Por que a esponja de aço queima?

16 de junho, 2024 às 22:51 | Postado em Estrutura da matéria, Mecânica, Outros temas, Termologia, termodinâmica

Professor

As esponjas tipo Bom Bril são feitas de aço? Se sim, como podem elas queimar? Utensílios feitos de ferro ou aço não queimam e por isso entendo que aquelas esponjas devem ser de outro material.

Antecipadamente agradeço a resposta.

As esponjas para limpeza, do tipo Bombril, são feitas de aço usinado em fios de pequena espessura, reunidos em uma lã de aço. A figura 1, extraída de Propriedades da lã de aço, apresenta uma tabela que relaciona as características de diversos tipos de lã de aço. Em vermelho está indicada a linha da tabela que se refere às esponjas para limpeza do tipo Bombril.

O aço dessa lã é essencialmente ferro com um pouco de carbono. Como é bem sabido esse aço oxida (o ferro reage com oxigênio resultando em óxido de ferro). A evidência da oxidação é a formação de ferrugem na superfície do aço em contato com o ar.

A queima ou combustão é uma oxidação rápida que pode acontecer com muitas substâncias, inclusive metais, liberando uma quantidade suficiente de energia para manter o material que oxida a uma temperatura elevada, capaz de sustentar essa combustão se houver também oxigênio disponível.

Para que o aço entre em combustão dois fatores são importantes: haver disponibilidade de oxigênio e a manutenção da temperatura elevada para autossustentar o processo de oxidação rápida.

Em um pedaço de aço como um prego ou uma faca por exemplo, a maior parte do ferro está dentro do corpo.

Quando o aço está em fios muito finos, há uma área superficial de aço muito maior em contato com o ar do que se mesma massa de aço estivesse toda reunida em um único pedaço.

Uma esponja de aço Bombril tem massa aproximada de 8 gramas de acordo com o fabricante. Como a densidade do aço é muito próxima de 8 gramas por centímetro cúbico, o volume de aço na esponja é de apenas 1 centímetro cúbico.

Se essa massa de 8 gramas de aço estivesse concentrada em um cubo, este teria uma aresta de 1 centímetro e a sua área superficial total seria de 6 centímetros quadrados.

Mas de fato o aço da esponja se encontra em fios com diâmetro de 0,025 milímetros em acordo com a tabela 1. A área superficial desse pedaço de lã de aço que constitui a esponja é cerca de 0,2 metros quadrados (o cálculo é apresentado adiante), portanto quase 300 vezes maior do que a área do cubo com a mesma massa de aço.

Isso significa que mais ferro está disponível para combinar com o oxigênio do ar na esponja de aço do que em um corpo de aço com igual massa, de modo que muita energia térmica se acumula em uma região pequena quando a queima é iniciada, resultando em uma temperatura grande o suficiente para autossustentar a combustão.

O aço para de queimar quando o óxido de ferro se acumula o suficiente para impedir que o oxigênio chegue ao seu interior, o que certamente acontece quando se tenta queimar um corpo compacto. Adicionalmente em um corpo compacto, como o aço é um bom condutor térmico a energia liberada na queima é transferida para a massa interna, levando a que a temperatura não se eleve tanto quanto em um fio fino, impedindo o seguimento da combustão autossustentada.

Este efeito da área de superfície exposta ao ar é aplicável de um modo geral para substâncias combustíveis. Por exemplo, é difícil atear fogo à madeira seca quando se trata de um tronco grande, mas é fácil quando se trata de lascas finas ou de papel.

O caso extremo é um pó muito fino. Grande parte do material combustível está em contato com o ar, havendo oxigênio disponível para uma combustão explosiva. Um acidente recente que exemplifica essa possibilidade está descrito nesta notícia: Excesso de poeira de grãos causou explosão em silo no Paraná.

Estimativa da área superficial de uma esponja de aço tipo Bombril

Sendo D o diâmetro do fio de aço utilizado na esponja e sendo V o volume de aço no fio, é fácil demonstrar que a área da superfície lateral A do fio é dada por:

A = 4 V/D  .

Admitindo que a lã de aço da esponja seja feita com um único fio com volume V=1cm³  e diâmetro  D=0,0025cm, a área vale

 A = 4.1/0,0025 = 1600cm²

Desta forma uma estimativa para área superficial da esponja é cerca de 0,2m².

Um vídeo sobre o tema da postagem:  Como relacionamos palha de aço, explosão de poeira e o King Kong? Pergunte ao CREF!

“Docendo discimus.” (Sêneca)