UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CALOR DE COMBUSTIÓN FISICOQUÍMICA I
ALUMNO: VARGAS SAAVEDRA JOSÉ ANTONIO
PROFESOR: CESAR GUTIERREZ CUBA
SEMESTRE: 2012-A
BELLAVISTA CALLAO
2012
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
CALOR DE COMBUSTIÓN INTRODUCCION Mediante esta experiencia podemos determinar el calor de combustión que se produce en una reacción química. Es así que experimentamos como se puede producir esto mediante una bomba calorimétrica que nos mostrara a la temperatura t emperatura el cual la reacción se mantiene en equilibrio y mediante esto se halla el calor de combustión que experimenta dicha sustancia. También con estos conceptos podemos inmiscuirnos a lo que es el tratado e la termoquímica que estudia en general las transformaciones de energía que pueda experimentar un cuerpo por medio de una reacción. Durante la combustión de los cuerpos, el desprendimiento de calor se realiza de forma diferente de acuerdo con las características físicas y químicas del cuerpo en cuestión. Una magnitud que permite caracterizar cuantitativamente el desprendimiento de calor de los cuerpos durante la combustión, es el denominado calor de combustión.
OBJETIVOS Conocer y determinar la capacidad calorífica de la bomba calorimétrica. Determinar la energía de combustión del naftaleno utilizando una bomba calorimétrica.
FISICOQUÍMICA I – CALOR DE COMBUSTIÓN
2
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
MARCO TEÓRICO La Termoquímica consiste en el estudio de las transformaciones que sufre la energía calorífica en las reacciones químicas, surgiendo como una aplicación de la termodinámica a la química. Frecuentemente podemos considerar que las reacciones químicas se producen a presión constante (atmosfera abierta, es decir, P=1 atm), o bien a volumen constante (el del receptáculo donde se estén realizando).
Proceso a presión constante
El calor intercambiado en el proceso es equivalente a la variación de entalpía de la reacción. QP = Δr H H
Proceso a volumen constante
El calor que se intercambia en estas condiciones equivale a la variación de energía interna de la reacción. QV = Δr U U CALOR DE COMBUSTION
El conocimiento del calor específico de combustión de los combustibles permite asumir las formas y los métodos más eficientes para su utilización.
Los fenómenos térmicos son aquellos que están relacionados con la emisión y la absorción del calor. Estos fenómenos pueden ser encontrados en cada actividad que el hombre realiza diariamente: el calentamiento de la atmósfera por la radiación solar, la climatización de los locales por medio del aire acondicionado, la cocción de los alimentos y su refrigeración. Una característica general de los fenómenos térmicos es que existen cuerpos que ceden energía en forma de calor, y otros que son capaces de absorber dicha energía. Con el objetivo de caracterizar cuantitativamente la emisión o la absorción del calor, se ha establecido el concepto cantidad de calor . La cantidad de calor ( Q) se define como la energía cedida o absorbida por un cuerpo de masa ( m), cuando su temperatura varía en un número determinado de grados. La cantidad de calor ( Q) está relacionada directamente con la naturaleza de FISICOQUÍMICA I – CALOR DE COMBUSTIÓN
3
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
la sustancia que compone el cuerpo. La dependencia de la cantidad de calor con la naturaleza de la sustancia se caracteriza por una magnitud denominada calor específico de la sustancia . El calor específico de la sustancia se representa con la letra ce y se define como la cantidad de calor requerida por la unidad de masa de una sustancia para variar su temperatura en 1 °C. El calor específico ( ce) se expresa en unidades de energía: joule ( J ), ), kilocaloría (kcal ), ), caloría (cal ), ), etc. por unidades de masa: gramo ( g), kilogramo (kg), libra (lb), etc. y temperatura: temperatura: grado centígrado ( °C ). ). La fórmula que permite determinar la cantidad de calor ( Q) cedida o absorbida por un cuerpo de masa ( m) y calor específico (ce), cuando su temperatura inicial ( T i) varía hasta la temperatura final ( T f ), ), se puede calcular mediante la fórmula:
( ) En esta fórmula, el resultado numérico de la cantidad de calor ( Q) se expresa en unidades de energía: J , kcal o cal . A partir de esta fórmula es posible apreciar que la cantidad de calor (Q) es directamente proporcional a la masa ( m) del cuerpo, su calor específico (ce) y a la diferencia de temperaturas: temperaturas: ( T f - T i). Un cuerpo de masa (m) puede variar su temperatura inicial mediante un fenómeno térmico si absorbe o cede cierta cantidad de calor ( Q). Al considerar que la energía no puede ser creada ni destruida de acuerdo con la ley de conservación de la energía, entonces la energía absorbida (o cedida) por un cuerpo debe, en principio, ser cedida (o absorbida) por otro cuerpo. En estos procesos de emisión y absorción de energía desempeña un papel muy importante el proceso de combustión, combustión, ya que en un número considerable de fenómenos térmicos se logra el desprendimiento de energía de los cuerpos, mediante su combustión. Durante la combustión de los cuerpos, el desprendimiento de calor se realiza de forma diferente de acuerdo con las características físicas y químicas del cuerpo en cuestión. Una magnitud que permite caracterizar cuantitativamente el desprendimiento de calor de los cuerpos durante la combustión, es el denominado calor específico de combustión o entalpía de combustión, que se representa con la letra . Se define la entalpía de combustión ( ) como la cantidad de calor ( Q) que cede la unidad de masa del cuerpo al quemarse totalmente. La entalpía de combustión se expresa en unidades de energía ( J ) por cantidad de sustancia ( mol ) y depende del tipo de combustible. Iguales masas de combustibles diferentes, desprenden diferentes cantidades de calor ( Q) al quemarse totalmente. De otro modo, masas diferentes del mismo combustible desprenden, también, diferentes cantidades de calor (Q). La cantidad de calor desprendida por cierta masa ( m) de combustible, al quemarse totalmente, puede ser calculada mediante la fórmula:
̅
FISICOQUÍMICA I – CALOR DE COMBUSTIÓN
4
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
La entalpía de combustión generalmente se relaciona con los materiales considerados como combustibles tradicionales (petróleo, carbón, alcohol, leña, etc.), pero también puede ser asociado con los combustibles alternativos; por lo que es importante conocer las potencialidades combustibles de diferentes materiales que no se emplean con frecuencia en la combustión, mediante el conocimiento de sus entalpías de combustión. Queremos calcular la entalpia de combustión para una sustancia dada, para ello consideramos: Y:
Como es un proceso a volumen constante (bomba calorimétrica), entonces:
Donde C es la capacidad calorífica del sistema, Q es la cantidad de calor cedida por la sustancia y la variación de temperatura del sistema. Si reemplazamos la ecuación (1) en la ecuación anterior, tenemos la capacidad calorífica del sistema, en este caso la bomba calorimétrica:
̅
Figura 2. Diagrama del calorímetro de bomba y sus partes principales.
