Quimiluminescência

Luminiscência

Robert E. Leandro

MEEAMestrado em Engenharia MecânicaDepartamento de Eng. Mecânica 13 Out 2004

Luminescência

• Após excitarmos uma espécie química, esta pode emitir luz ao desexcitar.

• O comprimento de onda da luz emitida vai depender do nível para o qual o electrão transitou quando foi excitado, e para o qual ele regressará.

Tipos de Luminescência

•Quimiluminescência é a produção de luz a partir de uma reacção química, em excesso em relação à radiação de corpo negro esperada desse corpo. Daí ser frequentemente referida como “luz fria”.

•três tipos de processos de produção de “luz fria”:• Fosforescência

• Fluorescência

• Quimiluminescência

Mecanismo de Emissão de Luz

516 nm

C2*

+

FosforescênciaFluorescênciaQuimiluminescência

Fotão Emitido

E= h

Fonte de excitação

FotoinduçãoReacção química

Tempo de relaxamento

~ minutos

ms ~ ns

C2

Fluorescência

•Fotoluminescência

• Exemplos:

Fosforescência

Quimiluminescência• Quando, numa reação química duas ou mais

espécies reagem entre si por vezes surgem nos produtos da reacção uma espécie que se encontra excitada e pode emitir luz ao se desexcitar.

A + B C* + D

C* C + h

Quimiluminescência

• Existem na Natureza animais, plantas e bactérias que contêm enzimas capazes de produzir reacções químicas que emitem luz.

Bioluminescência

Quimiluminescência

Chamas

• A Quimiluminescência está intrisicamente ligada à cinética química que suporta o processo de combustão

• As espécies químicas que provocam essa luz, em chamas limpas, são principalmente o C2, CH e OH.

Quimiluminescência• Passos da reacção de maior

intencidade QL

516 nm

431 nm

308 nm

Luminosidade da

Chama

Luminosidade da Chama – Espectro

Exemplo do espectro de luz de uma chama azul.

OH*, CH* e C2* são os principais radicais quimiluminiscentes

Comprimentos de onda emitidos

• Radicais e produtos da combustão comuns :

Espécie Comprimentos de onda (nm)

OH* 306 – 315

NH* 336

CN* 359, 386

CH* 390, 431

C2* 469 – 473, 510 – 516

CH2O* 395, 423

CO2* Banda de emissão

513 nm

431 nm

308 nm

A Técnica• Espécies quimiluminiscentes formadas

durante o processo de Combustão podem dar informações importantes sobre esse mesmo processo de Combustão.

Intensidade de emissão é proporcional à concentração de

radicais

• Existência ou não de reacção

• Identificação da posição da frente de chama

A Técnica • Dependência Linear da quimiluminiscência com o

caudal de combustível, para um mesmo regime de escoamento (Clark, 1958).• Dependência com a razão de equivalência (Clark, 1958).

Quimiluminescência mínima de CH e máxima de C2 para zonas ricas da razão de equivalência.

Como é que esta informação pode ser usada?

A Técnica

concentração de

OH* , C2* e CH*

Modelos tendem a falhar em zonas onde a chama é sujeita a elevadas taxas de estiramento e curvatura (Teod. 2004)

razão de OH* / CH*

Proporcional à taxa de reacção

Proporcional à razão de equivalência

razão de C2* / CH*razão de OH* / C2*

A Técnica

• Resolução espacial das medidas de emissão de radicais coincidem com a zona de reacção devido ao tempo de vida curto dos radicais.

Tempo de vida (s)

C2* 10-7

CH* 10-5

OH* 10-7

• Medidas são normalmente feitas ao longo de uma linha de integração. Medidas locais são mais difíceis.

MAS

Aplicação da Técnica a Combustão não Estacionária

Necessidades

Elevada Resolução Temporal

Elevada Resolução Espacial

PM t~ns Optica de Cassegrain

Medidas Locais Sistema de Focagem :

• Elevada Resolução Espacial

from Beduneau & Ikeda (2002)

z

• Lente Esférica

• Espelhos de Cassegrain

Reso

luçã

o E

spaci

al

Medidas LocaisSonda com Lente

Esférica

• Indices de refracção dependem de :

- aberrações cromáticas

• Dimensões do Volume de Controle:

- aberrações geométricas

Sonda com óptica de Cassegrain

Intensidade cromática

Lente Colimadora

Espelho Dicroico

Filtro de interferência

C2*(513 nm)

Filtro de interferência

OH* (308nm)

PMs

Fibra Optica

Exemplo de Aplicação (1)

• I/P = const. I PCH* e

OH

• I/P = m + b I = P(m + b)

C2*

I/P

Exemplo de Aplicação (1) cont.

• I1 / I2 = m + b à priori > m > resolução (C2/OH)

• mas quanto mais pobre o regime < I(C2)

Exemplo de Aplicação (11)Distribuição radial de OH em Chama do tipo Bunsen

Exemplo de Aplicação (11) cont.

Distribuição radial de OH em Chama do tipo Bunsen

Exemplo de Aplicação (111)

Resolução

Temp. [t]

Spherical lens √

Langmuir Probe

√

Cassegrain Optics

√

Esp. [x]

[t] e [x]

_?

√ √

+ ?

Exemplo de Aplicação (11I) cont.

References• Beduneau, J.-L. & Ikeda, Y. (2002), Application of Laser

Ignition on Laminar Flame Front Structure Investigation. Presented in the 11th symposium of Applications of Lasers Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal.

• Clark, T. (1958). Studies of OH,CO and C2 radiation from laminar and turbulent propane-air and ethylene-air flames. NACA Technical notes 4266.