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LABORATORIO DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Y DE TRANSPORTE CALOR DE COMBUSTIÓN Tatiana Acero 1, Astrid Ballén 1
El calor de combustión se define como el calor liberado cuando un compuesto formado por C, H y O se quema en presencia de oxígeno, O2 (g) para producir CO2 (g) y H2O (l), cuando la reacción es completa, es decir en presencia de un exceso de oxígeno cuando este proceso de da a condiciones estándar, es decir, 25°C y 1 atmósfera de presión, se habla del Calor estándar o normal, muchos libros lo denotan como Hg.
1Departamento de Ingeniería Química y ambiental
Presentado a: Johana Orjuela
RESUMEN En este artículo se presenta la manera de determinar el calor de combustión de algunas sustancias orgánicas, el proceso experimental para calcular el poder calorífico de un combustible con su respectiva sustentación desde la matemática y la termodinámica y se exhibe el funcionamiento de una bomba calorífica como equipo de operación o peración de la práctica. Palabras clave: Calor d e combustión, Entalpía estandar, entalpía de combustión, poder calorifico
ABSTRACT In this report, the procedure to determine the heat of combustion of some organic substances is shown as well as the procedure to determine the heat of combustion of a combustible material with its respective mathematical foundation and the proper functioning of a calorific bomb which will be the equipment used in this lab practice Keywords: Heat of combustion, Standard enthalpy, Enthalpy of combustion, calorific value.
OBJETIVOS
FUNDAMENTO TEÓRICO Por lo general la combustión se efectúa en una cámara aislada que transmite el calor liberado a una camisa adiabática, considerando por aparte cada uno de los agentes absorbentes absorb entes de calor (bomba calorimétrica, agua y productos de combustión) y los liberadores de calor (reacción de combustión, reacción de formación de formación de ácido nítrico e ignición de alambre) Esta cámara es una bomba calorimétrica, que es un dispositivo diseñado para soportar altas presiones y es construido generalmente de acero inoxidable. Para proceder a hacer mediciones en este equipo es necesario realizar primero un proceso de calibración con una sustancia patrón, para efectos de esta práctica se tomará el ácido benzoico para tal fin, siguiendo la siguiente reacción:
+7,5 ⇒7 + 3;25° 1 Para determinar el calor de combustión tanto de la sustancia patrón como de las sustancias su stancias problema (orgánicas) se plantea la primera ley de la termodinámica haciendo las simplificaciones simplificaciones respectivas a las condiciones de trabajo, como sigue:
+∫−∫− 2 Trabajando a volumen constante,
0∶. Entonces queda,
OBJETIVO GENERAL: Determinar el calor de combustión de una sustancia orgánica y el poder calorífico de un combustible. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Emplear un calorímetro adiabático para determinar calores de combustión de ddistintas istintas sustancias. Mediante una sustancia estándar establecer la capacidad calorífica del calorímetro. Calcular el calor de combustión del Ácido Benzoico o sacarosa y del Diesel. Determinar si se obtuvo una combustión completa en cada una de las reacciones. Definir la efectividad de la medición de los calores de combustión comparándolos con los datos reportados en la literatura.
∫ 3 A presión constante,
+ ∫ −∫− − 4 + ( ( − )+ 5 Para gas ideal,
6 Entonces la expresión final sería,
+ 7
Dónde se refiere a los calores de combustión a volumen constante (Ecuación 3). Una vez que se ha calculado los calores de combustión se plantea el balance de energía como sigue:
INTRODUCCIÓN
+ + … 8 Como la reacción dentro del calorímetro es una reacción adiabática (q = 0) a volumen constante donde aumenta la
2 temperatura y disminuye la presión ya que el oxígeno se consume, entonces:
= , + , → , + ,
Pesar aprox 10 cm de alambre
Poner la pastilla en el porta muestras
Dejar el extremo inferior del alambre dentro de la pastilla (V).
Amarrar el alambre a los extremos de la tapa del calorímetro, dejandolo en forma de V
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El Cambio de temperatura con respecto al tiempo se muestra en una curva teórica en la gráfica 1: de Imagen 1 Cambio temperatura Vs. Tiempo en un proceso de experimentación con un calorímetro.
Cerrar la bomba calorimétrica.
