1-Introducción En esta experiencia nuestro objetivo fue obtener el poder calorífico de un combustible sólido además de comprender el funcionamiento de los tipos de calorímetros y entender las variables involucradas en el experimento, antes de todo esto debíamos comprender el concepto de poder calorífico ( es la cantidad de energía por unidad “
de masa o unidad de volumen de materia que se puede desprender al Con esto producirse una reacción química de oxidación.”)
comprendimos que esta variable se trataba del calor máximo producido por el combustible a razón del aire. Para obtenerlo introducimos una pequeña cantidad de combustible sólido (suflé) al crisol, luego preparamos todo en el calorímetro Parr para dar inicio a la toma de datos. En esta experiencia tomamos en consideración algunas variables como la temperatura del agua la presión a la que fue introducido el oxígeno en la cámara de combustión.
1
2-Objetivos de la Experiencia 2.1 Objetivo General
Mediante el análisis practico de la experiencia comprender el concepto de poder calorífico superior e inferior. 2.2 Objetivos Específicos
Los objetivos específicos a alcanzar a través de esta experiencia son: 2.2.1 Comprender como poder determinar los poderes caloríficos de distintos tipos de combustibles mediante el análisis teórico. 2.2.2 Determinar experimentalmente el poder calorífico de un combustible sólido, por medio de un Calorímetro PARR, a volumen constante y con oxígeno a una presión 25 atm.
2
3-Marco Teórico (Guía laboratorio termodinámica II)
Mientras ocurre la combustión la energía química que proporciona el combustible se transforma en energía molecular cinética o potencial de los productos. El término que se usa para la energía en los combustibles, se dice que es la cantidad máxima de calor que se obtiene de los productos de la combustión completa, dado aquello si los productos se enfrían a temperatura original de la mezcla de aire y combustible se puede obtener el poder calorífico. En el proceso de enfriamiento de los productos se condensa una parte del vapor de agua, según en las condiciones en que se realice. A partir de este proceso libera cierta cantidad de calor, el poder calorífico en un combustible varía entre un valor mínimo cuando no hay condensación del vapor de agua y un valor máximo cuando el vapor de agua es condensado completamente. El poder calorífico de puede definir como La cantidad de calor producida por la combustión completa de un combustible dado, suponiendo que se enfrían hasta la temperatura inicial. Las unidades del poder calorífico para combustibles sólidos y líquidos es Cal/Kg y para los gaseosos es Ca/m3. 1. Poder calorífico superior: es la cantidad de calor generado por la combustión completa del volumen o masa de combustible, estando en condiciones estándar: 1. Temperatura del aire y combustible a 25°C. 2. Presión a 1 atm. 3. Los productos de la combustión halla agua en estado líquido. 4. Poder calorífico inferior: es la cantidad de calor generado por un combustible, considerando las mismas condiciones pero con la diferencia que el estado del agua debe estar en estado gaseoso. Experimentalmente por medio de calorímetros para combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. Se mide transfiriendo energía que general el combustible a otro elemento (agua, aceite, alcohol, etc.). 1. Calorímetro para combustibles sólidos: ya que varía la temperatura del agua ya que a este se le transfiere energía, se debe medir ∆T. Para este proceso se usa una bomba calorimétrica que quema combustible a volumen constante. 3
El combustible, cuyo valor se desea determinar. En un crisol se introduce un alambre fino cuya finalidad es calentarse y hacer combustión con el combustible sólido dentro del crisol, este se carga con oxígeno a presión. La bomba está rodeada por una camisa de agua a fin de absorber el calor desarrollado por la combustión. La bomba tiene también una camisa exterior y un espacio de aire alrededor del recipiente o camisa de agua central, para minimizar las pérdidas de calor al ambiente. Aunque el agua del recipiente interior absorbe la mayor porción de calor, este calor no es el valor calorífico del combustible, por las siguientes razones: 2. La bomba en sí absorbe cierto calor. 3. Hay intercambio de calor en la camisa externa. 4. El alambre de ignición libera cierta energía. 5. Los productos de la combustión no se enfrían a la temperatura original. 1. Debido a que la combustión se produce en oxígeno, se alcanza alta temperatura, lo que resulta en la formación de ácidos nítricos y sulfúricos.
