Combustão, ou queima,No uso coloquial, "queima" costuma se referir à combustão acompanhada de chamas. é uma reação química de oxirredução exotérmica entre um combustível, que atua como redutor, e um comburente, geralmente o oxigênio do ar, que ocorre com rapidez suficiente para liberar calor e costuma produzir luz na forma de incandescência ou chama. A combustão nem sempre produz uma chama visível. Em processos sem chama, a emissão de luz pode ocorrer apenas por incandescência, ou pode nem ser perceptível. Uma fonte inicial de energia de ativação é muitas vezes necessária para iniciar a reação, como ocorre quando um fósforo aceso inflama um material. Depois da ignição, o calor liberado pode manter a reação. O estudo desses processos é chamado de ciência da combustão.
A combustão costuma envolver uma sequência de reações elementares com radicais. Muitos combustíveis sólidos, entre eles madeira e carvão, liberam substâncias voláteis por pirólise ao serem aquecidos. Esses produtos gasosos podem então queimar acima da superfície do sólido. A temperatura pode ser alta o bastante para produzir luz por incandescência ou uma chama.
Um exemplo simples é a reação de hidrogênio com oxigênio para formar vapor de água. A entalpia padrão de formação da água gasosa é de -241,826 kJ/mol. Como a equação abaixo forma dois mols de , sua variação de entalpia padrão é de aproximadamente -483,65 kJ para o avanço estequiométrico representado:
2H2(g) + O2(g) -> 2H2O(g)
A combustão não catalisada costuma exigir temperaturas relativamente altas. Uma condição estequiométrica fornece exatamente a quantidade de comburente prevista pela reação global, mas isso não é sinônimo de combustão completa. Em equipamentos reais, algum excesso de ar costuma ser necessário para compensar a mistura imperfeita entre combustível e oxigênio. O equilíbrio químico de muitos processos de combustão favorece fortemente os produtos oxidados, mas a reação real pode deixar monóxido de carbono, hidrogênio, hidrocarbonetos não queimados e carbono na forma de fuligem. Em combustão no ar, temperaturas elevadas, disponibilidade de oxigênio e tempo de permanência na região quente favorecem a formação de óxidos de nitrogênio, ou NOx.
Fogos podem surgir naturalmente por descargas de raios, atividade vulcânica e outros processos. O uso de fogo por hominínios tem grande antiguidade. Um estudo publicado em 2026 encontrou evidências de episódios repetidos de queima associados à atividade de hominínios na caverna Wonderwerk, na África do Sul, em uma camada situada no intervalo entre 1,79 e 1,07 milhão de anos. O estudo distingue esse uso de fogo da aquisição posterior de técnicas regulares para produzi-lo.
Os combustíveis podem ser hidrocarbonetos, substâncias que contêm carbono e hidrogênio, ou materiais de composição mais complicada, como a madeira. A energia térmica liberada pela combustão de combustíveis fósseis, biomassa e outros combustíveis é empregada no cozimento, na geração de eletricidade, no aquecimento e em processos industriais. Foguetes químicos obtêm empuxo a partir de reações químicas de alta energia, mas nem toda propulsão espacial usa combustão. Sistemas de propulsão elétrica ionizam propelentes e aceleram os íons por campos elétricos ou magnéticos. A combustão também é usada para destruir resíduos por incineração.
Os comburentes têm capacidade de oxidar o combustível. Além do oxigênio atmosférico ou puro, certas aplicações usam substâncias como cloro, flúor, trifluoreto de cloro, óxido nitroso e ácido nítrico. O hidrogênio, por exemplo, pode queimar em cloro e formar cloreto de hidrogênio. Há também combustão catalítica, na qual a oxidação ocorre sobre superfícies catalíticas. Catalisadores contendo metais como paládio e platina têm sido estudados para a combustão de metano.
Condições para a combustão miniatura|O tetraedro do fogo reúne combustível, comburente, calor e uma reação química em cadeia.
O triângulo do fogo reúne três condições necessárias para manter um fogo: combustível, comburente e energia suficiente para iniciar e sustentar a reação. O chamado tetraedro do fogo acrescenta a reação química em cadeia como quarto componente. A remoção de um desses componentes impede que a combustão com chama se mantenha.
Ignição Na ignição pilotada, uma fonte externa localizada, como uma chama ou centelha, inicia a combustão em parte do combustível ou da mistura. Na autoignição, a reação começa sem uma fonte piloto localizada depois que o sistema alcança condições adequadas para iniciar e sustentar a oxidação. A ignição depende do combustível, da temperatura, da composição da mistura, da pressão e dos processos de transferência de calor e massa.
Primeiros estudos científicos miniatura|Aparelhos usados por Antoine Lavoisier em estudos de combustão, em gravura publicada em 1789.
Em 1667, Robert Boyle realizou experimentos nos quais a retirada do ar apagava uma chama. Em trabalhos de 1667 e 1668, também comparou carvão em brasa e madeira incandescente e verificou que os dois precisavam de ar para continuar queimando.
Em 1772, Antoine Lavoisier iniciou experimentos que mostraram que o ar, ou uma parte dele, se combina com substâncias durante a queima. Nos anos seguintes, desenvolveu uma explicação da combustão baseada na combinação com uma parte do ar, em lugar da teoria do flogisto.
Tipos
Homogênea e heterogênea Uma classificação considera as fases presentes no sistema. Quando combustível e comburente reagem na mesma fase gasosa, a combustão é homogênea. Sistemas em que uma fase condensada participa junto com a fase gasosa são tratados como combustão heterogênea. A combustão de gotas líquidas, sprays, partículas de carvão e materiais em combustão latente são exemplos dessa segunda classe, na qual a transferência de calor e massa entre fases participa do processo.
