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Determinación del poder calorífico
de una sustancia mediante el
método de la bomba calorimétrica
DETERMINACIÓN DEL PODER CALORÍFICO
DE UNA SUSTANCIA: MÉTODO DE LA
BOMBA CALORIMÉTRICA
I. INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo de laboratorio se va a tratar la determinación del poder calorífico de una sustancia por el método de la bomba calorimétrica. Para obtener dicho valor, se trabajó de manera experimental con una cierta masa de petróleo residual, una longitud de alambre de Nicrom, un volumen de agua destilada y oxígeno a presión de 25 atmósferas, para que haya una combustión completa dentro del cilindro donde van a estar estos materiales. Este cilindro va a estar dentro de una cubeta con 2 litros de agua, y este a su vez dentro de la bomba. Posteriormente, se toma en cuenta las reacciones de oxidación del hierro y el nitrógeno, las cuales proporcionan calor al sistema. Una vez hallados los calores de éstos, se pasa a reemplazar los valores en la fórmula general, haciendo los cálculos para poder encontrar el poder calorífico de la sustancia en cuestión.
El calor es el proceso a través del cual se da la transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro, por el hecho de encontrarse a diferente temperatura. Se puede decir que, el calor es energía en tránsito, porque siempre fluye de una zona con mayor temperatura a una zona con menor temperatura (Fernández, s.f).
La calorimetría es la ciencia o técnica que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor, esta medición se realiza con la ayuda de un instrumento denominado calorímetro, el cual es un recipiente aislado que permite una pérdida de calor mínima al entorno, aunque en términos ideales, no hay ninguna pérdida de calor (Jiménez, 2018).
Se define al poder calorífico de una sustancia como la cantidad de energía por unidad de masa o volumen que puede generar esta sustancia, al oxidarse de forma completa. Siempre se mide por unidad de masa o unidad de volumen de combustible que se ha oxidado, es decir, que se ha quemado. Las unidades más comunes son kcal/kg en combustible sólido, kcal/l en combustible líquido y kcal/m3 en combustible gaseoso. En cuanto a mayor sea el poder calorífico de un combustible, mayor será la cantidad de energía que produzca y menor cantidad de éste se utilizará (Primagas, 2021).
II. COMPETENCIAS
Conoce el poder calorífico de una sustancia Determina el poder calorífico de una sustancia. Calcula el % de error en la determinación.
III. FUNDAMENTO TEÓRICO
La calorimetría es la parte de la física que se encarga de medir la cantidad de calor generada o perdida en ciertos procesos físicos y/o químicos.
La determinación del calor de combustión (o el poder calorífico) se realiza en la bomba calorimétrica, método que consiste en quemar una sustancia en una atmósfera de oxígeno a presión. Se observará que a diferencia de otros calorímetros, la bomba calorimétrica trabaja a volumen constante. Por otro lado, debido a las condiciones de temperatura y presión a las que opera la bomba, el agua producida en la combustión se hallará al final del proceso al estado líquido, de donde se infiere que la bomba calorimétrica permite determinar el poder calorífico superior de una sustancia.
La Bomba Calorimétrica es un equipo de medición confiable para determinar el poder calorífico de cualquier muestra combustible ya sea sólida o líquida, no requiere de conexiones permanentes, se puede configurar en unos minutos y cuando no está en uso se puede desmontar fácilmente. Es un equipo útil para la enseñanza de medición de calor en un laboratorio, ya que brinda toda la instrumentación y facilidad en el manejo para dichas pruebas, permitiendo calcular cualquier pérdida o ganancia de calor.
El poder calorífico es la cantidad de calor liberada cuando se quema en forma completa un mol gramo de una dada sustancia, en condiciones de temperatura y presión constantes, dando como productos de reacción CO2 y H2O. En caso de no conocerse el peso molecular de la sustancia (como sucede con la muestra de petróleo residual en este trabajo práctico) se hablará de poder calorífico.
Qc = Qc(CO2 + H2O)
El poder calorífico de un combustible es la transferencia de calor (por mol unitario o por masa unitaria de combustible) que ocurre en la combustión completa del combustible en aire (en un proceso de flujo estable).
Qt = (mc.Cc.ΔT + e)Kc Qc = Qt - Qh/Fe2O3 - Qh/HNO
Donde: Qt = Calor total mc = Masa de agua Cc = Calor específico del agua ΔT = Variación de la temperatura e = Constante del equipo Kc = Constante del equipo Qh/Fe2O3 = Calor de la reacción del hierro Qh/HNO3 = Calor de la reacción del nitrógeno
IV. MATERIALES Y EQUIPO
Bomba calorimétrica
Qc = mc.Cc.ΔT + e
Se realizan los cálculos correspondientes y se encuentra el poder calorífico.
