Índice Resumen. ………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………3 Fundamento Fundamento teórico.............................. teórico.................................................. ........................................ ....................................... ............................................... ............................ ... 3 Sección experimental........................... experimental............................................... ........................................ ....................................... ....................................... ................................ ............ 4 Procedimiento............ Procedimiento............................... ....................................... ........................................ ........................................ ......................................................... ..................................... . 4 Resultados.................... Resultados........................................ ........................................ ........................................ ....................................... ................................. ............................ ..................... ....... 5 Discusión de resultados.............................. resultados.................................................. ........................................ ............................................................ ........................................ .... 7 Conclusiones................................ Conclusiones............. ....................................... ........................................ ........................................ ....................................... ...................................... ..................... 7 Referencias Referencias Bilio!r"#cas......................... Bilio!r"#cas............................................. ....................................... ....................................... ....................................... ........................... ........ $ %p&ndice........................... %p&ndice............................................... ....................................... ....................................... ........................................ ................................................... ............................... $
Resumen
Se determinó el calor de combustión de una barra de cereal con ayuda de una bomba calorimétrica a volumen constante, la cual por su diseño puede ser considerada un sistema aislado. Primero se determinó la capacidad calorífica de la bomba al utilizar una pastilla de ácido benzoico como patrón con capacidad calórica conocida. La misma se colocó en un recipiente en contacto con un alambre de ignición, también con capacidad calórica específica. Luego se agregó oígeno en eceso a la bomba y se colocó dentro de una cubeta con un volumen medido de agua! por "ltimo se conectaron dos electrodos a la bomba para generar la ignición, así como una banda de una polea conectada a un motor para #omogenizar la temperatura. $urante el proceso se midió la temperatura del sistema con un termómetro digital cada minuto #asta llegar a temperatura constante. Luego de #aber calibrado la bomba se procedió a #acer el mismo procedimiento a una barra de cereal comercial. Los datos obtenidos de la graficación de las temperaturas contra el tiempo se utilizaron para calcular la capacidad calórica de la bomba, y se obtuvo un valor eperimental para la capacidad calórica del producto y su respectivo contenido energético. La concordancia entre el valor obtenido y el teórico llevan a apoyar la validez del método y se puede afirmar la aplicación de condiciones para generar un sistema teóricamente aislado al realizar las mediciones. Palabras Clave: %omba &alorimétrica, &alor de combustión, &apacidad calorífica, &ombustión, Sistema aislado.
Fundamento teórico
'uc#os de los procesos físicos y (uímicos suelen ocurrir mientras se absorbe o se libera energía al medio, y muc#as veces la manifestación de esta energía se da en forma de calor produciendo cambios en la temperatura de los sistemas y su entorno. La calorimetría es el estudio de la transferencia de calor durante un proceso físico o (uímico )*+. l instrumento utilizado para medir la transferencia de energía se llama calorímetro. La bomba calorimétrica a volumen constante, llamada también -b"s de 'a#ler, consta de un tan(ue central de acero resistente a altas presiones con un par de electrodos y un recipiente para la muestra! el calorímetro es el dispositivo completo, el cual posee un contenedor de agua, un agitador, una capuc#a aislante, un termómetro u otro instrumento para determinar la temperatura ),/+. Para asegurar la adiabaticidad, el calorímetro se suele sumergir en un baño eterno de agua con una temperatura controlada respecto a la del calorímetro para evitar flu0o de calor con el entorno )+. 1l tratarse el calorímetro de un sistema cerrado, el cambio de temperatura del calorímetro es proporcional al calor (ue libera o absorbe el proceso (ue ocurre en su interior. 1 volumen constante un cambio infinitesimal en la temperatura produce un cambio infinitesimal en la energía interna, la constante de proporcionalidad es la capacidad calorífica del material 2&v3. Si la capacidad calorífica es independiente de la temperatura dentro del rango de interés, un cambio en la energía interna puede identificarse como el calor proporcionado a volumen constante )+. La capacidad calorífica es una propiedad etensiva (ue representa la energía necesaria para elevar la temperatura de una cantidad de sustancia un grado &elsius o 4elvin. Por lo tanto5 6v7&v89
)c. *+
l calor específico de una sustancia además es la cantidad de energía necesaria para elevar en un grado &elsius o un 4elvin un gramo de una sustancia5 &7ms )c. + 1demás como el calor de la reacción es absorbido por el agua y los componentes del calorímetro, el calor de la reacción es igual a la suma del calor absorbido por el agua y el calorímetro, además para el caso de la práctica también se debe restar el calor proveniente del consumo del cable de ignición ),/+. Las ecuaciones son5 6rn7 6agua : 6 bomba ;6alambre )c. /+ 6agua7 ms89 )c. <+ 6alam7 ms89 )c. =+ &on las lecturas de temperaturas y realizando los balances de calor se puede determinar entonces el calor de un proceso, normalmente el calor de combustión )/+. Los estudios con bomba calorimétrica son importantes pues permiten conocer el contenido energético de sustancias como combustibles, además tienen una gran importancia fisiológica pues el valor obtenido por la combustión de alimentos es igual a la energía obtenida en el metabolismo, con ecepción del contenido en nitrógeno, el cual se oida en la combustión a compuestos como ácido nítrico y en el metabolismo no se oida más allá del amoniaco )<+. Sección experimental.