Completa e incompleta
Completa miniatura|Combustão completa do metano, formando dióxido de carbono e água.
Na combustão completa de um hidrocarboneto em oxigênio, o carbono é oxidado principalmente a dióxido de carbono e o hidrogênio a água. Para outros combustíveis, os produtos dependem dos elementos presentes e das condições de reação. O enxofre, por exemplo, forma principalmente dióxido de enxofre na combustão, enquanto metais podem originar diferentes óxidos.
"Combustão completa" e "combustão estequiométrica" não são expressões equivalentes. Uma mistura estequiométrica contém exatamente a quantidade de oxidante requerida pela equação química global. Em sistemas reais, a combustão completa costuma exigir algum excesso de ar porque combustível e oxigênio não se misturam perfeitamente.
O ar seco contém cerca de 78,084% de nitrogênio e 20,946% de oxigênio em volume, além de argônio e outros componentes. Isso corresponde a aproximadamente 3,73 mol de para cada mol de . O nitrogênio molecular não é o comburente da reação principal, mas parte dele pode formar NOx em regiões suficientemente quentes. A formação térmica de NOx cresce rapidamente com a temperatura e depende também das concentrações de oxigênio e nitrogênio e do tempo de permanência na região de alta temperatura.
A quantidade de ar correspondente exatamente à estequiometria é chamada de "ar teórico" ou "ar estequiométrico". A quantidade adicionada acima desse valor é o "excesso de ar". A quantidade adequada de excesso de ar depende do combustível, do tipo de queimador e das condições do processo. Excesso insuficiente pode aumentar combustível não queimado e monóxido de carbono, enquanto excesso demasiado transporta calor adicional para os gases de exaustão e reduz a eficiência térmica.
Incompleta
A combustão incompleta ocorre quando as condições locais não permitem que o combustível alcance seus produtos de oxidação mais completa. Isso pode resultar de falta de oxigênio, mistura insuficiente, temperatura baixa demais para sustentar determinadas etapas da reação ou tempo de residência insuficiente.
Na combustão incompleta de hidrocarbonetos, dióxido de carbono e água ainda podem ser produzidos, mas aparecem junto com quantidades maiores de monóxido de carbono, , fuligem, hidrocarbonetos não queimados e compostos parcialmente oxidados. A extinção da chama junto a uma superfície fria também pode interromper reações antes da oxidação completa.
Em muitos combustíveis sólidos e líquidos pesados, ocorre pirólise antes ou durante a combustão. Se os produtos voláteis liberados não forem completamente oxidados, eles passam para a fumaça. A oxidação parcial do etanol, por exemplo, pode formar etanal.
O projeto de queimadores, motores de combustão interna e outros equipamentos procura melhorar a mistura, a temperatura e o tempo disponível para a reação. Sistemas de pós-tratamento, como conversores catalíticos, podem oxidar monóxido de carbono e hidrocarbonetos remanescentes ou reduzir outros poluentes antes da descarga dos gases.
Analisadores de combustão medem componentes dos gases de exaustão, como oxigênio e monóxido de carbono, e permitem avaliar o ajuste de queimadores e processos. O monóxido de carbono é tóxico porque se liga à hemoglobina e reduz a capacidade do sangue de transportar oxigênio.
Combustão latente miniatura|Padrão de combustão latente em uma amostra de espuma de poliuretano usada em experimento da NASA.
A combustão latente é uma combustão sem chama, em geral acompanhada de incandescência e fumaça. Ela ocorre na superfície de um combustível em fase condensada e costuma avançar lentamente, em temperaturas menores que as encontradas em chamas.
Materiais capazes de sustentar esse processo incluem carvão, celulose, madeira, algodão, tabaco, turfa, serrapilheira, húmus, algumas espumas sintéticas, polímeros que formam carvão e poeira. A combustão latente pode começar quando móveis estofados recebem uma fonte fraca de calor e também pode persistir em biomassa depois da passagem da frente de chama de um incêndio de vegetação.
Espontânea miniatura|Combustão espontânea de fósforo branco após exposição ao ar.
A combustão espontânea ocorre quando o autoaquecimento de um material leva sua temperatura a condições em que a reação passa a se acelerar e pode resultar em ignição. O processo depende do balanço entre a geração interna de calor e sua dissipação para o ambiente.
O fósforo branco é pirofórico. Em ar úmido, pode inflamar-se por volta de 30 °C, enquanto temperaturas maiores são necessárias em ar seco. Essa propriedade não deve ser generalizada aos demais alótropos do fósforo, que têm reatividades diferentes.
Turbulenta miniatura|Esquema de uma câmara de combustão de turbina a gás, com injeção de combustível e escoamento turbulento de ar.
A combustão com chama turbulenta ocorre em muitos sistemas industriais, entre eles turbinas a gás, motores e grandes queimadores. A turbulência altera a mistura entre combustível e comburente, a área ocupada pela frente de chama e o transporte de calor e espécies químicas. Em aplicações reais, a interação entre turbulência e reação química é uma das partes centrais da modelagem de combustão.
Microgravidade miniatura|Chama de vela em microgravidade durante experimento realizado na estação espacial Mir.
Em microgravidade, a influência da impulsão sobre o escoamento torna-se pequena em comparação com a observada na superfície terrestre. Isso altera o transporte de combustível, oxigênio, calor e produtos da combustão. A chama de uma vela, por exemplo, pode assumir forma aproximadamente esférica porque a convecção induzida pela gravidade deixa de produzir a forma alongada típica.
Experimentos de combustão em microgravidade são usados para estudar propagação de chama, incêndios em espaçonaves, combustão de gotas e processos de transferência de calor sem a forte convecção natural encontrada sob gravidade terrestre.
Microcombustão