Universidad Politécnica de Puebla 10 de marzo de 2013
El calorímetro y sus aplicaciones en el sector automotriz Termodinámica
Integrantes:
Ariza Ramírez Eric
Huitzil Alor Oswaldo
Lizárraga del Río Mario Marn
Vázquez Cuautle Eber
Zavala Ramos Gabriel
Índice 1. Antecedentes Antecedentes históricos. 2. Fundamentos Fundamentos teóricos. 3. Calorímetros comerciales comerciales y sus aplicaciones en el sector automotriz. 4. Conclusión. 5. Referencias.
Definición Calorímetro. Es un instrumento sencillo o complejo, que nos permite medir el cambio en la energía que sufre un sistema después de operar en este mismo sistema un determinado proceso, que puede ser físico, químico o biológico. Durante su desarrollo histórico hubo dos clases de calorímetros. Los calorímetros con compensación del efecto térmico y los calorímetros que registran la diferencia de temperatura.
Antecedentes históricos. Construcción de calorímetros desde finales del siglo XVIII hasta mediados del siglo XX.
Año
Autor
1760
Black
1783
Laplace y
1788
Crawford
1870
Bunsen
1881
Berthelot
1887
Bunsen
1895
Junkers
1910
Duane
Autor
Calorímetros con compensación del efecto térmico
Registran la diferencia de temperatura Construye el calorímetro de mezcla
Lavoisier Construyen el calorímetro de hielo
Jamin
Construye un calorímetro de hielo de alta precisión
Construye calorímetro de mezcla en diferentes versiones Construye un calorímetro de flujo con calentamiento eléctrico Construye bomba calorimétrica
Construye calorímetro de vapor Construye un calorímetro de flujo para la determinación del poder calorífico de gases combustibles. Construye un calorímetro
isotérmico gemelo con compensación eléctrica. Construye un calorímetro de calentamiento
1923
Tian
1923
Perrier y
Roux
1925
Eucken y
Meyer
1935
Sykes
1948
Calvet
1952
Clarebrough
1957
Muller y
Construye un calorímetro de flujo de calor con termopilas.
Construyen un calorímetro adiabático de barrido con compensación eléctrica. Construyen un calorímetro de combustión anaeróbico. Construye un calorímetro con enfriamiento eléctrico. Construye un calorímetro gemelo de flujo de calor con termopilas.
Construye un calorímetro adiabático de barrido con operación eléctrica. Engelter Construyen un calorímetro isoperibólico gemelo con compensación eléctrica.
Características de cada calorímetro mencionado.
Calorímetro de mezcla.
El calorímetro de agua basa su funcionamiento en el método de las mezclas, que consiste en calentar hasta una cierta temperatura el cuerpo cuyo calor específico se desea determinar. Posteriormente, se introduce en el calorímetro, que previamente se ha llenado con una cantidad de agua de la cual se conoce su masa exacta y temperatura inicial. El calor específico del cuerpo se deduce a partir de la temperatura final que alcanza el conjunto. Este modelo concreto de calorímetro de agua es el que se conoce como calorímetro de Black, formado por dos recipientes que han de separarse con un material que sea mal conductor del calor. El agua se deposita en el vaso interior.
Calorímetro de flujo con calentamiento eléctrico.
La potencia es medida a través del calor de un fluido que fluye a través de la carga. Una indicación de la potencia es dada por la subida en la temperatura del fluido pasando del orificio de entrada al de salida
Calorímetro de flujo de calor con termopilas
Micro calorímetro de conducción de calor, de tipo isotérmico, que usa termopilas como elementos sensores del flujo de calor celda -alrededores (Giraldo et. al, 2003), se presentan las constantes de calibración y las entalpías de reacción obtenidas con un sistema químico de referencia. Se caracteriza en base al concepto de conducción rápida del calor producido en la celda hacia los alrededores, tanto la celda como el depósito de calor se construyen en materiales metálicos y para evitar cambios en la respuesta del equipo por fluctuaciones térmicas de las condiciones externas la unidad calorimétrica, constituida por la celda, los sensores y el depósito de calor, se aíslan mediante una cubierta plástica.
Calorímetro de combustión anaeróbico
Calorimetría de Combustión: Es considerada como el método experimental más adecuado para la determinación de fHº de compuestos orgánicos. Basada en la combustión, en atmósfera de O2 de un compuesto que como consecuencia sufre la total ruptura de su esqueleto carbonado, desprendiéndose la energía contenida en los enlaces de la molécula. La reacción de combustión libera energía que a su vez produce incrementos de temperatura en el calorímetro, que se registran en función del tiempo que dura el experimento.
Características Tres calorímetros de combustión:
1.
