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.
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
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).
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.
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.
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.
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.
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)
- 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.