(uipo5 > %omba de -ígeno &alorimétrica Parr 'odelo ?@@= > Anidad de ignición con corriente de < amp. > &ronómetro > 9ermómetro digital Beactivos5 > Ccido benzoico &/D=&--D Procedimiento.
Para esta práctica de laboratorio se siguió el procedimiento descrito en el 'anual de Laboratorio de Eisico(uímica )AF1, pp. ?>G+. *+ 'ontar el calorímetro y la bomba calorimétrica en un lugar sin fluctuaciones. + $e ser necesario preparar pastillas de ácido benzoico (ue no posean más de *g, usando una prensa pastilladora. La pastilla no debe ser muy dura. /+ &olocación del alambre de ignición5 a+ &ortar *Hcm de alambre de ignición delgado y su0etar un etremo en el orificio del electrodo recto y #acer lo mismo en el otro electrodo. b+ Introducir el alambre en el centro de la capsula (ue contiene la pastilla de ácido benzoico, cuidando (ue el cable entre en contacto con la pastilla. c+ &onviene inclinar la capsula #acia un lado para (ue la llama no salga sobre el electrodo recto. <+ Introducción del oígeno5 a+ Jerificar (ue el anillo de contacto y de neopreno estén en buenas condiciones para evitar fugas y colocar el de contacto sobre el de neopreno. b+ &olocar la cabeza de la bomba en su cilindro y cerrar con la tapa de rosca apretando a mano firme.
=+ ?+
@+
G+
K+
c+ 6uitar el tapón de la válvula de la bomba. d+ La coneión del tan(ue se une a la bomba apretando moderadamente la unión con una llave de tuerca. La válvula de salida del tan(ue debe abrirse un cuarto de vuelta. e+ Se abre la llave de llenado para (ue pase oígeno lentamente, #asta =atm de presión y después se cierra. )Bealizar despacio este paso para (ue el oígeno no eparsa la muestra+. &uidar (ue la presión no sea mayor a
Resultados.
La capacidad calorífica obtenida para la bomba fue de H,<H 4cal. l calor de reacción promedio del producto alimenticio )%arra de cereal &ris &rispas &#ocolate de ac4MsN + fue de G?,*? 4cal por porción. l porcenta0e de error en la determinación de las calorías del producto alimenticio fue de ><,HO
Los gráficos de los datos de temperatura respecto al tiempo obtenidos fueron5
(5.5 (5 (4.5 (4 (3.5
+emperatura ,'/''*0C-
(3 ((.5 (( (*.5 (*
'
(
4
)
$
*'
*(
+iempo ,min-
Eigura *. Jariación de la temperatura vs tiempo de la combustión de una pastilla de ácido benzoico. () (5.5 (5 (4.5
+emperatura,'/''*0C-
(4 (3.5 (3 ((.5
'
(
4
)
$
*'
*(
+iempo ,min-
Eigura . Jariación de la temperatura vs tiempo de la combustión de una barrita de cereal, Bepetición *. () (5.5 (5 (4.5
+emperatura ,'/''*0C-
(4 (3.5 (3 ((.5 '
(
4
)
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*'
*(
+iempo ,min-
Eigura /. Jariación de la temperatura vs tiempo de la combustión de una de una barrita de cereal, Bepetición .
Discusión de resultados.