Poder calorífico observado: Es el determinado en forma experimental en un calorímetro. En el caso de la combustión de un combustible sólido puede ser expresado por la siguiente expresión, en función de los datos obtenidos. =
∗ ∆ −
Dónde: N: Poder calorífico superior (cal/gr) E: Constante o capacidad calorífica del calorímetro (2400 cal/°C) A: Calor total aportado por el alambre fusible (2.3 cal/cm) mc: Masa de combustible sólido (gr)
Corrección de las temperaturas inicial y máxima en la bomba calorimétrica: Se deben hacer algunas correcciones para poder calcular el poder calorífico de la muestra, debido a las variaciones de temperaturas durante en proceso. En el inicio del periodo el agua que está en el estanque está más fría que la del ambiente por lo que está absorbiendo calor del ambiente, 4
mientas tanto, al alcanzar la temperatura máxima este adquiere un mayor calor y le transfiere al ambiente. 1.
La transición del periodo en que se absorbe calor a aquel en que se pierde, se utiliza cuando el aumento de la temperatura ha alcanzado el 60% del aumento total (valor experimental). Por lo tanto, la temperatura de transición (Tr), se calcula como: = + ( − ) ∗ 0,6
Donde: 2. Tr: Temperatura de transición. 3. Tmax: Temperatura máxima alcanzada (sin corregir). 4. Ti: Temperatura inicial (sin corregir) o de ignición. 5.
El tiempo correspondiente a la temperatura de transición (b), se determina interpolando los valores obtenidos, próximos a la temperatura de transición, como lo muestra la tabla 1. − 15"
=
− −
Dónde: t1 corresponde al tiempo de la temperatura T1 6.
Para calcular la verdadera temperatura inicial (temperatura inicial corregida, ), se aplica la proporción. − 5"
=
− −
Expresando b – a, en minutos y décimas de minutos. Por lo tanto, = +
7.
( − )( − ) 5"
La temperatura máxima corregida ( ), se determina del mismo modo. − 5"
=
− ( − )
Expresando c - b, en minutos y décimas de minutos. Por lo tanto, = +
( − )( − ) 5"
∆ = − 5
4-Instrumentos y equipos experimentales 4.1 Calorímetro de bomba PARR con sistemas de ignición: Instrumento que
sirve para medir las cantidades de calor proporcionadas al agua por el combustible que está dentro de la válvula. Este está compuesto de dos cámaras, la primera se trata de la cámara en la cual se produce la combustión del combustible sólido, la segunda cámara contiene un volumen de agua que en esta experiencia será de 2 lts. Estas dos cámaras están separadas por una pared de metal que transfiere el calor de la combustión al agua, ambas cámaras están aisladas para disminuir la trasferencia de calor al ambiente, el calorímetro Parr consta de un agitador que cumple con el objetivo de homogenizar el fluido y también cuenta un sistema de ignición eléctrico el que produce el chispazo que da inicio a la combustión.
4.2 Combustible sólido (suflé): 1 gramo de suflé comestible.
6
4.3 Alambre fusible PARR: 10 cm de hilo de metal que se usa para
conectar la termocupla con el interior del calorímetro y hacer contacto con el suflé para hacer combustión.
4.4 Crisol o depósito: Es un depósito hecho para soportar altas
temperaturas en su cavidad se deposita el combustible que en esta experiencia fue suflé.
7
4.5 Termómetro de termopar o termocupla: Consta de dos cables de metales unidos a cada extremo de cada pila o batería termoeléctrica que produce un voltaje que varía con la temperatura de la conexión esto se denomina efecto Peltier-Seebeck. Mide desde los -200ºC hasta los 1500ºC. Existen dos tipos de estos termómetros de sonda y penetración. En esta experiencia ocupamos el de sonda.
Termómetro de termocupla de penetración
Termómetro de termocupla de sonda
4.6 Aagua destilada: 2 litros que se utilizaron para llenar el calorímetro
hasta sobrepasar la válvula.
8
4.7 Tanque de oxígeno con regulador de presión: Éste se usa para
introducir oxígeno dentro de la válvula
4.8 Balanza digital: Dispositivo electrónico para masar el suflé dentro del
crisol.
4.9 Cronómetro: Dispositivo para medir tiempo, en esta experiencia se usó
un teléfono móvil como cronometro.
