Calorímetros 1. Descripción del equipo
El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben dicho cuerpo. Dependiendo de su aplicación se pueden encontrar diversos tipos, los cuales presentan ventajas y usos diferentes.
a. Componentes y partes
Esquemáticamente un calorímetro consta de los siguientes elementos:
Recipiente en el que tiene lugar el proceso: Este recipiente está integrado en un sistema de aislamiento mediante el cual se trata de evitar las pérdidas de calor por radiación o convección. Dispositivo para la medida de cambios de temperatura Suele ser un termómetro de mercurio contrastado, termopar, termómetro de resistencia u otro termómetro de otro tipo. Sirve para medir la variación de la temperatura que se presente durante el proceso.
Dispositivo para el calentamiento controlado del sistema Suele ser una resistencia eléctrica conectada a una fuente de alimentación con voltaje estabilizado, el cual sirve para aumentar la temperatura del sistema de manera constante y controlada. Dispositivo de mezcla de componentes y de agitación Sirve para asegurar la uniformidad de la temperatura en la mezcla. Consta de una varilla inmersa en el líquido (generalmente agua). En la figura se recoge de forma esquemática la estructura de un calorímetro siendo A el recipiente o vaso calorimétrico y B la camisa exterior para el aislamiento.
Figura 1. Diagrama del calorímetro convencional y sus partes principales.
Figura 2. Diagrama del calorímetro de bomba y sus partes principales.
b. Cómo funciona El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica. Los calorímetros suelen incluir su equivalente en agua del calorímetro igual que el calorímetro y que circunstancias. De esta forma, sólo equivalentes.
equivalente, para facilitar cálculos. El es la masa de agua que se comportaría perdería igual calor en las mismas hay que sumar al agua la cantidad de
Para utilizar el calorímetro, un científico pondrá una cantidad precisa conocida de agua pura en la cámara de agua. La cantidad puede variar, pero 100 mililitros (ml) es lo típico. A continuación, lee y registra la temperatura del agua. Luego se dosifica la cantidad exacta de productos químicos que quiere estudiar, los pone en la cámara de reacción, y se cierra la tapa. Se observa el termómetro muy de cerca por los cambios en la temperatura. A medida que la reacción química progresa, la temperatura va a subir o bajar. Si sube, se alcanzará un valor máximo, luego disminuirá. Lo contrario también es válido si la temperatura baja. Es importante tener en cuenta la temperatura máxima o mínima. El calorímetro de bomba es un envase sellado que minimiza el intercambio de calor entre el sistema y el medio ambiente. La "bomba" contiene la muestra a ser analizada y se llena a presión con oxígeno más o menos a 30 atm ó 2533 KPa) para asegurar una combustión rápida y completa. La bomba cerrada se sumerge en una cantidad conocida de agua. La muestra se enciende eléctricamente y el calor liberado por la combustión aumenta la temperatura del calorímetro (incluyendo a los productos de reacción) en una forma directamente proporcional a su capacidad calórica (se determina por
calibración con ácido benzoico). Del aumento en temperatura y la capacidad calórica del calorímetro se determina el calor liberado por la reacción. La sección dentro del círculo puede ser substituida por un sistema de lectura computadorizado. El calor liberado por la muestra es absorbido por el agua y por el calorímetro. El diseño especial de la bomba calorimétrica permite suponer que no hay pérdida de calor (o de masa) hacia los alrededores durante el tiempo en que se hacen las mediciones. Como consecuencia, se puede decir que la bomba calorimétrica y el agua en que se sumerge constituyen un sistema aislado. Debido a que no entra ni sale calor del sistema durante el proceso, se puede escribir:
Donde
son los cambios de calor del agua, de la
bomba y de la reacción, respectivamente. Así:
La cantidad
se obtiene por:
El producto de la masa de la bomba por su calor específico es la capacidad calorífica de la bomba, que permanece constante para todos los experimentos efectuados en dicha bomba calorimétrica: De aquí
Como es una bomba calorimétrica las reacciones ocurren bajo condiciones de volumen constante y no de presión constante, los cambios de calor no corresponden al cambio de entalpía ΔH. Es posible corregir las mediciones en
los cambios de calor de forma que correspondan a los valores de ΔH, pero debido que la corrección es muy pequeña.
Figura 3. Funcionamiento básico del calorímetro de bomba.