Calorímetro de combustión con bomba estática en escala "macro": Construido y puesto a punto enteramente en nuestro centro. Adecuado para estudiar sustancias que contienen C, H, O, N, I y algunos compuestos órgano-metálicos, empleando entre 0.5 y 1 g de muestra por experimento.
2.
Calorímetro de combustión con bomba rotatoria en escala "macro": Adecuado para estudiar compuestos orgánicos que contienen azufre (C, H, O, N, S), halógenos (C, H, O, X con X = Cl, Br, I) y compuestos órgano-metálicos en general.
3.
Calorímetro de combustión con bomba estática en escala "micro": Diseñado, construido y puesto a punto enteramente en nuestro centro. Adecuado para estudiar sustancias que contienen C, H, O y N, empleando entre 30 y 80 mg de muestra por experimento.
Calorímetro con enfriamiento eléctrico
Su capacidad calorífica se puede medir con un reducido aporte de calor eléctrico. Para los procesos endotérmicos, el calor se puede medir directamente como la cantidad de energía eléctrica que se requiere para compensar completamente el efecto de enfriamiento que provoca el proceso. Características
Se basa en comparar el tiempo requerido para que la muestra a ensayar experimente una disminución de temperatura dada T con el tiempo que necesita para enfriarse lo mismo una sustancia de calor especifico conocido.
Calorímetro gemelo de flujo de calor
En los equipos micro calorimétricos de conducción de calor, la energía puesta en juego en el proceso físico químico considerado y que se desarrolla dentro de una celda interna de reacción, se transfiere a un cuerpo externo que constituye los alrededores de la celda; generalmente se emplean para este fin masas metálicas, conocidas como depósitos de calor, que presentan conductividades y difusividades térmicas elevadas, para lograr flujos de calor rápidos entre la celda y los alrededores.
Calorímetro de hielo
La cantidad de calor desarrollada en cualquier reacción que ocurre dentro del calorímetro es igual a la masa del hielo derretida multiplicada por el calor de la fusión del hielo, 333,51 kJ/kg.
Calorímetro de Ellison (Calorímetro de vapor)
El principio de funcionamiento de este calorímetro, que se muestra en la figura corresponde al de una expansión adiabática ocurrida, o que se registra, cuando el vapor sale de la válvula hacia la cámara de expansión. En particular, el vapor que se encuentra en una condición de mezcla húmeda y del cual se desconoce la calidad, es susceptible de ser sobrecalentado por medio de una expansión a presión atmosférica.
Calorímetro adiabático.
Denominado así porque el recipiente exterior se mantiene a la misma temperatura que la muestra a ensayar para evitar la transferencia o transmisión de calor entre la muestra y el entorno exterior.
Calorímetro adiabático de barrido
Dispositivo que mide la cantidad de calor suministrada o recibida por un cuerpo, en muestras tipo pastas, minerales húmedos y algunos sistemas alimenticios en donde las mediciones se realizan mediante un barrido de calentamiento de la muestra en condiciones adiabáticas. Posee una camisa y dos pistones los cuales forman una cámara cilíndrica herméticamente cerrada, lo que evita las pérdidas por evaporación. Posee un resorte, a partir del cual se puede controlar la presión y una instrumentación de actuadores, sensores y acondicionamiento necesario para tener en una computadora, tanto los objetivos de control como las variables controladas.
Calorímetro isoperibólico
Un calorímetro isoperibólico como su nombre lo indica “isoperibol” mantiene constante la temperatura de los alrededores mediante el uso de un termostato. Si la generación de calor dentro de la celda se termina, la temperatura TC se aproxima a la temperatura de los alrededores TA. (TA es igual a la temperatura de los alrededores y TC igual a la temperatura de la celda y sistema de medida).
Calorímetro por calentamiento
El calor que se quiere medir lo recibe en el interior de un recinto, en principio atérmano (), una masa conocida de un cuerpo calorimétrico ya sea líquido o sólido, donde cuerpo y calorímetro de calientan
Bomba calorimétrica
Reciento metálico cuyas paredes pueden resistir sin alteraciones sensibles presiones interiores muy fuertes. Ello permite medir los calores liberados en el curso de transformaciones físico-químicas a volumen constante.
Fundamentos teóricos
Calor especifico. Magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Así pues, las dimensiones de esta magnitud son:
Donde: Q m
cantidad
de calor
masa Incremento
de la temperatura
Capacidad calorífica
Es la razón de la cantidad de energía transferida al cambio de temperatura, en otras palabras, Cuando un objeto a una temperatura se coloca con otro objeto a otra temperatura mayor se transfiere energía hacia el objeto más frio. Entonces el objeto experimenta un aumento en su temperatura. Para medir la capacidad calorífica de una sustancia.
