DYNA http://dyna.medellin.unal.edu.co/
Calorimetría Anita Erira Aza a & Cristhian Andrés Martínez León
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Facultad de Minas, Universidad Nacional Nacional de Colombia, Medellín, Colombia. Colombia.
[email protected] l Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellí n, Colombia.
[email protected]
28/02/2017
Abstract A series of procedures was made in sights to determine thermal properties of different systems, specifically a couple of combustion heats (coal and Saccharomyces Cerevisiae), the heat capacity of a solid (coin) and the heat of a reaction of neutralization acid-base. For such purpose volumes, masses and temperatures were measured, with its u ncertainties associat ed with precision of the instruments used in the laboratory and with human factor, to be used in energy balances. Furthermore, vacuum flask was calibrated to determine its constant of thermal losses, necessary in the energy balances, using water at different temperatures.
Keywords: Combustion heat, Neutralization heat, Heat capacity, Calorimeter, Energy balance. Resumen Se realizó una serie de experimentos con el fin de determinar propiedades térmicas de distintos sistemas, específicamente un par de calores de combustión (carbón y Saccharomyces cerevisiae), la capacidad calorífica de un sólido (moneda) y el calor de una reacción de neutralización ácido-base. Para tal objetivo se midieron volúmenes, masas y temperaturas, con sus incertidumbres asociadas a la precisión de los instrumentos utilizados en el laboratorio y al factor humano, para ser usados en balances de energía. Además, se calibró el frasco de Dewar para determinar la constante de pérdidas térmicas del mismo, necesaria en los balances de energía, utilizando agua a distintas temperaturas.
Palabras clave: Calor de combustión, Calor de neutralización, Capacidad calorífica, Calorímetro, Balance de energía.
1. Introducción
El calor es la medida de la transferencia de energía cuya fuerza impulsora es un gradiente de temperaturas. Una de las propiedades relevantes a la hora de estudiar el calor y su flujo a través de los cuerpos es la capacidad calorífica, que indica la cantidad de energía en forma de calor que una unidad de masa de determinado cuerpo requiere para elevar su temperatura un grado centígrado. En general dicha capacidad calorífica depende de cómo se ejecute el proceso: a presión constante constante {Cp} (el cambio de la entalpía con la temperatura) y a volumen constante {Cv} (el cambio de la energía interna con la temperatura). [1] Además, las reacciones químicas tienen un calor de reacción asociado a la diferencia de energía entre productos y reactivos, conocido como calor de reacción y permite clasificar las reacciones en exotérmicas (liberan energía a sus alrededores) y endotérmicas (consumen energía de sus alrededores). Tal calor de reacción depende de la temperatura y el balance de energía suele conducir a que tal calor es igual (si las pérdidas al ambiente son despreciables) al cambio de entalpía de la reacción. [2]
Entre dichas reacciones químicas tenemos la combustión, que consiste en la reacción entre un elemento o compuesto y el oxígeno, formando determinados productos de reacción y liberando energía en forma de calor (calor de combustión). Si dicho compuesto sometido a combustión está formado sólo por carbono, hidrógeno y oxígeno, los productos de la combustión son dióxido de carbono y agua, agua, la cual puede resultar en fase líquida o gaseosa. [3] Es por esto que en los combustibles que contienen hidrógeno se habla de Poder Calorífico Superior (P.C.S) y de Poder Calorífico Inferior (P.C.I), debido a que el cambio de fase del agua supone una energía adicional, es decir, el P.C.S no incluye la energía de condensación del agua mientras el P.C.I si lo incluye. Otra de estas reacciones químicas es la de neutralización ácido-base, la cual tiene un calor asociado (calor de neutralización) definido como el calor producido cuando un equivalente gramo de ácido es neutralizado por una base. Dicho calor de neutralización es aproximadamente constante en el caso de que la neutralización sea entre un ácido fuerte y una base fuerte. [4]
Práctica 1, Calorimetría Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín 1
Erira Aza & Martínez-León / UnalMed Facultad de Minas, febrero 2017.