Presurización de la bomba calorimétrica
MATERIALES Y REACTIVOS Alambre Sacarosa Diésel Acido benzoico Elementos de compactación 3 vidrios de reloj Beaker de 2 litros Termómetro Espátula
Conectar la linea de O2
Cerrar la válvula del calorímetro
Abrir tanque de O2 a 10 atm
Abrir tanque de O2 a 25 atm
Abrir Valvula del calorímetro. Dejar unos seg. y volver a cerrar
PROCEDIMIENTO O METODOLOGÍA Preparación de las pastillas de muestra Tomar una muestra de acido benzoico
Pesar el porta muestras
Pesar pastilla de muestra (0,7g)
Con los elementos de compactación, hacer la pastilla de muestra
Repetir para sacarosa y diesel
Como el diésel es líquido, se omite la compactación del mismo. Simplemente se tara el porta muestras y se toman 0,7 g de muestra
Preparación de la bomba calorimétrica
Preparación del calorímetro Poner la bomba calorimétrica en la cubeta
Calentar H 2O a 25°C. Verter 2 L de agua en la cubeta (T no mayor a26°C)
Conectar los electrodos
Poner la cubeta en la cubierta aislada
Bajar el termómetro suavemente
Ajustar la tapa con la palanca trasera, dandole media vuelta
Revisar termómetros constantemente para mantener T constante
Operación del calorímetro
3 Prender la cámara de combustión
Operar la ignición (5 s )
Tomar T cada 15 s durante 7 min
Desajustar la tapa y sacar a bomba calorimétrica
Subir el termómetro hasta el tope
La T no debe ser mayor a 30°C
Retirar el portacapsulas
Si queda alambre, pesar y registrar.
Abrir la válvula para que salgan los vapores
DIAGRAMA DEL EQUIPO O MONTAJE Para esta práctica experimental se usa un calorímetro adiabático de bomba para determinar los calores de reacción de combustibles y sustancias orgánicas. Este equipo se describe en 3 partes importantes. La primera es una bomba, que es un cilindro de paredes metálicas gruesas que soportan presiones hasta de 50 atm, también se le puede llamar copa y es donde se realiza la combustión, en esta copa se encuentran la muestra y el oxígeno. La muestra se encuentra en contacto con el alambre de hierro, a través del cual se activa la corriente a través de los electrodos. La segunda parte hace referencia a un cubo, el cual tiene capacidad para 2 litros de agua y es donde se sumerge la bomba, el termómetro y el agitador que cumple la función de homogeneizar la temperatura. La tercera parte del equipo es la chaqueta o mejor llamada camisa, su función principal es mantener aislado el cubo de los alrededores. Al ser un proceso adiabático no puede haber transferencia de calor, por lo que se debe regular la temperatura de la camisa para que se mantenga igual a la del cubo ya que al realizar la ignición, la temperatura puede diferir y esto no es conveniente.
Imagen 3 Calorímetro del laboratorio de IQ Universidad Nacional
TABLAS DE DATOS 1.
Condiciones del laboratorio: Temperatura (°C) Presión (atm)
2.
Calibración del equipo.
Masa inicial Masa inicial Masa final de la del del Sustancia Muestra Alambre Alambr (g) (g) e (g)
Masa del Alambre que reaccionó (g)
Ácido Benzo ico 3.
Combustión de las muestras:
Sustancia
Masa inicia l de la Mues tra (g)
Masa inici al del Ala mbr e (g)
Sacarosa
Diesel Imagen 2. Diagrama de equipo
4.
Toma de T a diferentes tiempos:
Masa final del Ala mbr e (g)
Masa del Alam bre que reacci onó (g)
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Acido Benzoico Sacarosa Diesel Tiem Temperatu Tiem Temperatu Tiem Temperatu po(s) ra (°C) po(s) ra (°C) po(s) ra (°C) 15 15 15 30 30 30 45 45 45 60 60 60 75 75 75 90 90 90 105 105 105 120 120 120 135 135 135 150 150 150 165 165 165 180 180 180 195 195 195 210 210 210 225 225 225 240 240 240 255 255 255 270 270 270 285 285 285 300 300 300 315 315 315 330 330 330 345 345 345 360 360 360 375 375 375 390 390 390 405 405 405 420 420 420
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Calorimetría (2012). Obtenido en Octubre 06,
ANEXOS
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