¡Descarga Calorimetría: Medición de la Energía Térmica en Química y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Termodinámica solo en Docsity!
CALORIMETRÍA
Roni ,,,.,.,.,.,.,..,.,,.,., Juan Carlos Peña Cáceres, Karen Alejandra Henríquez
Facultad de Ingeniería y Arquitectura, Departamento de Ingeniería de Procesos y Ciencias Ambientales, Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”, San Salvador, El Salvador.
00028611@uca.edu.sv
00060013@uca.edu.sv
00048811@uca.edu.sv
00023811@uca.edu.sv
I. INTRODUCCIÓN TEORICA.
A. Calorimetría
La calorimetría en el sentido que se entiende actualmente nace a partir de la figura de Joseph Black, el cual no solo fue el primero en distinguir los conceptos de calor y de temperatura, sino que, además introdujo el concepto de calor latente en contraposición con el calor sensible clásico. El desarrollo sistemático de la calorimetría científica se inició a causa del apogeo de las máquinas de vapor que para mejorar su rendimiento exigían el conocimiento de las propiedades térmicas de los materiales empleados. [1]
La cantidad de calor que cede o absorbe un cuerpo en el curso de un proceso físico o químico, como también la cantidad de energía generada en un proceso que conlleva un intercambio de calor, se puede medir a través de la calorimetría, la cual es la rama de la ciencia que se ocupa de las investigaciones de las propiedades térmicas de las sustancias, la cual se define de la siguiente manera: la calorimetría es la ciencia y tecnología que se ocupa de medir con precisión la energía y la entalpia [2]. Para asignarle propiedades a los sistemas que se estudian mediante la calorimetría es preciso que las cantidades de calor medidas se correspondan con procesos bien definidos, ya que el calor no es función de estado. La calorimetría es una medición cuantitativa del intercambio de calor.
La reacción de combustión se basa en la reacción química exotérmica de una sustancia o mezcla de sustancias llamada combustible con el oxígeno. Como una parte importante de las reacciones de combustión son sus aplicaciones técnicas, en cuyos procesos se exige la obtención del máximo calor posible. Las combustiones se consideran como las fuentes principales proveedoras de energía para la
humanidad, tanto en los procesos químicos que implican la obtención de energía química como en las reacciones de combustión de materias fósiles. La energía desprendida en una reacción de combustión se puede determinar a través del poder calorífico el cual se define como la cantidad de calor que entrega un kilogramo, o un metro cubico, de combustible al oxidarse en forma completa. [3]
B. Poder calorífico
El poder calorífico de un combustible a su vez puede ser poder calorífico superior (PCS) o poder calorífico inferior (PCI), lo cual es importante distinguir, cuya distinción se basa en el agua obtenida en la combustión, en el PCS el agua obtenida se encuentra en forma líquida mientras que en el PCI se encuentra en vapor. La única magnitud realmente utilizable en la práctica es el PCI ya que el agua producida en la combustión se encuentra en forma de vapor en los gases emitidos por los motores y quemadores [4].
El poder calorífico superior se define suponiendo que todos los elementos de la combustión (combustible y aire) son tomados a 0 ºC y los productos (gases de combustión) son llevados también a 0 ºC después de la combustión, por lo que el vapor de agua se encontrará totalmente condensado. El poder calorífico inferior considera que el vapor de agua contenido en los gases de la combustión no condensa. Por lo tanto no hay aporte adicional de calor por condensación del vapor de agua. Solo se dispondrá del calor de oxidación del combustible, al cual por definición se denomina: Poder Calorífico Inferior del Combustible. El poder calorífico se relaciona con el calor de la reacción de combustión mediante:
German Wilfredo Ávila Sánchez, Edny Carolina Lara Pineda, Nora Nathaly Muñoz Sosa,
Rocio Marisela Prieto Lima.
P=-𝑄𝐶𝑂𝑀𝐵𝑈𝑆𝑇𝐼𝑂𝑁 ∗ (^1000) 𝑀 ó 𝑃 = −𝑄𝐶𝑂𝑀𝐵𝑈𝑆𝑇𝐼𝑂𝑁 ∗ (^1000) 𝑉 𝑚
Ec. 1
En el primer caso, es el poder calorífico de un combustible sólido o líquido, donde M es su masa molar y se expresa en kJ/kg. En el segundo caso, es el poder calorífico de un gas, donde Vm es su volumen molar en las condiciones de presión y temperatura utilizadas y su unidad es kJ/m^3 [5].
