Combustível - Fuel

A madeira é um dos primeiros combustíveis usados ​​pelo homem .

Um combustível é qualquer material que pode ser feito para reagir com outras substâncias de forma que libere energia como energia térmica ou para ser usado para trabalho . O conceito foi originalmente aplicado apenas aos materiais capazes de liberar energia química, mas desde então também foi aplicado a outras fontes de energia térmica, como a energia nuclear (via fissão nuclear e fusão nuclear ).

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

Os combustíveis são contrastados com 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).

História

O combustível mais antigo é a madeira

O primeiro uso conhecido de combustível foi a combustão de madeira ou gravetos pelo Homo erectus há quase dois milhões de anos. Ao longo da maior parte da história humana, apenas combustíveis derivados de plantas ou gordura animal foram usados ​​pelos humanos. O carvão vegetal , um derivado da madeira, tem sido usado desde pelo menos 6.000 aC para derreter metais. Só foi suplantado pelo coque , derivado do carvão, à medida que as florestas europeias começaram a se esgotar por volta do século XVIII. Os briquetes de carvão são agora comumente usados ​​como combustível para churrasco .

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

As ruas de Bagdá foram pavimentadas com alcatrão , derivado do petróleo que se tornou acessível a partir de campos naturais da região. No século 9, os campos de petróleo foram explorados na área ao redor da moderna Baku , no Azerbaijão . Esses campos foram descritos pelo geógrafo árabe Abu al-Hasan 'Alī al-Mas'ūdī no século 10, e por Marco Polo no século 13, que descreveu a produção desses poços como centenas de carregamentos de navios.

Com a energia na forma de energia química que poderia ser liberada por meio da combustão , mas com o desenvolvimento do conceito de máquina a vapor no Reino Unido em 1769, o carvão passou a ser mais utilizado como fonte de energia. O carvão foi mais tarde usado para conduzir navios e locomotivas . No século 19, o gás extraído do carvão era usado para iluminação pública em Londres . Nos séculos 20 e 21, o uso principal do carvão é para gerar eletricidade , fornecendo 40% do fornecimento de energia elétrica do mundo 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. Eles se tornaram uma parte fundamental de nossa sociedade contemporânea, com a maioria dos países no mundo queimando combustíveis fósseis para produzir energia, mas estão caindo em desuso devido ao aquecimento global e aos efeitos relacionados que são causados ​​por sua queima.

Atualmente, a tendência tem sido para os combustíveis renováveis, como os biocombustíveis como o álcool.

Químico

Os combustíveis químicos são substâncias que liberam energia ao reagir com as substâncias ao seu redor, principalmente pelo processo de combustão . A maior parte da energia química liberada na combustão não era armazenada nas ligações químicas do combustível, mas na fraca ligação dupla do oxigênio molecular.

Os combustíveis químicos são divididos de duas maneiras. Primeiro, por suas propriedades físicas, como sólido, líquido ou gás. Em segundo lugar, com base na sua ocorrência: primária (combustível natural) e secundária (combustível artificial) . Assim, uma classificação geral de combustíveis químicos é:

Tipos gerais de combustíveis químicos
Primário (natural) Secundário (artificial)
Combustíveis sólidos madeira , carvão , turfa , esterco , etc. coque , carvão
Combustíveis líquidos petróleo diesel , gasolina , querosene , GLP , alcatrão de carvão , nafta , etanol
Combustíveis gasosos gás natural hidrogénio , propano , metano , gás de carvão , gás de água , de alto-forno de gás, coque de gás de forno, GNC

Combustível sólido

Carvão é um combustível sólido

Combustível sólido refere-se a vários tipos de material sólido que são usados ​​como combustível para produzir energia e fornecer aquecimento , geralmente liberado por meio de combustão . Os combustíveis sólidos incluem madeira , carvão , turfa , carvão , pastilhas de combustível de hexamina e pellets feitos de madeira (veja pellets de madeira ), milho , trigo , centeio e outros grãos . A tecnologia de foguetes de combustível sólido também usa combustível sólido (ver propelentes sólidos ). Combustíveis sólidos têm sido usados ​​pela humanidade por muitos anos para criar fogo . O carvão foi a fonte de combustível que possibilitou a revolução industrial , desde fornos de fogo até motores a vapor . A madeira também foi amplamente usada para operar locomotivas a vapor . Tanto a turfa quanto o carvão ainda são usados ​​na geração de eletricidade hoje. O uso de alguns combustíveis sólidos (por exemplo, carvão) é restrito ou proibido em algumas áreas urbanas, devido aos níveis inseguros de emissões tóxicas. O uso de outros combustíveis sólidos como madeira está diminuindo conforme a tecnologia de aquecimento e a disponibilidade de combustível de boa qualidade aumentam. Em algumas áreas, o carvão sem fumaça costuma ser o único combustível sólido usado. Na Irlanda, os briquetes de turfa são usados ​​como combustível sem fumaça. Eles também são usados ​​para iniciar um fogo de carvão.

