ÍNDICE GENERAL
1. MARCO TEORICO TEORICO ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................ .......... 1
1.1.
Primera ley de la termodinámica termodinámica..................................................... .............................................................................. ......................... 1
1.2.
Calor de combustión .......................................................................................... .................................. .............................................................. ...... 2
1.3.
Tipos de combustión combustión ................................................................................................ ..................................................... ........................................... 3
1.3.1.
Combustión estequiometria o teórica ................. ................. .................. ................. ... 3
1.3.2.
Combustión incompleta o imperfecta ................. ................. .................. ................. ... 3
1.3.3.
Combustión completa ................................. ............... .................. ................. .................. .................. ........... 3
1.4.
La bomba calorimétrica calorimétrica................................................. ............................................................................................ ........................................... 4
1.4.1.
Partes del calorímetro ................................. ............... .................. ................. .................. .................. ........... 5
1.4.2.
Funcionamiento Funcionami ento de la bomba calorimétrica .................................. ................ .................. .................. ........... 6
1.4.3.
Calibración Calibraci ón de bomba calorimétrica ................. ................. .................. ................. ...... 7
1.4.4.
Correcciones al utilizar la bomba calorimétrica calorimétric a ................. ................. .................. ...... 8
1.5.
Sugerencias de funcionamiento .............................................. ................................................................................ .................................. 9
1.5.1.
Mala combustión ................. ................. ................. .................. .................. ................. 9
1.5.2.
La carga de presión de oxígeno ................................. ................ ................. .................. ................. ............. 10
1.5.3.
Combustibles Combustible s.................. ................. .................. ................. .................. ................. .... 10
1.5.4.
Transferencia Transfere ncia de calor ................................. ............... .................. ................. .................. .................. ......... 11
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ......................................................................................................... 15
2.1. Reactivos Reactivos y equipo experimental ............................................... ............................................................................... ................................ 15 2.2. Diagrama de equipo experimental. experimental. ............................................................................ 16 3. ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................................................................... 19
iii
iv
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................................ 25
4.1. Conclusiones Conclusiones ............................................................................................................. ............................................................. ................................................ 25 4.2. Recomendaciones Recomendaciones ...................................................... ...................................................................................................... ................................................ 25 5. BIBLIOGRAFÍ BIBLIOGRAFÍA A ............................ ........................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ......................... ........... 27 6. NOMENCLATURA NOMENCLATURA ............................ .......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ .................... ...... 29 7. APÉNDICES.............. APÉNDICES............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. .................. ... 31
A. Datos experimentales experimentales .................................................................................................. ........................................................... ....................................... 31 B. Cálculos intermedios intermedios ................................................................................................... .................................................................... ............................... 33 C. Muestra de cálculo............................................. .................................................................................................. .......................................................... ..... 34 C.1 Cálculo de la corrección del alambre quemado. ................................................................. 34 C.2 Cálculo del aumento neto de temperatura ......................................................................... 34 C.3 Cálculo por la estandarización del calorímetro ................................................................... 34
8. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ....................................................................................................... 35
INDICE DE CUADROS Cuadro 1.5.3.1 ……………………………………………………………………… ..... 11 Cuadro 2.1.1………..….……………………………………………………………….
15
Cuadro 2.1.2…………..………………………………………………………………..
16
Cuadro 3.1 ……………………………………………………………………………...
22
Cuadro A.1……………………………… A.1………………………………………………………… …………………………………………….. …………………..
31
Cuadro A.2……...………………………… A.2……...……………………………………………………… ………………………………………...… …………...…
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Cuadro B.1…………………………… B.1………………………………………………………… ………………………………………………... …………………...
33
Cuadro B.2…………………………… B.2………………………………………………………… ………………………………………………... …………………...