2. Metodología: 2.1Determinación de capacidad calorífica del vaso dewar:
El funcionamiento de un calorímetro adiabático (figura 2) consiste en humedecerlas paredes del reactor o bomba de combustión (figura 3) con 1 ml de agua. Luego se ubica un alambre de níquel de 10 cm tal y como se muestra en la figura 4 de tal forma que no toque las paredes del crisol en el que se deposita aproximadamente un 1 gramo de la muestra a analizar (en nuestro caso la muestra de carbón y luego la biomasa (Saccharomyces cerevisiae)). A continuación, se cierra el reactor y se presuriza el reactor a 27 atmosferas, seguidamente se agregan 2 litros de agua en el recipiente del calorímetro, se conecta el circuito, se tapa el calorímetro, se somete a agitación y se registra la temperatura inicial, posteriormente se procede a la ignición y se toma la temperatura final cuando ya no existan grandes variaciones en la misma. Finalmente se limpia y se lava cada uno de los componentes del calorímetro y se mide el alambre quemado.
Se calentó 50 ml de H2O entre 40°C-50° C que se adicionaron al vaso Dewar, se agregaron 50 ml de H2O a temperatura ambiente en embudo de separación. Se midieron las temperaturas iniciales y se ubicaron el termómetro y el embudo en cada una de las perforaciones de la tapa del vaso Dewar.Se adicionó lentamente el agua del embudo al frasco Dewar con constante agitación. Este procedimiento se realizó por duplicado.
2.2 Determinación de calor de neutralización para una reacción ácido-base. se prepararon dos soluciones de ácido(HCl) y base NaOH) 0,2 N, se agregó la solución de NaOH dentro del base Dewar y el HCl en el embudo, se midieron las temperaturas iniciales y se adicionó lentamente el ácido con constante agitación al recipiente. Tras adicionar completamente el reactivo se procedió a tomar la temperatura final del sistema. Este procedimiento se hizo por duplicado.
El montaje para el calor de neutralización se muestra en la figura 1.
Figura 2: Calorímetro adiabático [6]
Figura 1. Montaje experimental para calor de neutralización [5]
2.3 Determinación de la capacidad térmica de una moneda: se pesó la moneda, se introdujo dentro de vaso Dewar, se calentaron 50 ml de agua entre 40°C y 50°C y se adicionaron al recipiente, se agregaron 50 ml de agua a temperatura ambiente al embudo, se procedió a agregar el agua como en 2.1. Finalmente, al terminar de agregar el agua se tomó la temperatura del sistema.
Figura 3: Bomba de Combustión [6]
2.4 Determinación del poder calorífico superior de muestra de carbón y biomasa en calorímetro adiabático. Práctica 0, Manejo de datos y técnicas experimentales Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín 2
Erira Aza & Martínez-León / UnalMed Facultad de Minas, febrero 2017.
Tc: Temperatura de agua caliente mf : Masa de agua fría Tf : Temperatura de agua fría K: capacidad térmica del calorímetro
A partir de la ecuación 5 se calcula la capacidad térmica del vaso Dewar luego: Tabla 2. Resultados de capacidad térmica del vaso Dewar
Figura 4: Fijación del alambre [6]
Capacidad Dewar
3. Resultados y análisis de resultados 3.1 Determinación de capacidad calorífica del vaso dewar:
41,90± J/°C
Tabla 2. Datos para calcular la capacidad térmica de una moneda
Volumen agua caliente ±0.05 ml Volumen agua fría ±0.05 ml Densidad agua gr/ml Masa agua caliente gr Temperatura agua caliente ±0.1 °C Masa agua fría gr Temperatura agua fría ±0.1 °C Temperatura de equilibrio ±0.1 °C Capacidad calorífica del agua J/gr.°C Masa moneda ±0,0001 gr
Tabla 1. Datos para calcular constante del calorímetro
50 50 0,996 49,8 49,8 25,3 35,8 48,3 4,185
50 50 0,996 49,8 45,55 49,8 25,6 33,7 4,184 9,9848
Para calcular la capacidad calorífica de la moneda se hace un balance de energía para el sistema, por tanto:
Para calcular la capacidad calorífica del vaso Dewar se parte de un balance de energía donde sólo se tiene en cuenta el calor intercambiado en el sistema luego:
− = 6 − = í + í + 7
− = 1
( − ) + ( − )+ ( − ) + ( − ) = 0 8
− = í + í 2 í + í + = 0 3
= −
( − ) + ( − )+ ( − ) = 0 4 =−
Medida vaso
3.2 Determinación de la capacidad calorífica de una moneda ($1000):
Se calculó la constante del calorímetro a partir de un balance de energía con los datos tomados en la práctica que se muestra en la tabla 1.