La bomba calorimétrica utilizada en la práctica fue una bomba adiabática, el cual era un recipiente cerrado a volumen constante, sumergido en un baño de agua (ue le mantiene aislado del medio. sta se calibró midiendo la variación de la temperatura originada por el curso de la combustión de una sustancia conocida, en este caso el ácido benzoico. $e este modo se puede pasar del aumento de temperatura medido, al calor desarrollado por la reacción (uímica de la sustancia problema )*+. perimentalmente se determinó el cambio de energía de la sustancia, debido a (ue el método calorimétrico fue a volumen constante, si se deseara determinar el cambio de entalpía se debió implementar a presión contante, también se puede aplicar una corrección por el traba0o realizado durante la reacción basándose en la ecuación de los gases ideales )=+. 1 manera de determinar el calor específico de un alimento y su contenido energético, en este caso una barra de cereal, comparándolo con su valor teórico, se obtuvo un porcenta0e de error de ><,HO, lo cual se considera aceptable, demostrando (ue el tratamiento de la muestra fue bueno. ste porcenta0e de error pudo generarse debido a varias fuentes, entre las cuales se puede mencionar como principales5 La medición del agua utilizada no se realizó con un instrumento adecuado, pues se utilizó un balón aforado (ue permitió la medida precisa de agua, pero no aseguraba el mismo trasvasé del volumen para las repeticiones. 1demás, se aproimó una masa eacta de 4g para el agua sin tomar en cuenta la densidad eacta de la misma al momento de la medición del volumen. stos factores son importantes debido a (ue el calor absorbido por el agua es proporcional a su masa )?+. 1demás, se recomienda el uso de un segundo baño eterior de agua para evitar pérdidas de calor del sistema, esto pues la bomba calorimétrica utilizada, a pesar de tener un material aislante en su capa eterna, no tenía un cierre tan confiable )+. Einalmente, algunas aplicaciones importantes de la bomba calorimétrica a nivel industrial son, el (uemado de alimentos para determinar su contenido calórico, como lo realizado en la práctica pero a gran escala, y el (uemado de semillas y otras sustancias para conocer su calor específico y contenido energético )@+. 1demás de la evaluación del contenido energético de combustibles y aceites, así como otros derivados del petróleo. Conclusiones.
La aplicación más utilizada para el sistema calorimétrico a presión constante es la de determinar el contenido energético de alimentos. Lo (ue permitió comprobar eperimentalmente los calores de combustión en un producto comercial para comparar este con el valor teórico de la envoltura. Se conocieron y practicaron los conceptos fundamentales para el mane0o adecuado de una bomba calorimétrica, así como la determinación de la capacidad calorífica de esta a partir del calor absorbido. La capacidad calorífica es propiedad etensiva y directamente relacionada a la capacidad de absorber o liberar calor durante un proceso, por lo cual se utiliza como una constante (ue permite el cálculo del calor de procesos vinculados dentro de un ámbito de temperaturas. s importante y válido el tratar al sistema calorimétrico como un sistema aislado y es importante mantener las condiciones eperimentales adecuadas para el cumplimiento de esta condición para la determinación del flu0o de calor producto de un proceso. n un sistema considerado como aislado, o en su defecto adiabático, el flu0o de calor se presenta entre componentes con diferente temperatura, el calor absorbido por una sustancia es entonces proporcional al calor perdido o producido durante un proceso.
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!. 3.
4.
". #. $.
%p&ndice. Capacidad Calor'fica de la Bomba.
&alor de reacción. (rn 7 ?,/*G 4calg! 1c. %enzoico (rn7*,
6,318 kcal
g
∙ 1,0149 g −1,400 kcal / g∗(0,0172 −0,0046 ) g =6,3945 kcal
&alor del 1gua. Sagua7H,KKK?calgT& q agua=2000 g × 0,9996 cal / g ° C × ( 25,182 −22,539 ) ° C ×
1 kcal 1000 cal
=5,2839 kcal
&alor de la bomba. q bomba=6,3945 −5,2839 =1,1106 kcal &apacidad &alorífica del calorímetro. C calorí metro =
1,1106 kcal
= 0,4202 kcal / ° C
( 25,182 −22,539 ) ° C
Cálculos respectivos a barra de cereal.
'asa del producto7)H,?HH/UH,HHH*G+g! 9i7)/,*=HUH,HHH?=+T&! 9f7)<,*K
(
° C
kcal = 4,3214 kcal / g ∏ ¿= 4,3538 1,0075 g C ¿
)(
g ° C
1000
)
g
Energia= 4,3214
kcal ∗20 g =86,428 kcal g
$e manera similar se realizaron los cálculos para la segunda repetición5 Bepetición 5 & prod 7 <,//K/4calg nergía7 G?,HH/ 4cal Calor'as promedio del producto alimenticio
C ∏ ¿=
86,428 + 86,003 2
= 86,216 kcal
´¿ Porcenta(e de error respecto a valor dado por el productor.
%Error =
86,216 − 90 90
× 100 =−4,20