33
v
INDICE DE FIGURAS Figura 1.4.1. ………..…………………………………………………………… ..…...… 4 …...……………………………………………………… ……………………………………………. …………………. 5 Figura 1.4.2…...…………………………… ……..…………………………………………………… …………………………………………….. ………………….. 16 Figura 2.2.1……..…………………………
Figura 2.2.2.. ………………………………………………………………………… ...... 17 3.1…………….……………………………………………… …………………………………………….. ………………….. 21 Figura 3.1…………….…………………… Figura 3.2……………………………… 3.2…………………………………………………………… …………………………………………… ……………… ...…
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1. MARCO TEORICO La combustión es una de las tecnologías más antiguas de la humanidad, ya que se ha utilizado desde hace más de un millón de años en actividades de calentamiento corporal, cocción y procesos industriales. La sociedad actual presenta una necesidad prácticamente innata por la energía, y se estima que más del 90% de la energía utilizada proviene precisamente del proceso de combustión, que valga la redundancia se caracteriza por ser exotérmica; esto justifica el hecho de por qué las reacciones que implican la combustión y su proceso en sí, son de gran interés en el estudio termodinámico. (Warnatz, M, Maas, & Dibble, 2006) Esta forma tan particular de energía, es uno de los procesos más importantes que deben tomarse en cuenta a nivel industrial, ya que se relaciona con la necesidad de conocer la cantidad de energía aprovechable que se genera a partir de reacciones con combustibles, determinando para diferentes sustancias capaces de arder, cuánta energía pueden desprenderse al someterse a condiciones determinantes de los procesos termodinámicos como lo son la temperatura y la presión. Sin embargo, en este siglo la humanidad afronta una grave problemática debido al aumento de la demanda energética mundial, agotamiento de los combustibles fósiles, incremento del precio del petróleo y las dificultades ambientales causadas por los gases de invernadero tales como la contaminación local del aire y el calentamiento global, ante esto, el máximo aprovechamiento del calor producido en la combustión toma gran importancia, también esta situación demanda urgentemente fuentes alternativas de energía basadas en procesos sustentables, renovables y amigables con el ambiente, que además posibiliten la captura de CO2. (Garibay, 2009)
1.1.Primera ley de la termodinámica La primera ley de la termodinámica, conocida como “el principio de conservación de la energía”,
y según lo define Van Ness, H. Abbott, M. y Smith, J. (2003) esta ley postula
que: “Aunque la energía adopta muchas formas, la cantidad total es constante, y cuando desaparece en una forma, aparecerá aparece rá simultáneamente en otras”.
1
2
La ecuación que define la primera ley de la termodinámica, según Van Wyllen, G. Sonntag, R. y Borgnakke, C. (2006), es la siguiente:
̇ ̇ ̇ ̇
(1.1.1)
Donde: QVC = Transferencia de calor a volumen constante, J. h = Altura, m. v = Velocidad, m/s. g = Aceleración de la gravedad, m/s
2
.
z = Distancia o altura, m. W VC VC = Trabajo a volumen constante, J. dE/dt = Cambio de Energía interna en el tiempo, J/s.
Sin embargo, para el caso de una bomba calorimétrica se desprecian los cambios de energía cinética y potencial y el trabajo, debido a que no hay cambio de volumen para una masa constante el flujo de calor y por lo tanto la primera ley queda de la siguiente forma:
̇ ∑() ∑()
(1.2.2)
Dónde: Qvc = Transferencia de calor a volumen constante, J. m = masa, kg.
ṁ = Flujo másico, kg/s. U = Energía potencial, J.
1.2.Calor de combustión El calor de c ombustión (ΔHc), de un compuesto se define como la cantidad de calor emitido cuando una unidad de masa de este compuesto se oxida completamente para dar un
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producto final estable. La reacción de combustión se define como aquella entre un elemento o compuesto y el oxígeno, para formar ciertos productos de combustión; siendo la cantidad de energía que se libera por mol de hidrocarburo que se quema el calor de combustión (Poder calorífico, 2009).