Volumen agua caliente ±0.05 ml Volumen agua fría ±0.05 ml Densidad agua gr/ml Masa agua caliente gr Masa agua fría gr Temperatura agua fría ±0.1 °C Temperatura de equilibrio ±0.1 °C Temperatura agua caliente ±0.1 °C Capacidad calorífica del agua J/gr.°C
Dato térmica
( − ) + ( − )+( − ) 9 ( − )
A partir de la ecuación 8 se calcula la capacidad calorífica de la moneda
( − ) + ( − ) 5 ( − )
Tabla 3. Resultados de capacidad calorífica de moneda de $1000
Dato Capacidad calorífica de moneda
Donde, Qcedido: Calor cedido por agua caliente Qagua fria: Calor absorbido por agua fría Qcalorimetro: Calor absorbido por el calorímetro mc: Masa agua caliente Cp: Capacidad calorífica del agua Teq: Temperatura de equilibrio
Medida ± J/°C
Además el calor cedido por el agua caliente es -2471,90521 J, el calor absorbido por el agua fría es de 1689,65673J, el
Práctica 0, Manejo de datos y técnicas experimentales Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín 3
Erira Aza & Martínez-León / UnalMed Facultad de Minas, febrero 2017.
absorbido por el calorímetro de 339,39 J y, por último, el absorbido por el tornillo es 442,85J. Se evidencia que cuando el tornillo ,el agua caliente y el agua fría después de estar en contacto y pasar cierto tiempo alcanzan la misma temperatura por lo que se puede decir que están en equilibrio térmico. Como no se conoce la capacidad calorífica teórica de la moneda de $1000 excepto a que es una aleación de zinc,cobre ,Niquel ,no se tiene una referencia para calcular el porcentaje de error en este procedimiento. Los errores hechos en la medida de la capacidad térmica del calorímetro afectan directamente la medida de la capacidad calorífica de la moneda y la del calor de neutralización.
Volumen titulación
3,8
Tabla 2. Datos para calcular poder calorífico de la levadura
Masa de la levadura +/- 0,0001gr
1,0169
Temperatura inicial +/-0,02°C
26,18
Temperatura final +/-0,02°C
27,92
Longitud alambre quemado +/-0,1cm
5
Constante de la bomba
2410
El cálculo del poder calorífico superior (P.C.S) está dado por la ecuación () 3.3 Determinación de calor de neutralización para una reacción ácido-base
...=
Tabla 2. Datos para calcular calor de neutralización
Dónde:
Concentración NaOH ±0.02 N Concentración HCl ±0.02 N Temperatura inicial del sistema
Temperatura después de reacción ±0.1 °C
0,2 0,2 27,1 28,4
P.C.S.: Poder Calorífico superior en cal/gr W: Peso de la muestra en gr. Δ: Cambio de Temperatura : Constante (2410) hallada por calibración con ácido benzoico. L: Longitud del alambre de Níquel quemado en cm. S: Porcentaje de azufre de la muestra. Δ: Número de ml de Na2CO3 gastados para neutralizar la solución.