FISICOQUÍMICA I – CALOR DE COMBUSTIÓN
5
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
MATERIALES a) Reactivos
Ácido benzoico Naftaleno Agua destilada
b) Equipos:
Equipo de oxígeno Bomba calorimétrica Controlador Controlador electrónico de temperatura.
c) Materiales
Mortero Alambres finos
FISICOQUÍMICA I – CALOR DE COMBUSTIÓN
6
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Determinación de la capacidad calorífica de la bomba calorimétrica.
Para ello tomamos como muestra una sustancia estándar: el acido benzoico.
Pesar el alambre que se usará para fijar la pastilla (muestra estándar). Preparar la pastilla de acuerdo a lo estipulado en el manual con los materiales indicados en el mismo. Instalar el alambre (que se utiliza en la combustión de la pastilla), tal que se cierre el circuito. Colocar la pastilla en la cápsula sujetándolo con el alambre para sostenerlo y quepa en el lugar correspondiente. Cierre herméticamente la bomba de oxígeno. Se prepara la salida del oxigeno con una presión no mayor a 10 bar. Introducir la bomba de combustión en el calorímetro, conectando los electrodos del detonador y haciendo funcionar éste, luego de revisar que todo el sistema se encuentre en orden. (Tener desconectado el detonador por peligro de una descarga eléctrica). Medir temperatura y tiempo para el transcurso del intercambio calórico. Hasta que la temperatura temperatura se encuentre constante. Abra la válvula para la salida de los gases de combustión antes de abrir la bomba de oxígeno.
FISICOQUÍMICA I – CALOR DE COMBUSTIÓN
7
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
Determinación del calor de combustión
Una vez determinada la capacidad calorífica de la bomba, procedemos a determinar el calor de combustión de la muestra problema (naftaleno).
Confeccionar una pastilla de naftaleno (muestra problema) con el equipo correspondiente. correspondiente. Instalar el alambre (que se utiliza en la combustión de la pastilla), tal que se cierre el circuito. Colocar la pastilla en la cápsula sujetándolo con el alambre para sostenerlo y quepa en el lugar correspondiente. Cierre herméticamente la bomba de oxígeno. Se prepara la salida del oxigeno con una presión no mayor a 10 bar. Introduzca la bomba de combustión en el calorímetro, conectando los electrodos del detonador y haciendo funcionar éste, luego de revisar que todo el sistema se encuentre en orden. (Tener desconectado el detonador por peligro de una descarga eléctrica). Medir temperatura y tiempo para el transcurso del intercambio calórico. Hasta que la temperatura se encuentre constante. Abra la válvula para la salida de los gases de combustión antes de abrir la bomba de oxígeno.
CÁLCULOS Y RESULTADOS 1.
Determinación de la capacidad calorífica de la bomba calorimétrica (usamos la muestra estándar: ácido benzoico).
Datos de tablas: tablas:
̅
Datos experimentales: experimentales:
Hallamos la masa del acido benzoico:
FISICOQUÍMICA I – CALOR DE COMBUSTIÓN
8
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
Hallamos la capacidad calorífica con la siguiente ecuación:
̅
Reemplazamos valores:
2.
Determinación del calor de combustión de la muestra problema (naftaleno).
Datos de tablas: tablas:
̅ Datos experimentales: experimentales:
Hallamos la masa del acido benzoico:
FISICOQUÍMICA I – CALOR DE COMBUSTIÓN
9
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
Usamos la ecuación (1) para calcular el calor de combustión del naftaleno:
̅
̅
Reemplazando valores en dicha ecuación:
Ahora hallamos el porcentaje de error:
Dato de tabla:
FISICOQUÍMICA I – CALOR DE COMBUSTIÓN
10
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
CONCLUSIONES Con esta experiencia podemos llegar a determinar el calor de combustión de nuestra muestra. A través de la comparación pudimos determinar el valor de la entalpia de reacción mediante un patrón y nuestra sustancia problema.
BIBLIOGRAFÍA
Castellán, Gilbert W. Fisicoquímica; Segunda Edición.
Don W. Green, Robert H. Perry. Manual del Ingeniero Químico; séptima edición.
Pons Muzzo, Gastón. Tratado de Química Física, A.F.A; sexta edición.
FISICOQUÍMICA I – CALOR DE COMBUSTIÓN
11