C. Determinación del poder calorífico
El poder calorífico superior de una sustancia se mide en una bomba calorimétrica como la presenta en la figura 1, el método consiste en producir la combustión de una muestra seca en el interior de un cilindro en el que se introduce oxígeno a presión [6], es decir ocurre una combustión en una atmosfera de oxígeno, la muestra se encuentra en una bomba calorimétrica sumergida en agua. El calor liberado se calcula a partir de la elevación de la temperatura del medio. Las técnicas calorimétricas proporcionan el PCS másico, para la determinación del PCI másico solo falta conoce la cantidad másica de hidrogeno del carburante. Si se expresa como porcentaje, la masa M del agua de la producida en la combustión del carburante se puede expresar como:
𝑀 = 100 𝑊𝐻 ∗ 182 Ec. 2
Tomando en cuenta la entalpia másica de vaporización del agua a 25 °C se tiene:
𝑃𝐶𝐼𝑚 = 𝑃𝐶𝑆𝑚 − 220 𝑊𝐻 Ec. 3
Para los productos químicos puros, es posible calcular el poder calorífico a partir de su calor de formación de las tablas de datos termodinámicos el PCI se obtiene utilizando la relación general de termoquímica aplicable en las condiciones estándar de presión y temperatura (1 bar y 25 ° C) [4].
∆𝐻°𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 = ∑(∆𝐻°𝑓,𝑇)𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 − ∑(∆𝐻°𝑓,𝑇)𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 Ec. 4
II. DATOS
Se proporciona la masa de la muestra de granza de arroz la cual era de 0.3245, la cual fue proporcionada por el instructor, la cual previamente se determinó la cantidad de masa necesaria para controlar la combustión en la condiciones de trabajo de laboratorio, realizando los cálculos respectivos.
Luego se preparó el recipiente de disgregación, en el cual se aflojo la tuerca de racor, utilizando el asa se quitó la tapa. Luego con ayuda de pinzas se colocó una fibra de algodón en el centro del alambre de contacto, se introdujo la muestra en el crisol, y se orientó la fibra de algodón de modo que tuviera contacto con la muestra. Continuando con la práctica, se rellenó el recipiente de disgregación con oxígeno hasta alcanzar una presión de 30 bares, posteriormente se introdujo el adaptador de encendido.
Finalmente se colocó el recipiente de disgregación en la caldera del calorímetro luego se agregaron 2 L de agua en el depósito correspondiente, y en el panel de control se introdujo la masa para dar inicio a la combustión. El proceso se llevó a cabo a una temperatura inicial de 18.7110 °C, utilizando una masa de 0.3245 g de granza de arroz, en la siguiente tabla se muestran los datos obtenidos al finalizar el proceso.
Tabla I. Datos de tiempo y temperatura obtenidos durante el experimento.
A. Datos utilizados para la práctica.
- calorímetro IKA c 200.
- oxigeno de investigación 99.99% de pureza.
- 1 recipiente de disgregación.
- 1 crisol de cuarzo.
- 1 balanza analítica.
- 2 L de agua a 20 ºC.
- hilo de algodón.
- pinzas.
- muestra de granza de arroz.
tiempo ∆𝑇 (K) T (K)
1) Cálculo del PCS.
Se procederá a calcular el PCS, usando la ecuación 9 con:
C=9936.6 J/K m= 0.3245 g Qext1= 50 J Qext2=0J ΔT=0.5354K ΔTareas=0.545K
Luego se procederá a calcular el porcentaje de error respectivamente utilizando la ecuación:
%error=
PCSexperimental -PCSteórico PCSteórico^ Ec. 10
Donde el valor de PCSteórico es de 18,154 J/g, valor medido por el calorímetro IKA C
PCS utilizando ΔT (TMáx – Tmín)
PCS utilizando ΔTareas:
PCS =
(9936. 6 J/K)(0.545K) − 50 J
0.3245 g
PCS = 16886.9091 J/g
Calculando el %error
× 100%
IV. CUESTIONARIO
- Explique por qué motivo la temperatura del agua se incrementa de manera bastante uniforma durante el proceso de pre-combustión. Podría aumentar la temperatura de forma indefinida? Explique su respuesta.
El aumento de la temperatura es uniforma porque el combustible no ha empezado a quemarse, no ha existido ninguna combustión; es decir, al calentar el agua solo se da un cambio progresivo en la temperatura, ya que no hay energía suficiente para que cambie de fase. Cuando el aumento de temperatura deja de ser uniforma y comienza a incrementar rápidamente, es lo que indica que se está dando la combustión. Si la temperatura aumenta de forma indefinida no se tendría un parámetro de cuándo es que empezó la combustión, ya que mientras la temperatura aumenta uniformemente se sabe que es la pre- combustión ya que no tiene energía suficiente para hacer el cambio de fase y solo se calienta progresivamente, pero si la temperatura aumenta indefinidamente podría existir algún defecto en el calorímetro.
- Que observación en el experimento le permite concluir que el poder calorífico obtenido es el PCS.
La observación que permite concluir que es el poder calorífico superior es que el agua vapor que se formó en la reacción de combustión condenso. Esto se apoya en la definición de poder calorífico superior en inferior. El poder calorífico superior es el que se da cuando existe una reacción de combustión y el agua que se encuentra en estado vapor condensa; es decir, que incluye en calor latente de la condensación del agua vapor, a diferencia del inferior en que el agua queda en estado vapor. Basándonos en la definición, se sabe que es el poder calorífico superior debido a las gotas de agua que se observaron, provenientes de la condensación del vapor.