( ) Donde: Q calor absorbido por el sistema. Variación de la temperatura
Aplicación de los conceptos de un calorímetro.
Basándonos en la primera ley de la termodinámica (Q1+Q2)=0, se tiene que la suma de los calores específicos y masa del termómetro, del agitador, del vaso y de la sustancia (H2O) se vuelven una contante k (excepto la del agua) quedando solo una constante en la ecuación multiplicada por el factor común que es la diferencial de temperatura y el calor especifico del H2O será igual a el negativo de la masa del objeto por el calor especifico por la diferencial de temperatura:
+− −− Despejando “c” de esta fórmula, nos resulta la siguiente ecuación:
+− −
Con esta ecuación podemos obtener el calor específico de una sustancia desconocida, que es una de las aplicaciones del calorímetro. FUNCIONAMIENTO BASICO:
Muchos calorímetros utilizan el principio de carga dual, en el cual una absorbe mientras que la segunda actúa como temperatura de referencia. El sensor de temperatura registra la diferencia entre las temperaturas de las 2 cargas. En teoría los efectos de las fluctuaciones de la temperatura externa se cancelan debido a la simetría, sin embargo si los alrededores no tienen una temperatura uniforme el gradiente de temperatura puede causar error. EL SENSOR DE TEMPÈRATURA ES MONTADO EN EL LADO DE AFUERA DE LA CARGA EN UNA POSICION DONDE NO ES INFLUENCIADO DIRECTAMENTE POR LOS CAMPOS ELECTROMAGNETICOS. SIENDO ESTA UNA DE LAS CARACTERISTICAS DISTINTIVAS DE UN CALORIMETRO Y ES ESENCIAL PARA SU ALTA PRECISION. La construcción de calorímetros ha ayudado a entender la ciencia de la energía y sus transformaciones, incluso un experimento simple en el cual puede deducirse el cambio de calor que ocurre, y que implica el conocimiento y utilidad de conceptos como capacidad calorífica, entalpía del proceso, entalpía de reacción, potencia térmica, etcétera.
Calorímetros comerciales y sus aplicaciones en la mecánica automotriz
Calorímetro modelo 6100 Diseño tradicional con bomba de oxígeno y balde removibles. Requiere mínimo espacio en el laboratorio. Hardware digital, software y posibilidades de comunicación. El modelo 6100 parece ser igual al 6200, ya que ambos tienen la misma carcaza con el mismo teclado y display lcd. pero hay una diferencia muy importante: el 6100 no tiene un sistema de camisa controladora de temperatura como se requiere para el calorímetro isoperibólico 6200. El 6100 tiene un sistema estático, sin control isoperibólico: tiene una camisa de aire estática rodeando la cámara. de esta forma se eliminan todas las conexiones de agua. El módulo incluye el calorímetro con su controlador interno, la bomba de oxígeno 1108, un balde oval y accesorios para su instalación. Datos técnicos: Test por hora: 6 a 8 Tiempo de operación por test: 6 minutos Precisión de clasificación: 6 minutos Tipo de camisa: constantemente compensada Llenado de oxígeno: semiautomático Llenado de balde: manual Lavado de bomba: manual Conexión a internet Dimensiones: 57 x 40 x 43 cm. (ancho x diámetro x alto) Alimentación: 230 v.
El calorímetro automático W9000 representa el paso evolutivo siguiente en los calorímetros automáticos de OuRui. Combinó la comprensión de los fundamentales básicos de la calorimetría con el mejor diseño mecánico y el más último de controles y de comunicaciones por microprocesador. Usos: La calorimetría de la bomba - un procedimiento que determina el calor de la combustión o el poder calorífico de los materiales que se queman como combustibles - es una prueba fundamental de la gran importancia a cualquier persona interesada en las medidas caloríficas para: Instrucción en métodos termodinámicos básicos Carbón y coque, todas las variedades y tipos Variedades pesadas y ligeras del aceite combustible, Gasolina, todo el combustible de motor y tipos combustibles de jet, todas las variedades de la aviación Basuras combustibles y disposición de basura Productos alimenticios y suplementos para la nutrición humana Plantas forrajeras y suplementos para la nutrición animal Materiales de construcción Explosivos y polvos del calor Combustibles de Rocket y propulsores relacionados Estudios termodinámicos de materiales combustibles Estudios del balance energético en ecología
