPS Termodinamica - Passo 4

Se a gasolina e o álcool fossem vendidos por kg em vez de por litro, o problema comercial

decorrente da dilatação térmica estaria resolvido. Mas por questões práticas, isso se torna

inviável.

Exemplo2

O dono de um veiculo a álcool, consulta uma tabela de coeficientes de dilatação

volumétrica, obtendo para o coeficiente de dilatação volumétrica do álcool o valor de

1x10-³ ºC-¹

Calcule quantos litros ele estará ganhando se comprar 50 litros do combustível em um dia

em que a temperatura é de 20°C e em relação a um dia mais quente, em que esta

temperatura seja de 30°C.

Δv = v * γ * ΔT

Δv = 50 * 1,2x10^-3 * (30 - 10)

Δv = 1,20 litro

Exemplo 3

A gasolina durante a noite, a uma temperatura média é de 16 Graus Celsius, sofre uma

contração de aproximadamente 12% em relação ao dia, quando a temperatura é de 33

Graus Celsius no interior do reservatório de gasolina. Calculando o coeficiente de

dilatação volumétrica e quantos litros estará ganhando se comprar 50 litros do

combustível em um dia em que a temperatura é de 16°C em relação a um dia mais

quentes, em que esta temperatura seja de 33°C.:

12% de V = 0,12 V 

e que a dilatação volumétrica ou cúbica ΔV é dada por

ΔV = 3 α V ΔT

aonde

α é o valor da dilatação linear

V é o volume inicial

ΔT é a variação de temperatura. 

Solução: 

ΔV = Vf - Vi = 0,88V - V = - 0,12 V

ΔV = 3 α V (16-33)

Assim

-0,12 V = 3 α V (16-33)

Page 8: ATPS Termodinamica - Passo 4

- 0,12 = -120 α 

α = 2,3 x 10-³ ºC-¹

Para um abastecimento de 50 litros de gasolina, nestas condições teremos:

Δv = v * γ * ΔT

Δv = 50 * 2,3x10^-3 * (33 - 16)

Δv = 1,95 litro

Importante: A DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA É DIRETAMENTE PROPORCIONAL AO

VOLUME INICIAL E À VARIAÇÃO DE TEMPERATURA

4.3.3 Conclusão

Embora a dilatação volumétrica os combustíveis esteja relacionado a variação da

tempera tura, independente do tipo de combustível adquirido, o mais importante é

que procuremos abastecer o veículo sempre pela manhã, o   mais cedo possível,

pois a temperatura é mais baixa nesse período do dia. Abastecendo com

a   temperatura mais baixa, estaremos comprando mais massa de combustível para

cada litro.