Nota: Uma versão preliminar deste artigo foi objecto de uma comunicação às 5as Jornadas de Segurança aos Incêndios Urbanos (5as JORNINC) realizadas em 1 e 2 de junho de 2016 no LNEC, Lisboa, com o título “A Transmissão do calor e a dinâmica do fogo”.
1. Introdução
Uma parte importante das ciências base da engenharia mecânica são os utensílios com os quais é possível compreender o fogo: a termodinâmica, a transmissão do calor, a mecânica dos fluidos, alguma química. No presente texto será essencialmente tratada a contribuição da transmissão do calor para a compreensão do fogo.
Quando falamos de fogo pensamos geralmente em chamas, embora nos incêndios também tenhamos brasas, isto é, combustão sem chama. Quando aparecem umas e outras?
2. Um pouco de química
Usaremos como exemplo a combustão da madeira, cujo principal constituinte é a celulose, um polímero constituído por moléculas de glucose, representada pela fórmula C6H12O6.
Quando existe um processo de aquecimento ao abrigo do ar estamos em presença de uma reacção de pirólise. Para a celulose, esta pirólise pode ocorrer de duas formas, ou através de dois caminhos, como se pode ver na Fig. 2. Pelo caminho superior, uma molécula de celulose decompõe-se em 6 moléculas de monóxido de carbono (CO) e 6 de hidrogénio (H2). Pelo caminho alternativo, a mesma celulose liberta 6 moléculas de água (H2O) ficando um resíduo de 6 átomos de carbono (C).
Os produtos que resultaram do caminho 1 reagindo com oxigénio vão dar dióxido de carbono e água. Em resultado do caminho 2 da pirólise, o único combustível é o carbono, que combinando-se com oxigénio vai dar CO2 (Fig. 3).
Então em que diferem os caminhos da pirólise se os produtos finais da combustão são os mesmos, CO2 e H2O?
Observando a Fig. 2, vê-se que pelo caminho 1, os produtos da pirólise são gases, monóxido de carbono, CO e hidrogénio, H2. Pelo caminho 2 os produtos são carbono, C, um sólido, e vapor de água, H2O, não combustível.
A combustão dos produtos após o caminho 1 é uma combustão em fase gasosa, logo existem chamas. As moléculas de CO e H2 são livres para se moverem ao encontro das moléculas de oxigénio, e dá-se a combustão com chama.
Na sequência do caminho 2, os átomos de carbono, que estão na matriz sólida, não são livres para se moverem, e é o oxigénio que tem que difundir até à superfície do tronco para reagir com o carbono, tendo lugar uma reacção em fase sólida – combustão sem chama. E em que situação predomina uma ou outra?
A Figura 4 representa a velocidade da reacção de pirólise em função da temperatura para os dois caminhos.
Ambas as velocidades são exponenciais crescentes em função da temperatura, mas podemos ver que para temperaturas mais baixas predomina k2, e para temperaturas mais altas k1. E isto corresponde à nossa experiência a “conduzir” uma lareira: se activarmos a combustão, aumenta a temperatura e aparecem as chamas; se diminuirmos a ventilação, a intensidade da combustão amortece, a temperatura diminui e em breve teremos apenas brasas.
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