1. Obtención de información a. Variables físicas presentes En los calorímetros se encuentra una sola variable física a medir principalmente. Esta variable es la cantidad de calor el cual se representa por medio de la temperatura. Existe otros puntos que se deben considerar, estos son: agitación, pérdidas por evaporación, reducción al mínimo las posibles pérdidas de calor por radiación y convección.
b. Cómo se representa
Se representa mediante la lectura de un termómetro de vidrio, cuando se coloca el termómetro dentro del agua, este le transmite calor al mercurio que se encuentra dentro del vástago de vidrio, el mercurio alcanza una cierta temperatura y se expande, al expandirse avanza por un conducto fino ultra sensible hasta llegar a una temperatura la cual se registra de la graduación que presente el termómetro.
2. Aplicaciones El calorímetro se utiliza para identificar metales, calores específicos de metales y de mezclas de líquidos. Los calorímetros permiten a la industria operar de forma segura y rentable. Como mini reactores químicos altamente versátiles, miden las propiedades térmicas y de presión de reacciones químicas exotérmicas. La información resultante ayuda a los ingenieros y a los científicos a identificar los posibles peligros y abordar los principales elementos del proceso de diseño de seguridad, incluidos los sistemas de socorro para emergencia, manejo de efluentes, optimización de procesos y estabilidad térmica.
El Calorímetro de Aceleración de Ratio 244 (ARC® 244), anteriormente conocido como TIAX ARC 3000, está diseñado para una medida cuantitativa y segura del ratio de calor de escape en el procesamiento o almacenaje de productos químicos. Esta información es vital en el desarrollo y evaluación de procesos que garanticen la seguridad operacional y también para el control de escapes térmicos que podrían tener efectos devastadores. El Calorímetro de Aceleración de Ratio 244 (ARC® 244) es parte integral de la tecnología de diseño de pilas, así como para la medición de materiales energéticos utilizados, productos tales como explosivos, propulsoras, y bolsas de aire.
Principales características y beneficios
Tubo calentador que reduce las pérdidas de calor debido al reflujo Sistema operativo estándar Windows XP™ Menor huella Mecanismo de elevación para la parte superior del calorímetro Accesorios para el fácil comienzo de los ensayos Módulo de compensación de potencia (opcional) Dispositivo de seguridad mejorado y propiedades de enlace
El Calorímetro de Aceleración de Ratio 254 (ARC® 254) proporciona datos de calorimetría adiabática en un entorno seguro y controlado de laboratorio. Esta información ayuda a proporcionar una buena comprensión de los procesos físicos fundamentales implicados. Desde este punto de vista, diversos sistemas de operación seguros y procedimientos se pueden desarrollar para mitigar los riesgos que plantea un sistema de reacción. El Calorímetro de Aceleración de Ratio 254 (ARC® 254) mide simultáneamente la temperatura y la presión. El sistema sellado de presión también permite al usuario evaluar el efecto de diferentes atmósferas de gas en la estabilidad térmica del sistema. Productos gaseosos de reacción pueden ser analizados al final de un experimento para ayudar a identificar y comprender los mecanismos de reacción involucrados.
El Calorímetro de Aceleración de Ratio 254 (ARC® 254 está diseñado para modelar el curso de una reacción a gran escala o a pequeña escala. Una muestra es calentada exteriormente en un volumen fijo hasta que se detecta actividad exotérmica. Manteniendo la muestra en unas condiciones adiabáticas donde no se pierde energía, el calorímetro mide y registra la temperatura de la muestra y la presión. Un único experimento proporciona los datos para su uso en el texto siguiente:
Evaluación de riesgos térmicos Evaluación de riesgos de presión Análisis Thermocinético
La seguridad de los usuarios es un objetivo clave en el diseño Calorímetro de Aceleración de Ratio 254 (ARC® 254). El usuario está protegido por una serie de sistemas de seguridad que son completamente independientes del sistema de control. Estos sistemas de seguridad protegen al usuario en caso de que el principal sistema de control falle. Totalmente controlado por ordenador y altamente automatizado, el Calorímetro de Aceleración de Ratio 254 (ARC® 254) incorpora una interfaz gráfica que es fácil de aprender y usar. El sistema está totalmente integrado en limpio, tiene un diseño moderno donde todo el equipamiento de rutina es fácilmente accesible.