1.3.Tipos de combustión Para que la combustión se presente en un sistema, es necesario contar con la presencia de un combustible, oxígeno y calor; sin embargo la variación de alguno de estos tres factores conlleva a distintos tipos de combustión. 1.3.1. Combustión estequiometria o teórica Este tipo de combustión ocurre de modo que la estequiometria de la reacción se cumple tal y como lo predice la teoría; es decir, se produce cuando se utiliza la cantidad justa de oxígeno para que todos los reactivos se transformen en productos, no existe presencia de sustancias combustibles en los productos o humos de la reacción. (Teoría de un proceso de combustión, 2006). 1.3.2. Combustión incompleta o imperfecta Se produce cuando no se cuenta con el oxígeno necesario para que se produzca la oxidación total del carbono, esto por defecto en el suministro de aire, ocasionando así que la reacción de oxidación no se da en su totalidad. Esto quiere decir que no todo el carbono se va a transformar en CO2 y aparecerá como producto de combustión CO. Aparecen sustancias llamadas los inquemados, que son materia combustible que ha quedado sin quemar o parcialmente quemada. Pueden ser de dos clases, los sólidos, como el carbono (hollín) y los gaseosos, como CO, H2 (Teoría de un proceso de combustión, 2006). 1.3.3. Combustión completa La combustión completa ocurre cuando las sustancias combustibles reaccionan hasta el máximo grado posible de oxidación. Para que se produzca una combustión completa se
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hace necesario aportar un exceso de aire, es decir, de oxígeno, esto sobre la cantidad estequiometria que dicta la reacción (Teoría de un proceso de combustión, 2006).
1.4.La bomba calorimétrica La bomba calorimétrica consiste en un recipiente sellado al vacío que minimiza el intercambio de calor entre el sistema y su entorno que opera según el método de las mezclas. El vaso que contiene la muestra por analizar es capaz de soportar las elevadas presiones que pueden llegar a producirse en las combustiones. Se llena a una presión máxima de 25 atm con oxígeno para asegurar una combustión rápida y completa. El calor liberado por la combustión aumenta la temperatura del calorímetro, en una forma directamente proporcional a su capacidad calórica, esto se determina realizando la calibración con ácido benzoico. Alcanzando el equilibrio térmico entre ellos y leída la temperatura, se dispara la combustión y, agitando el agua, se espera que se alcance un nuevo equilibrio y se vuelva a leer la temperatura. Con ambas lecturas se realizan los balances energéticos conducentes a la determinación del calor de combustión de la muestra. Generalmente, el aparato se calibra y se realizan las correcciones posteriores para tener en cuenta el calor de combustión de filamentos y el calor de formación de los diferentes óxidos residuales. Así, cuantificando el aumento en la temperatura y la capacidad calórica del calorímetro se determina el calor liberado por la reacción (García, 2000). En la Figura 1.4.1 se muestra una curva característica de un proceso de combustión.
Figura 1.4.1 Curva característica de combustión. (Fuente: Parr Instrument Company)
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En la Figura 1.4.2 se muestra un diagrama de la bomba calorimétrica para ilustrar lo explicado en párrafos anteriores.
Figura 1.4.2 Diagrama de la bomba calorimétrica. (Fuente: Universidad Católica del Perú http://www.fq.uh.cu). http://www.fq.uh.cu). 1.4.1. Partes del calorímetro Consta de una bomba de oxígeno, donde se lleva a cabo la combustión, dicho recipiente posee dos válvulas, una para llenar la bomba con oxígeno, y otra para liberar o regular la salida de los gases de combustión u oxígeno al lavar. Posee además un anillo de plomo provisto de empaque que hace hermética la junta entre la tapa y el vaso. En el interior de la bomba hay una cápsula de combustible dónde se coloca la muestra (Parr Manual No. 147). Un agitador y motor, normalmente se utiliza un agitador de hélice con un motor que permita su rotación a velocidad constante. Para la adecuada operación de la bomba, el sistema se deja con agitación constante antes de iniciar el procedimiento con el fin de que el sistema se estabilice. Se coloca un termómetro con un rango de 19-35 ºC para efectuar las lecturas de la temperatura (Parr Manual No. 147). Posee una cuba con una cantidad medida de agua, con capacidad de poco más 2L, en la cual la bomba, el termómetro y el agitador se sumergen (Parr Manual No. 147).