Combustíveis líquidos

Medidor de combustível para gasolina em uma scooter de 50 ccm , com o pictograma típico de uma bomba de gasolina

Os combustíveis líquidos são moléculas combustíveis ou geradoras de energia que podem ser aproveitadas para criar energia mecânica , geralmente produzindo energia cinética . Eles também devem assumir a forma de seu recipiente; os vapores dos combustíveis líquidos são inflamáveis, não os fluidos.

A maioria dos combustíveis líquidos amplamente usados ​​são derivados de restos fossilizados de plantas e animais mortos pela exposição ao calor e à pressão dentro da crosta terrestre. No entanto, existem vários tipos, como combustível de hidrogênio (para uso automotivo ), etanol , combustível de aviação e biodiesel , que são categorizados como combustíveis líquidos. Combustíveis emulsificados de óleo em água, como orimulsão , foram desenvolvidos como uma forma de tornar as frações pesadas de óleo utilizáveis ​​como combustíveis líquidos. Muitos combustíveis líquidos desempenham um papel fundamental no transporte e na economia.

Algumas propriedades comuns dos combustíveis líquidos são que eles são fáceis de transportar e podem ser manuseados facilmente. Eles também são relativamente fáceis de usar para todas as aplicações de engenharia e em uso doméstico. Combustíveis como o querosene são racionados em alguns países, por exemplo, em lojas subsidiadas pelo governo na Índia para uso doméstico.

O diesel convencional é semelhante à gasolina por ser uma mistura de hidrocarbonetos alifáticos extraídos do petróleo . O querosene é usado em lâmpadas de querosene e como combustível para cozinhar, aquecer e pequenos motores. O gás natural , composto principalmente de metano , só pode existir na forma líquida em temperaturas muito baixas (independentemente da pressão), o que limita seu uso direto como combustível líquido na maioria das aplicações. O gás LP é uma mistura de propano e butano , ambos gases facilmente compressíveis em condições atmosféricas padrão. Ele oferece muitas das vantagens do gás natural comprimido (GNV), mas é mais denso que o ar, não queima de forma tão limpa e é comprimido com muito mais facilidade. Comumente usados ​​para cozinhar e aquecimento ambiente, o gás LP e o propano comprimido estão sendo cada vez mais usados ​​em veículos motorizados. O propano é o terceiro combustível de motor mais comumente usado em todo o mundo.

Gasolina

Um cilindro de propano de 20 libras ( 9,1 kg )

O gás combustível é qualquer um de vários combustíveis gasosos em condições normais. Muitos gases combustíveis são compostos de hidrocarbonetos (como metano ou propano ), hidrogênio , monóxido de carbono ou suas misturas. Esses gases são fontes de energia térmica potencial ou energia luminosa que podem ser prontamente transmitidas e distribuídas por meio de tubulações, desde o ponto de origem até o local de consumo. O gás combustível é contrastado com os combustíveis líquidos e com os combustíveis sólidos , embora alguns gases combustíveis sejam liquefeitos para armazenamento ou transporte. Embora sua natureza gasosa possa ser vantajosa, evitando a dificuldade de transporte de combustível sólido e os perigos de derramamento inerentes aos combustíveis líquidos, também pode ser perigoso. É possível que um gás combustível não seja detectado e se acumule em certas áreas, levando ao risco de uma explosão de gás . Por esse motivo, os odorizadores são adicionados à maioria dos gases combustíveis para que possam ser detectados por um cheiro distinto. O tipo mais comum de gás combustível atualmente em uso é o gás natural .

Biocombustíveis

O biocombustível pode ser amplamente definido como combustível sólido, líquido ou gasoso que consiste em, ou é derivado de biomassa . A biomassa também pode ser usada diretamente para aquecimento ou energia - conhecida como combustível de biomassa . O biocombustível pode ser produzido a partir de qualquer fonte de carbono que pode ser reabastecido rapidamente, por exemplo, plantas. Muitas plantas e materiais derivados de plantas diferentes são usados ​​para a fabricação de biocombustíveis.