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5-Esquema de Instalación
Esquema calorimétrico Parr
Esquema bomba calorimétrica de doble válvula
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6-Procedimiento Experimental Lo primero que procedimos a realizar fue el masado del combustible sólido en la balanza digital el cual debía ser de 1 gramo, esto lo realizamos masando primero el recipiente que contendría al combustible sólido (crisol) y luego lo masamos que en contenido con esto hicimos el descuento de la masa del recipiente y obtuvimos el gramo que necesitábamos, luego con la ayuda del encargado de laboratorio se realizó la instalación del alambre de fusible Parr entre los dos electrodos para posteriormente ser introducido dentro del combustible sólido sin que toque las paredes del recipiente al finalizar este procedimiento cerramos la bomba con mucho cuidado teniendo la precaución de no dejar caer ni humedecer el combustible, se colocó la tuerca y se secaron bien la válvulas y realizamos la carga de la bomba con oxígeno a 25 atm, instamos la bomba dentro del recipiente y se colocaron los 2 litros de agua destilada nos aseguramos que la bomba quedara completamente sumergido, conectamos el sistema de encendido a los bornes de la bomba y tapamos el calorímetro e instalamos el agitador y la termocupla iniciamos el proceso de toma de datos en el momento que la temperatura del agua alcanzo el equilibrio con el agitador funcionando, desde aquí tomamos la medida de la temperatura cada un minuto durante 5 minutos en el minuto 5 presionamos el botón de encendido la luz se encendió y lo soltamos aquí esperamos al minuto 6 en donde la toma de datos se realizaba cada 15 segundos hasta llegar al minuto 7 desde aquí se vuelve a tomar los datos cada 1 minuto hasta alcanzar la temperatura máxima al alcanzarla se tomara 5 datos más cada minuto para apreciar la entrega de calor al medio externo. Tras finalizado la toma de datos detenemos el agitador y desconectamos todas las conexiones eléctricas, retiramos la tapa del calorímetro y extrajimos la bomba la secamos cuidadosamente y abrimos poco a poco la válvula de escape para que escara el oxígeno que no se consumió en la combustión, retiramos la tapa de la bomba y verificamos la existencia de agua condensada y la extrajimos y medimos su masa con un papel seco también comprobamos la existencia de otros tipos de residuos y la formación de ácidos. Limpiamos y secamos todo y dimos por finalizada la experiencia con los datos obtenidos en esta se realizó un gráfico y el cálculo de las correcciones 11
7-Presentacion de datos Tiempo (min) 0 1 2 3 4 5 6 6 min y 15 sec 6 min y 30 sec 6 min y 45 sec 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Temperatura (ºC) 15,8 16,1 16,1 16,0 16,0 16,1 17,5 17,4 17,8 17,9 18,2 18,3 18,5 18,5 18,5 18,5 18,5 18,5 18,5 18,5
Variables
Ti (ºC) T1 (ºC) T2 (ºC)
Tmax (ºC)
T3 (ºC)
Tabla 1: Datos obtenidos del experimento
Para realizar los cálculos de las variables Ti, Tr, Tmax, Tmaxc, Tic, ∆T, a, b y c. Donde: Ti= Temperatura inicial sin corregir o de ignición. = Temperatura de transición. Tmax= Temperatura máxima alcanzada sin corregir. Tic= Temperatura inicial corregida. ∆T= Variación de temperatura entre la inicial y la máxima. a= Tiempo en el cual se da la ignición. b= Tiempo de la temperatura de transición c= Tiempo en el cual se alcanza la Tmax. t1= Tiempo en donde se encuentra T1. Con los datos obtenidos por la tabla: 12
= 16.1 º = 18.5 º = + ( − ) ∗ 0,6 = 17.54 º
Calculo de b = 17.4 º = 17.8 º −
=
−
− 15" = 6 min 20.34
Calculo de Tic
= +
( − )( − ) 5"
= 16.79 º
Calculo de Tmaxc = +
( − )( − )
=18.5 ºC
5"
Calculo el ∆ ∆ = − ∆ = 1.71 º
Calculo del poder calorífico observado
=
∗ ∆ −
= 4101.7 cal/gr
13
Poder Calorífico (N) N[cal/gr] 4101,7 E[cal/ºC] 2400,0 A[cal/cm] 2,3
mc[gr]
1,0 1.71
∆T
Tabla 2: Variables de poder calorífico
T (ºC) vs t(min) 19.0 18.5 ) C 18.0 º ( a r 17.5 u t a r e 17.0 p m e 16.5 T
16.0 15.5 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Tiempo (min) Grafico 1: Variación de temperaturas respecto al tiempo.
Grafico 2: Variación de temperaturas modelo ideal.
