Fases da Combustão
A combustão, para além do seu resultado geral, pode ser dividida em diferentes fases. Contrariamente ao que seria de esperar, o processo inicia-se com uma reacção endotérmica, fase denominada por pré-ignição, quando é necessária uma fonte inicial de energia (incluída no triângulo do fogo). Segue-se a fase de transição – a ignição – e, por fim, a última fase que é exotérmica e que corresponde à combustão propriamente dita, que pode ser com e/ou sem chama.
Pré-ignição
Nesta fase o combustível sofre pré-aquecimento e pirólise e fica apto a entrar em combustão. Ocorre uma subida de temperatura e há libertação de voláteis e de água.
As consequências do pré-aquecimento verificam-se primeiro nos voláteis, que se libertam logo a baixas temperaturas, e em seguida a água absorvida no combustível começa a libertar-se por vaporização.
A humidade do combustível poderá ser excessivamente alta, de modo a que todo o calor disponível é gasto a evaporar água, não restando energia térmica para aquecer as partículas até à temperatura de ignição.
A pirólise é um processo (soma de processos) de degradação térmica, provocando a decomposição química por acção do calor. Este processo no material lenhoso ocorre essencialmente através de dois mecanismos competitivos. Um exemplo típico é o da pirólise da glucose (figura em baixo).
A predominância de um ou outro destes mecanismos depende das propriedades dos combustíveis e da temperatura na zona de reacção. As temperaturas altas favorecem a libertação de voláteis inflamáveis, enquanto que temperaturas mais baixas promovem a produção de alcatrão e carvão.
Iginição
A ignição é uma fase instável e corresponde ao processo transitório que conduz à combustão, que é de novo uma fase estável.
A ignição não se verifica a uma única temperatura. A forma do combustível, nomeadamente a sua relação superfície/volume, está directamente relacionada com a quantidade de calor que pode ser absorvida por unidade de massa ou volume e por unidade de tempo, da condutividade térmica dos combustíveis, e depende também de outros factores físicos.
Após a carbonização da superfície do combustível, a incandescência inicia-se quando a temperatura atinge os 500-600ºC, isto se a produção de voláteis não excluir o oxigénio da zona, porque aqui ocorre sempre uma mistura de ar ambiente e voláteis pirolisados.
Se a mistura estiver no intervalo de inflamabilidade (nem demasiado rica em voláteis pirolisados, nem demasiado pobre) e houver uma fonte de calor, os gases incendeiam-se e ardem com chama. Se a mistura for demasiado rica, é preciso que seja diluída com ar (situação frequente), ocorrendo chamas destacadas do combustível. A mistura também pode ser excessivamente rica quando demasiado CO2 e/ou vapor de água reduzirem as proporções de ar na mistura. Misturas demasiado pobres para permitirem a ignição ocorrem quando a pirólise de voláteis cai abaixo de determinados mínimos, ou quando o vento promove uma diluição demasiado rápida com o ar.
Em combustões florestais, o limite de inflamabilidade depende do tipo e quantidade de extractivos voláteis, que variam com as espécies vegetais e com a estação do ano. A resposta de uma partícula de combustível que sofre um processo de aquecimento pode assumir três formas: não ignição (a partícula não chega a inflamar-se, porque a duração do aquecimento é demasiado curta, ou a intensidade demasiado baixa para se atingir a temperatura de ignição); ignição transitória (a combustão ocorre apenas enquanto se mantém a fonte de calor, situação muito frequente nos fogos florestais); ignição persistente (a combustão torna-se auto-sustentada, isto é, permanece mesmo na ausência de fonte de calor).
Combustão com chama
A frente de chama é a parte mais “espectacular” de um incêndio florestal e também a mais importante para a compreensão do fogo. A formação de chama requer calor e combustíveis gasosos e quando o combustível se encontra à partida nesta fase, a taxa de combustão é função da temperatura da zona de reacção e das taxas de fluxo e mistura de ar aí existentes.
Com combustíveis predominantemente sólidos, a combustão pode ser parcial e heterogénea, e exibir chama apenas quando a pirólise produz gases inflamáveis que podem ser transportados para a zona de reacção. Assim, a zona de pirólise pode ser distinta da zona de combustão e as chamas podem estar ligadas ou desligadas do combustível.
A produção de chama ocorre dentro de determinados limites de temperatura e processos de mistura gasosa. A baixas temperaturas, com misturas pobres em oxigénio e escassa produção de gases, as chamas podem estar separadas da zona de vaporização e difusão ou nem sequer se formar.
Todas as variáveis que afectam a ignição, afectam também a combustão, como é o caso da humidade dos combustíveis. O efeito principal da humidade sobre a combustão é, porém, a diluição dos gases combustíveis produzidos por pirólise do material sólido.
Combustão sem chama
A combustão sem chama, ou incandescente, é o processo dominante quando os voláteis foram já expulsos do combustível celulósico, restando apenas um invólucro carbonoso. Pode acontecer, ainda, quando o teor em cinzas é elevado e o de voláteis baixo (como, por exemplo, em solos orgânicos), de modo que o aquecimento não produz misturas gasosas voláteis, ou a gravidade específica do combustível é demasiado baixa para conduzir o calor com rapidez suficiente para que se produza a mistura gasosa inflamável.
Na combustão incandescente, o oxigénio presente junto à superfície do combustível combina-se directamente com o carbono e produz CO, a uma temperatura ligeiramente inferior a 600ºC. Se a temperatura atingir 650-700ºC e houver oxigénio suficiente, o CO é oxidado a CO2. A reacção C-CO pode dar-se em atmosferas com não mais de 5% de oxigénio, enquanto que a reacção CO-CO2 e a combustão com chama exigem, pelo menos, 15% de oxigénio.
A oxidação CO-CO2 liberta apenas 1/3 do calor da reacção directa C-CO2. Daí que a combustão por incandescência seja um processo relativamente mais frio do que a combustão com chama. Ela é também frequentemente acompanhada pela libertação abundante de CO e completamente controlada pela difusão de oxigénio até junto da superfície do combustível.
Esta combustão é típica de combustíveis de baixa densidade, e apresenta baixas perdas de calor por condução, prosseguindo mesmo sob condições de elevado teor de humidade e baixa concentração de O2, sob as quais nunca seria possível a formação de chamas.
São estas as características da combustão sem chama que explicam a sua persistência abaixo da superfície do solo, por períodos prolongados. Como as taxas de reacção são controladas pela disponibilidade de oxigénio, ventos fortes podem elevar rapidamente a temperatura de um fogo sem chama e inflamá-lo. Estes aspectos realçam a importância de se realizar um rescaldo eficaz dos incêndios.