Talvez o primeiro combustível empregado pelos humanos seja a madeira. As evidências mostram que o fogo controlado foi usado até 1,5 milhão de anos atrás em Swartkrans , na África do Sul. Não se sabe quais espécies de hominídeos primeiro usaram o fogo, já que tanto o Australopithecus quanto uma das primeiras espécies de Homo estavam presentes nos locais. Como combustível, a madeira permaneceu em uso até os dias de hoje, embora tenha sido substituída para muitos fins por outras fontes. A madeira tem uma densidade de energia de 10–20 MJ / kg .

Recentemente, os biocombustíveis foram desenvolvidos para uso no transporte automotivo (por exemplo, bioetanol e biodiesel ), mas há um amplo debate público sobre a eficiência do carbono desses combustíveis.

Combustíveis fósseis

Extração de petróleo

Os combustíveis fósseis são hidrocarbonetos , principalmente carvão e petróleo ( petróleo líquido ou gás natural ), formados a partir de restos fossilizados de plantas e animais antigos por exposição a alto calor e pressão na ausência de oxigênio na crosta terrestre ao longo de centenas de milhões de anos. Normalmente, o termo combustível fóssil também inclui recursos naturais contendo hidrocarbonetos que não são derivados inteiramente de fontes biológicas, como areias betuminosas . Estas últimas fontes são apropriadamente conhecidas como combustíveis minerais .

Os combustíveis fósseis contêm altas porcentagens de carbono e incluem carvão , petróleo e gás natural . Eles variam de materiais voláteis com baixas taxas de carbono : hidrogênio , como o metano , a petróleo líquido e materiais não voláteis compostos de carbono quase puro, como o carvão antracito . O metano pode ser encontrado em campos de hidrocarbonetos , sozinho, associado ao petróleo ou na forma de clatratos de metano . Os combustíveis fósseis formados a partir dos restos fossilizados de plantas mortas pela exposição ao calor e à pressão na crosta terrestre ao longo de milhões de anos. Esta teoria biogênica foi introduzida pela primeira vez pelo estudioso alemão Georg Agricola em 1556 e mais tarde por Mikhail Lomonosov no século XVIII.

Foi estimado pela Administração de Informação de Energia que em 2007 as fontes primárias de energia consistiam em petróleo 36,0%, carvão 27,4%, gás natural 23,0%, totalizando uma participação de 86,4% para combustíveis fósseis no consumo de energia primária no mundo. As fontes não fósseis em 2006 incluíram as hidroelétricas 6,3%, nuclear 8,5% e outras ( geotérmicas , solares , marés , eólica , madeira , resíduos ) totalizando 0,9%. O consumo mundial de energia crescia cerca de 2,3% ao ano.

Os combustíveis fósseis são recursos não renováveis porque levam milhões de anos para se formar, e as reservas estão se esgotando muito mais rápido do que novas. Portanto, devemos conservar esses combustíveis e usá-los criteriosamente. A produção e o uso de combustíveis fósseis aumentam as preocupações ambientais. Um movimento global em direção à geração de energia renovável está, portanto, em andamento para ajudar a atender às necessidades crescentes de energia. A queima de combustíveis fósseis produz cerca de 21,3 bilhões de toneladas (21,3 gigatoneladas ) de dióxido de carbono (CO 2 ) por ano, mas estima-se que os processos naturais possam absorver apenas cerca de metade dessa quantidade, portanto há um aumento líquido de 10,65 bilhões de toneladas de dióxido de carbono atmosférico por ano (uma tonelada de carbono atmosférico é equivalente a 44/12 ou 3,7 toneladas de dióxido de carbono). O dióxido de carbono é um dos gases do efeito estufa que aumenta a força radiativa e contribui para o aquecimento global , fazendo com que a temperatura média da superfície da Terra aumente em resposta, o que a grande maioria dos cientistas do clima concorda que causará efeitos adversos importantes . Os combustíveis são uma fonte de energia.