Características técnicas: 1. chasis del acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti con alta capacidad de la prueba de corrosión 2. Integrado con el sistema de enfriamiento termoeléctrico y los sistemas automáticos de la circulación del agua, puede el seguimiento automático la temperatura ambiente, auto -terminación de la medida de la temperatura, relleno del agua y carga 3. Adoptar el ajuste alfa del parámetro, ninguna necesidad de la muestra paralela, proporcionar un resultado más exacto y más confiable 4. Auto-terminación de la ignición, de la mezcla, del ajuste, de la salida y del expediente de la muestra 5. Acuerdo, diseño modular integrado con solamente el peso 20kg 6. Software e interfaz de uso fácil con la exhibición grande del LCD, 7. Entrar la protección de la salida, 170V - gama ancha del voltaje del ~ 270V, protección del cortocircuito de la entrada 8. Capaz a la comunicación con PC y las varias impresoras Especificación: Máximo 50000 J de la gama de la medida Resolución 0.0001d de la medida de la temperatura Precisión RSD& le; 0.1% Voltaje de entrada: CA 170V~270V Energía: < 50W Peso: 20kg
Tabla comparativa con los calores específicos de combustión de diversos materiales que pueden ser empleados como combustibles en procesos térmicos, donde sea necesario liberar energía en forma de calor. Material combustible
Hidrógeno Gas metano Gasolina Petróleo crudo Queroseno Carbón bituminoso Antracita Coque Alcohol etílico Carbón vegetal Alcohol metílico Madera de pino Cascarón de coco Turba seca Leña seca Turba húmeda Aserrín seco Cáscara de arroz Lignito Bagazo de caña seco Leña verde Planta de maíz seca Aserrín húmedo
Calor especifico de combustión(MJ/kg)
142 55 47 47 46 36 35 34 30 30 22 21 20 20 18 16 15 15 13 9 9 9 8
A temperatura de 25°C y una presión de 1 atm =101325 Pa (combusble) Material
Aceite vegetal Agua (0 °C a 100 °C) Aire Alcohol etílico Alcohol metílico Aluminio Amoniaco (líquido) Arena Asfalto Azufre Benceno Calcio Cinc Cobre Diamante Dióxido de carbono (gas) Estaño Etilen glicol Gasolina Grafito Granito Helio (gas)
J/(kg·K)
2000 4186 1012 2460 2549 897 4700 290 920 730 1750 650 390 387 509 839 210 2200 2220
710 790 5300
Calor específico de líquidos automotrices.
Aceite
Agua Agua-etilenglicol 30% Agua-etilenglicol 50% Etilenglicol
Temperatura °C 0 20 40 60 80 100 120 140 160 25 25 25 25
Densidad (Kg/m ) Calor específico (J/Kg °C) 899.1 888.1 876.1 864 852 840 829 816.9 805.9 996.58 1035.02 1053.25 1112.13
1796 1880 1964 2047 2131 2219 2307 2395 2483 4072.71 3729.95 3297.63 2408.62
Aplicación de calorímetro Podemos mencionar en donde se aplica el calorímetro en la industria automotriz es para poder determinar que el material con el cual se fabrica el monoblock, el cual debe tener las características necesarias para poder soportar el calor que se genera por la combustión, sin datos lo suficientemente seguros de lo que puede soportar el monoblock y las piezas que constituyen el motor debido a los choques térmicos el monoblock simplemente no soportaría ,se quebraría o se deformaría con gran facilidad.
Conclusión
Como conclusión podemos decir que es muy importante interesarnos por este tipo de temas porque imaginémonos ¿Cómo sería nuestro mundo sin habernos dado cuenta de la transferencia de calor?, no tendríamos los avanzados sistemas con los que hoy en día contamos y el ejemplo más sencillo y práctico en nuestro caso es el automóvil, en fin. Es muy importante ya que la transferencia de calor tiene lugar en los procesos físicos, químicos y biológicos, y que nos permiten conocer con más exactitud las propiedades de cada elemento que nos rodea día a día y que gracias a ello podemos desarrollar máquinas que nos faciliten el trabajo en determinado ámbito laboral.
BIBLIOGRAFIA 1.
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2.
GARCIA, Vanessa; MORENO -PIRAJAN, Juan Carlos y GIRALDO, Liliana. Construcción de un Calorímetro para la Determinación de Entalpías de Inmersión. Inf. tecnol. [online]. 2007, vol.18, n.3, pp. 59 -70. ISSN 0718 -0764.
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J. Güémez Termodinámica Seminarios Calor específico de metales Método de las mezclas Departamento de Física Aplicada. Universidad de Cantabria. Octubre 6, 2004
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http://books.google.com.mx/books?id=lj5kLw2uxGIC&pg=PA265&lpg=PA265&d q=capacidad+calorifica&source=bl&ots=ZVzP5Lpbap&sig=Tt7U083TYIibPMJBy mzHDZ4zulg&hl=es419&sa=X&ei=dlw_UdNX5ZTZBazFgZgD&ved=0CCoQ6AEwADgK#v=onepag e&q=capacidad%20calorifica&f=false
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