Capacidad calorífica del agua J/gr.°C
3.4 Determinación del poder calorífico superior de una muestra en calorímetro adiabático: . Los datos tomados experimentalmente para poder calcular el poder calorífico superior del carbón y de la levadura Sacharomyces C se presentan en las siguientes tablas .
Tabla 3. Poder calorífico superior de las muestras analizadas
Muestra Carbón Levadura Sacharomyces C.
1,013
Temperatura inicial +/-0,02°C
27,82
Temperatura final +/-0,02°C
30,26
Longitud inicial alambre +/-0,1cm
10
Longitud de alambre quemado +/-0,1cm
5
Constante de la bomba
2410
Poder calorífico superior teórico [cal/g]
6230
El poder calorífico superior teórico de la muestra de carbón es de 6230 cal/gr. El experimental fue menor al esperado con un porcentaje de error de * , esto pudo ser ocasionado por impurezas de la muestra lo que provoca disminución en la cantidad de energía por unidad de masa que el carbón puede entregar. También debe tenerse en cuenta que no se calibró el calorímetro con ácido benzoico por lo que se tomó como constante de bomba la constante de fábrica que brinda el calorímetro. Otra de las causas puede ser los errores a la hora de tomar las medidas
Poder calorífico superior experimental [cal/g] Porcentaje azufre %
P.C.S [cal/g]
En la ecuación *se tienen en cuentas varias correcciones como lo son el del alambre quemado y la del porcentaje de azufre que posee la muestra, ya que estas aportan calor al sistema, la primera aporta ya que proporciona la chispa para que se queme el carbón, y el segundo debido a que también interviene en la combustión y por tanto en el cálculo.
Tabla 1. Datos para calcular poder calorífico del carbón
Masa del carbón +/- 0,0001gr
[∆ × − 1 0 − ×2.3−13.18×%−∆×5.44] ∗
0,39
Práctica 0, Manejo de datos y técnicas experimentales Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín 4
Erira Aza & Martínez-León / UnalMed Facultad de Minas, febrero 2017.
[7] Parr instrument Company.Disponible :http://www.parrinst.com/es/products/oxygen-bombcalorimeters/applications/
4.conclusiones.
Se evidencia la aplicación de la ley cero de la termodinámica que establece que, si dos o más cuerpos se encuentran a diferente temperatura y son puestos en contacto, después de cierto tiempo, alcanzarán la misma temperatura, por lo que se encontraran en equilibrio térmico, tal es el caso del agua caliente, el agua fría y el tornillo donde después de un determinado tiempo se alcanza la misma temperatura. La calorimetría es una técnica experimental que tiene varias aplicaciones en la industria. Entre la que se destaca la determinación del poder calorífico de los materiales y que se usa frecuentemente en la producción de combustibles, eliminación de desechos y estudio de alimentos. Como combustible, el carbón es más eficiente que la levadura analizada, debido a que presenta mayor poder calorífico superior
6. Referencias
[1] Cengel, Y.A.; Boles, M.A.: Termodinámica (7ª Edición). Mc Graw-Hill, 2012. Página 178. [2] Smith, J.M.; Van Ness, H. C.: Introducción a la termodinámica en ingeniería química (6ª Edición). Mc GrawHill, 2003. Página 142. [3] Smith, J.M.; Van Ness, H. C.: Introducción a la termodinámica en ingeniería química (6ª Edición). Mc GrawHill, 2003. Página 146. [4] Levitt, B.P. Química Física Práctica de Findlay. Editorial Reverté, 1979. [5] Universidad nacional de Colombia, sede Medellín. “Práctica 3: Calorimetría”. Abril de 2015.
[6] Parr instrument Company. Recipientes de Combustión de Oxígeno Modelo 1108. Moline, Illinois. 2016.
Práctica 0, Manejo de datos y técnicas experimentales Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín 5
en