14
8-Discusión de datos La tabla 1 muestra la variación de temperatura (ºC) respecto al tiempo (min) del agua dentro del calorímetro. Donde la temperatura máxima (18.5ºC) se alcanza a los 9 minutos, a diferencia de los 11 minutos que se especifica en la guía de laboratorio, donde se observa que en ese tiempo la temperatura permanece constante hasta el final de la toma de datos posiblemente por la baja transferencia de calor hacia el entorno. Conseguido estos datos inicie el cálculo de las variables involucradas obteniendo la temperatura máxima corregida (Tmaxc) que debido que la temperatura permaneció constante esta es la misma que . Obteniendo la temperatura máxima corregida y la temperatura inicial corregida, se obtiene ∆T. Dado esta diferencia de temperaturas el
poder calorífico para los combustibles sólidos es obtenido. (Ver tabla 2) A partir de la comparación de los gráficos (1 y 2) se puede apreciar que poseen una curva muy similar salvo por pequeñas variaciones en algunos puntos que pueden ser provocados por errores experimentales.
15
9-Conclusión Esta experiencia de laboratorio nos permitió conocer y entender el montaje y funcionamiento de un calorímetro Parr mediante un análisis experimental de este, con el cual pudimos hallar el calor de la combustión de un gramo de suflé a volumen constante. Tras finalizada esta experiencia constatamos la existencia de líquido en forma de residuo 0.8 gramos para ser exactos producto de la combustión el cual nos demuestra que se trata de un poder calorífico superior. Por observación notamos que hubo una ausencia de hollín al menos de manera visible, si pudimos apreciar la presencia de residuos adheridos a las paredes del crisol, teniendo estas consideraciones en cuenta podríamos afirmar que fue una combustión completa suponiendo que en los gases que escaparon en el momento de la apertura de la cámara de combustión haya habido un exceso de oxígeno lo que demostraría la afirmación anterior. Mediante un mismo análisis podríamos determinar el poder calorífico de distintos tipos de combustibles sólidos, en esta ocasión el suflé nos entrega un poder calorífico de 4.1 (kcal/gr) una cantidad muy baja comparada con otros tipos de combustibles utilizados en la industria.
16
10-Bibliografía -Guía experiencia nº2: poder calorífico, termodinámica II, UTEM Calorímetro Parr: http://www.parrinst.com/es/products/oxygen-bomb-calorimeters/ Poderes caloríficos de combustibles: http://www.drtoro.cl/ACHEE/documentos/recursos/DireccionAnexo2.pdf
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= 16.1 º = 18.5 º = + ( − ) ∗ 0,6 = 17.54 º
Calculo de b = 17.4 º = 17.8 º −
=
−
− 15" = 6 min 20.34
Calculo de Tic
= +
( − )( − ) 5"
= 16.79 º
Calculo de Tmaxc = +
( − )( − )
=18.5 ºC
5"
Calculo el ∆ ∆ = − ∆ = 1.71 º
Calculo del poder calorífico observado
=
∗ ∆ −
= 4101.7 cal/gr
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Poder Calorífico (N) N[cal/gr] 4101,7 E[cal/ºC] 2400,0 A[cal/cm] 2,3
mc[gr]
1,0 1.71
∆T
Tabla 2: Variables de poder calorífico
T (ºC) vs t(min) 19.0 18.5 ) C 18.0 º ( a r 17.5 u t a r e 17.0 p m e 16.5 T
16.0 15.5 0
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4
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8
10
12
14
16
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Tiempo (min) Grafico 1: Variación de temperaturas respecto al tiempo.
Grafico 2: Variación de temperaturas modelo ideal.
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8-Discusión de datos La tabla 1 muestra la variación de temperatura (ºC) respecto al tiempo (min) del agua dentro del calorímetro. Donde la temperatura máxima (18.5ºC) se alcanza a los 9 minutos, a diferencia de los 11 minutos que se especifica en la guía de laboratorio, donde se observa que en ese tiempo la temperatura permanece constante hasta el final de la toma de datos posiblemente por la baja transferencia de calor hacia el entorno. Conseguido estos datos inicie el cálculo de las variables involucradas obteniendo la temperatura máxima corregida (Tmaxc) que debido que la temperatura permaneció constante esta es la misma que . Obteniendo la temperatura máxima corregida y la temperatura inicial corregida, se obtiene ∆T. Dado esta diferencia de temperaturas el
poder calorífico para los combustibles sólidos es obtenido. (Ver tabla 2) A partir de la comparación de los gráficos (1 y 2) se puede apreciar que poseen una curva muy similar salvo por pequeñas variaciones en algunos puntos que pueden ser provocados por errores experimentales.
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