Energia

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

Capacidades de energia de tipos comuns de combustível
Combustível Energia específica (MJ / kg) AFR stoich. FAR stoich. Energia @ λ = 1 (MJ / kg (Ar) )
Diesel 48 14,5: 1 0,069: 1 3.310
Etanol 26,4 9: 1 0,111: 1 2.933
Gasolina 46,4 14,7: 1 0,068: 1 3,156
Hidrogênio 142 34,3: 1 0,029: 1 4.140
Querosene 46 15,6: 1 0,064: 1 2.949
GLP 46,4 17,2: 1 0,058: 1 2.698
Metanol 19,7 6,47: 1 0,155: 1 3.045
Metano 55,5 17,2: 1 0,058: 1 3.219
Nitrometano 11,63 1,7: 1 0,588: 1 6,841

MJ ≈ 0,28  kWh ≈ 0,37  HPh .

Nuclear

Pacotes de combustível CANDU Dois pacotes de combustível CANDU ("CANada Deuterium Uranium"), cada um com cerca de 50  cm de comprimento e 10  cm de diâmetro

O combustível nuclear é qualquer material consumido para obter energia nuclear . Tecnicamente falando, toda matéria pode ser um combustível nuclear porque qualquer elemento nas condições certas liberará energia nuclear, mas os materiais comumente chamados de combustíveis nucleares são aqueles que produzem energia sem serem colocados sob extrema pressão. O combustível nuclear é um material que pode ser "queimado" por fissão ou fusão nuclear para derivar a energia nuclear . O combustível nuclear pode se referir ao próprio combustível ou a objetos físicos (por exemplo, feixes compostos de barras de combustível ) compostos do material combustível, misturado com materiais estruturais, moderadores de nêutrons ou refletivos de nêutrons.

A maioria dos combustíveis nucleares contém elementos físseis pesados ​​que são capazes de fissão nuclear. Quando esses combustíveis são atingidos por nêutrons, eles são, por sua vez, capazes de emitir nêutrons quando se separam. Isso torna possível uma reação em cadeia autossustentável que libera energia com uma taxa controlada em um reator nuclear ou com uma taxa não controlada muito rápida em uma arma nuclear .

Os combustíveis nucleares físseis mais comuns são urânio-235 ( 235 U) e plutônio-239 ( 239 Pu). As ações de mineração, refino, purificação, uso e, por fim, descarte do combustível nuclear, juntas, constituem o ciclo do combustível nuclear . Nem todos os tipos de combustíveis nucleares criam energia a partir da fissão nuclear. 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 . Além disso, nuclídeos leves como o trítio ( 3 H) podem ser usados ​​como combustível para a fusão nuclear . O combustível nuclear tem a densidade de energia mais alta de todas as fontes de combustível práticas.

Fissão

Pelotas de combustível nuclear são usadas para liberar energia nuclear

O tipo mais comum de combustível nuclear usado por humanos são elementos físseis pesados ​​que podem ser submetidos a reações em cadeia de fissão nuclear em um reator de fissão nuclear ; combustível nuclear pode se referir ao material ou a objetos físicos (por exemplo, feixes de combustível compostos de barras de combustível ) compostos do material combustível, talvez misturado com materiais estruturais, moderadores de nêutrons ou refletivos de nêutrons.

Fusão

Os combustíveis que produzem energia pelo processo de fusão nuclear não são utilizados atualmente pelos humanos, mas são a principal fonte de combustível das estrelas . Os combustíveis de fusão tendem a ser elementos leves, como o hidrogênio, que se combinam facilmente. A energia é necessária para iniciar a fusão elevando a temperatura tão alto que todos os materiais se transformariam em plasma, e permitiria que os núcleos colidissem e grudassem uns nos outros antes de se repelirem devido à carga elétrica. Este processo é chamado de fusão e pode liberar 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 o hélio por meio da reação em cadeia próton-próton ou pelo ciclo CNO . Quando o hidrogênio combustível 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 que os núcleos de ferro-56 ou níquel-56 são produzidos, nenhuma energia adicional pode ser obtida pela fusão nuclear, pois estes têm as energias de ligação nuclear mais altas. Os elementos então ativados usam energia em vez de liberar energia quando fundidos. Portanto, a fusão pára e a estrela morre. Em tentativas feitas por humanos, a fusão só é realizada com hidrogênio (isótopo 2 e 3) para formar hélio-4, pois essa reação fornece a maior quantidade de energia líquida. Confinamento elétrico ( ITER ), confinamento inercial (aquecimento por laser) e aquecimento por fortes correntes elétricas são os métodos populares usados. .

Notas de rodapé

Referências

Leitura adicional