- Investigue en que consiste la corrección acida del PCS y cuál es el procedimiento para determinar dicha corrección (indique la fuente consultada).
La corrección acida del PCS consiste en hacer un análisis respecto al ácido nítrico y ácido sulfúrico. Esto es necesario ya que a pesar que se tratan de controlar las condiciones para que estos ácidos no surjan, siempre hay ocasiones en que se forman estos ácidos. Según las normas ASTM, la corrección de estos dos ácidos es la siguiente:
Corrección para el ácido nítrico El ácido nítrico se forma cuando el nitrógeno existente en la muestra se oxida a óxido nítrico y
este al combinarse con el agua forma el ácido. Como en condiciones normales no se forma y es artificial se debe hacer una corrección. Para la corrección del ácido nítrico se debe hacer una titulación o valoración del líquido de lavado de la bomba con un álcali. Se necesita conocer el contenido de nitrógeno presente en la muestra y saber cuánta energía se necesita para la formación del ácido y así saber la corrección que debe hacerse. El calor de formación del ácido nítrico en condiciones normales es 14.1 kcal/mol. “Una corrección de 5J es aplicada por centímetro cubico de solución estándar de hidróxido de sodio (0.0866 mol/L) en la titulación del ácido. Esta está basado en la suposición de que todo el ácido titulado es ácido nítrico y que el calor de formación del ácido nítrico 0.1 N bajo estas condiciones es 57.8 kJ/mol.” [7]
Corrección para el ácido sulfúrico El ácido sulfúrico se forma de la misma manera que el ácido nítrico, el azufre contenido en la muestra se oxida a trióxido de azufre y este al combinarse con el agua forma el ácido. Al igual que el ácido nítrico, se necesita saber el contenido de azufre en la muestra para conocer cuánto acido se va a formar. Esta corrección, al igual que la anterior, resta este calor de la formación del ácido del calor total, para saber exactamente cuánto es el calor necesario en una combustión normal. El calor de formación del ácido sulfúrico es 72. kcal/mol. “Una corrección de 5.86 kJ es aplicada por cada gramo de sulfuro de la muestra. Se basa en el calor de formación del ácido sulfúrico 0.17 M. el cual es -301.4 kJ/mol. Pero otra corrección equivalente a 2 X 57.8 kJ/mol de sulfuro se aplicó para ácido sulfúrico en la corrección e ₁. Por lo tanto, la corrección adicional necesaria es 301.4 - (2 X 57.8KJ/mol) = 185.8 kJ/mol de sulfuro.” [7]
V. CAUSAS DE ERROR Y RECOMENDACIONES
A. Causas de error.
La cantidad de oxigeno que se proporciona al sistema es importante ya que si no es la cantidad requerida para la combustión la que se proporciona pueda que exista alguna variación en los resultados obtenidos en el calorímetro, ya que en el momento de agregar el oxígeno, se hizo haciendo un estimado, ya que la lectura del regular de presión no funcionaba adecuadamente.
Puede suceder el caso de que la fibra de algodón logre incendiarse o combustionar pero si este no quedaba en contacto directo con la muestra, la reacción pudo verse afectada o pudo no combustionar toda la muestra y produciría un margen de error.
La masa del combustible siempre es una causa de error, ya que es difícil saber si esa masa es exactamente la que se puso en el instrumento, generalmente siempre queda parte de la muestra que no se transfiere al instrumento.
A la hora de cerrar el equipo, la tapadera del calorímetro no cerraba bien, lo que pudo haber causado algún error en los datos obtenidos.
Pérdida de masa al transferir la grazna al crisol.
B. Recomendaciones
Verificar y ser cuidadosos con la cantidad de oxigeno que se proporciona, asegurarse que la cantidad a utilizar sea la adecuada, como también revisar el equipo como las lecturas de presión que se encuentren en condiciones óptimas para que proporcionen datos para utilizarlos con mayor confiabilidad y evitar al máximo los errores en los resultado y que estos a su vez reflejen datos confiables.
Verificar la posición y el tamaño adecuado de la fibra de algodón en el equipo para lograr que toda la muestra combustione.
Verificar periódicamente el equipo para que no presente ningún tipo de error debido a una mala calibración.
Verificar y Calibrar el calorímetro para evitar que el instrumento sea causa de error en las mediciones, antes de uso y darle mantenimiento para evitar problemas como el de la tapadera.
Pesar la masa directamente en el crisol.
VI. CONCLUSIONES
Cuando la combustión en un determinado proceso ha terminado, la temperatura tiende a estabilizarse, ya no puede aumentar la temperatura y se van generando cambios de temperatura pequeño, lo cual se verifico en los resultados obtenidos, que los cambios de temperatura alrededor del minuto 15 empezaron a decrecer y luego siguen una tendencia constante estabilizándose, observando a la vez que a partir del tiempo en cuestión los cambios de temperatura son pequeños, en dicho tiempo se considera que la combustión ha terminado.
La reacción de combustión es una reacción exotérmica, es decir que libera energía en forma de calor, esto se comprobó en