ORGANIZACIÓN DE DATOS
Ecuaciones a usar:
$Q_c = m_a c_a \Delta T$ $Q_c = [m_a c_a \Delta T + m_s]c_c \Delta T + Q_f$ $Q_c = \frac{[m_a c_a \Delta T + m_s]c_c \Delta T}{2 m_s c_s^2 + m_c c_c}$
Datos de la práctica experimental:
$m_a = 2\text{kg}$ $c_a = 1,1403\text{kJ/kg°C}$ $\Delta T = 7,95 \text{°C}$ $m_s = (2020\text{g})$ $c_s = 6.6\text{kJ/kg°C}$ $m_c = 0.0407\text{kg}$ $c_c = 0.0735\text{kJ/kg°C}$ $Q_f = 10,6\text{kJ}$
Teniendo en cuenta que ocurren las siguientes Rx:
$2\ce{H2(g)} + 3\ce{O2(g)} \rightarrow 2\ce{H2O(l)}$ $\frac{5} {2}\ce{N2(g)} + \ce{O2(g)} \rightarrow \ce{N2O5(g)} \rightarrow 2\ce{HNO3(aq)}$
Determinación del $m_s/m_c^2$:
$m_s/m_c^2 = 9,63\text{kg/kg}^2 (6,6\text{kJ/kg°C})$ $m_s/m_c^2 = 63,558\text{kg/kg}^2$
Determinación del $Q_f$:
$Q_f = m_c c_c Q_f + m_c c_c Q_f + 0,063\text{kJ/g}$ $Q_f = 10,6\text{kJ} \times 0.0735\text{kJ/g} \times 0.063\text{g/g}$ $Q_f = 0.049\text{kJ}$ $Q_f = 962\text{kJ/kg}(0.0407\text{kg})$ $Q_f = 39,153\text{kJ}$
Reemplazando en la ecuación inicial:
$Q_c = \frac{[m_a c_a \Delta T + m_s]c_c \Delta T}{2 m_s c_s^2 + m_c c_c} $ $Q_c = \frac{[2\text{kg} \times 1,1403\text{kJ/kg°C} \times 7,95\text{°C} + 2020\text{g}]0.0735\text{kJ/kg°C} \times 7,95\text{°C}} {2 \times 63,558\text{kg/kg}^2 \times (6,6\text{kJ/kg°C})^2 + 0.0407\text{kg} \times 0.0735\text{kJ/kg°C}}$ $Q_c = 82702\text{kJ}$
Calculando el porcentaje de error:
$%\text{error} = \frac{|\text{valor experimental} - \text{valor teórico}|} {\text{valor teórico}} \times 100$ $%\text{error} = \frac{|41591 - 40205,52|}{41591} \times 100$ $%\text{error} = 3.33%$
RESULTADOS
$m_s/m_c^2$: 63,558 kg/kg^ $Q_f$: 39,153 kJ $Q_c$: 82702 kJ $%\text{error}$: 3.33%
DISCUSIONES
El calor de combustión que se genera al quemar la sustancia en presencia de oxígeno dentro de la bomba es la energía liberada se expresa principalmente de dos formas: como el calor que gana el calorímetro y la cantidad de calor que gana el agua. La sustancia de referencia se utiliza para determinar el calor ganado por el calorímetro como la diferencia del valor de calor de combustión de la sustancia patrón y el calor que absorbe el agua. Los valores necesarios para determinar el calor ganado por el calorímetro, es decir, su capacidad calorífica, se obtienen a partir del gráfico de temperatura contra tiempo para el proceso de combustión y utilizando las fórmulas preestablecidas para el tipo de calorímetro utilizado.
Las reacciones de combustión son siempre exotérmicas por lo que era de esperarse que la entalpía de combustión para esta reacción fuera negativa. Estos valores encontrados para los respectivos calores de combustión dan cuenta de la energía cedida durante la reacción por la ruptura de los enlaces dada por la interacción entre los reactivos para generar nuevas atracciones entre las moléculas y así generar nuevos compuestos.
Finalmente, los errores presentes en los resultados producto de los datos tomados experimentalmente pueden atribuirse a errores sistemáticos, debido al operador: error en el pesaje de la muestra inicial, mala lectura de las temperaturas en el termómetro, mal sellado de la autoclave o de la camisa de agua (permitiendo la salida de calor, afectando la medición), incorrecta lectura del indicador durante la titulación (lo que afecta directamente los resultados para CV y ∆E) o errores debido al instrumento de medida, como: termómetro descalibrado (registrando temperaturas diferentes a las reales) o bureta igualmente descalibrada (afectando el volumen real usado en la titulación).
RECOMENDACIONES
Se recomienda usar una cantidad de agua en el calorímetro no menor a un litro, ya que una cantidad grande facilita el intercambio calórico y que el mismo no sea muy rápido.