El APTAC™ 264 va más en las pruebas de reactividad química permitiendo al usuario adquirir temperatura y presión mucho más rápido que lo había hecho hasta ahora. El equipo puede funcionar como:
Calorímetro Adiabático de célula cerrada de alto rendimiento Calorímetro de reacción de alta temperatura y presión Ensayo abierto de célula donde los efluentes pueden ser descargados y analizados para estudios de emergencia utilizando metodología DIERS de la American Institute of Chemical Engineers
La precisión y la exactitud de los resultados del APTAC™ 264 ayuda a las empresas en el diseño de los procesos de ampliación de la producción a través de:
Proporcionar los datos de temperatura y presión reales para su uso en la cinética de modelado La validación de predicciones de las reacciones químicas y escenarios Confirmando predicciones siguiendo la activación de un sistema de emergencia La medición directa de propiedades físicas de mezclas complejas
APTAC™ 264 puede ser usado para el análisis térmico de residuos químicos sólidos o líquidos químicos o de mezclas gas / líquido, líquido / líquido, gas / sólido y líquido / sólido. También puede ser utilizado para la simulación de proceso reacciones de semi-batch, exposiciones al fuego, socorro de emergencia, y la medición de propiedades físicas. Ofrece un nuevo nivel de exactitud en los datos de reactividad química para la industria química productora, incluyendo productos químicos orgánicos, petroquímicos, productos farmacéuticos, agroquímicos, química fina, polímeros y plásticos, explosivos y materiales de alta energía.
Ventajas
Alta precisión. Estabilidad de calibración.
Desventajas
Baja velocidad de respuesta. Muy voluminosos.
3. Tipos
Estáticos. No estáticos.
Calorímetros comúnmente usados:
Dry load calorimeter :
En comparación con los instrumentos posteriores la precisión era muy modesta con una incertidumbre de 2% para la versión coaxial y 1 a 2,5% para las versiones de guía de ondas. No obstante, estos diseños establecieron la dirección general para los siguientes instrumentos. Nueva precisión en cargas y conectores desarrollados en los años 60 llevaron a una nueva generación de calorímetros coaxiales con mejor rendimiento e incertidumbre debajo de 0,5% para frecuencias mayores de los 8 GHz. Los calorímetros operan a niveles de potencia entre 100 mW y 10 W respectivamente. La carga de un calorímetro es un elemento crítico. Es deseable que ésta pueda ser acoplada eléctricamente y que tenga un muy pequeño error de equivalencia, que es igual a la rf disipada y a la potencia dc que pueden producir la misma lectura de temperatura.
Componentes esenciales: o o o
La carga donde la potencia es disipada. Línea de transmisión aislada isotérmicamente la cual conecta la entrada a la carga. Un sensor de temperatura.
Funcionamiento básico 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 elemento de absorción de la carga es usualmente un thin film resistor, aunque dieléctricos de bajas perdidas son usados para las versiones de guías de ondas. El sensor de temperatura es montado en el lado de afuera de la carga en una posición donde no es influenciado directamente por los campos electromagnéticos. Siendo esta una de las características distintivas de un calorímetro y es esencial para su alta precisión.
El micro calorímetro:
Es el tipo de calorímetro más usado. Estrictamente hablando, no es un medidor de potencia pero es un instrumento para determinar la eficiencia efectiva de un montaje bolometrico. Fue originalmente inventado para la calibración de metal wire bolometers, pero termistores y películas bolometricas también pueden ser calibrados por este método.
Funcionamiento Antes de comenzar la medición, el montaje bolometrico es insertado dentro del calorímetro, donde actúa como la carga, cuando la medición es completada el bolometro es removido y entonces puede ser usado como unareferencia calibrada.
Procedimiento de calibración El puente suple una dc para mantener la resistencia del elemento bolometro a un valor especificado r. Antes de comenzar la medición rf la sensitividad g1 de
la termopila es determinada (v/w) notando la subida en voltaje de salida de la termopila cuando la dc es aplicada. Cuando la potencia rf es aplicada, la potencia disipada en el elemento es mantenida constante por el puente, pero la potencia es disipada adicionalmente en las paredes y en cualquier otro lugar del montaje.
Calorímetro de flujo.
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.
Características Las versiones de guías de ondas utilizan como fluido de trabajo agua. Mientras que el coaxial utiliza aceite y es construido para bajas frecuencias. Aire también puede ser usado, pero el uso de gases crea un problema adicional a causa del calor debido a la compresibilidad .los calorímetros de flujo pueden manejar mayores potencias que los tipos estáticos. Su principal aplicación es para potencias de muchos watts. Para medir las subidas de temperatura en un calorímetro usualmente se emplean termopilas, termómetros de resistencia y algunas veces termistores
Otros tipos de calorímetros:
Calorímetro adiabático. Calorímetro de cambio de estado.