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Consta de una camisa adiabática o jacket utilizada para aislar al cubo de los alrededores. Además de una unidad de ignición que genera que los cables de ignición unidos a la bomba de oxígeno inicien la combustión (Parr Manual No.147). 1.4.2. Funcionamiento de la bomba calorimétrica El combustible cuyo poder calorífico se desea determinar, se coloca en un crisol dentro de la bomba calorimétrica. Adicionalmente, se agrega el oxígeno necesario para la combustión. La bomba calorimétrica se rodea de una camisa de agua que absorberá el calor liberado por el combustible. Todo esto se realiza dentro de una camisa adiabática para evitar fuga de calor que afecte el proceso. Sin embargo, el calor que absorbe el agua no es el poder calorífico del combustible puesto que existen pérdidas asociadas, estas son explicadas en la sección correcciones. Por seguridad, la bomba nunca debe ser cargada con una muestra que produzca más de 8000 calorías al ser quemada en oxígeno, (una masa de 1.5 g). Además, al llenar la bomba de oxígeno, se debe controlar que la presión no exceda las 25 atm. (Arévalo, 2009). La bomba se llena con oxígeno por medio de un tubo flexible y delgado de cobre, provisto de un manómetro, terminado de un lado en una tuerca que se adapta a las aberturas de llenado de la bomba, y por el otro por una boquilla que se ajusta a la rosca normal de las botellas de oxígeno. Se abre la botella y se deja pasar el oxígeno hasta que el manómetro señale no más de 25 atm. Se cierra primero la botella de oxígeno y después la bomba cuando el manómetro desciende a 25 atm ya que las tuberías nunca son absolutamente herméticas. Debe tomarse como norma llenar de oxígeno la bomba en último término y dar salida al gas inmediatamente después de realizado el ensayo (Zamora, 1998). La parte exterior está formada por un depósito de agua con una capacidad aproximada de 2 L, de forma anular, que por su gran capacidad térmica constituye el ambiente del calorímetro y lo protege de cambios de calor. Sobre este depósito va montado un soporte que sostiene los mecanismos de accionamiento del agitador, así como la suspensión elástica del termómetro. Se puede emplear un agitador de hélice, con el cual se debe modificar la disposición del aparato. El depósito exterior de agua tiene la misma forma, pero mayor diámetro y
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capacidad. En este ensanchamiento va colocado el canal de agitación (canal de la hélice). Ésta toma el agua caliente de la parte superior y la impulsa por la parte inferior. La bomba no necesita estar centrada en el depósito del calorímetro, sino que deberá estar en la proximidad inmediata al canal de agitación, con el fin de que la velocidad de circulación en el punto más alejado de la hélice sea lo más reducida posible. Una de las ventajas de esta disposición es que ni el termómetro ni la bomba están en contacto inmediato con el agitador, y por consiguiente, éste trabaja absolutamente sin choques o rozamientos (Zamora, 1998). Para la medición de temperaturas se empleará un termómetro de mercurio con una amplitud de 19ºC a 35ºC construido especialmente para este caso. La longitud de los grados de estos termómetros es de 3 a 4,5 cm. y están divididos en 100 partes, lo que permite llegar a apreciar incluso la milésima de grado haciendo las lecturas con lupa (Zamora, 1998). 1.4.3. Calibración de bomba calorimétrica Según Parr Manual No. 147, este instrumento se calibra calculando el factor equivalente de energía (W), que denota la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura del calorímetro en un 1 °C. Para calcular dicho factor (W), se hace uso del denominado método eléctrico, que consiste en rodear la bomba con una resistencia y realizar una serie de mediciones para una sustancia con calor de combustión conocido; determinando el incremento de temperatura corregido de las mediciones y se realizan las correcciones tanto de presencia de sustancia como de combustión del alambre para estandarizar así el aparato; además según Parr Manual No. 147, se debe emplear la siguiente fórmula:
Donde:
W= energía necesaria para incrementar en un grado la temperatura del calorímetro, cal/ºC H =calor de combustión estándar de la muestra, cal/g e1 =corrección por la formación de ácido nítrico, cal
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e2 =es el calor liberado en calorías por combustión del alambre, cal T = Aumento neto de temperatura, ºC
1.4.4. Correcciones al utilizar la bomba calorimétrica Se presentan a continuación una serie de factores, los cuales son necesarios tomar en cuenta para realizar correcciones en el funcionamiento de la bomba calorimétrica.
La inflamación del filamento metálico empleado: Según el manual No. 10 de la bomba calorimétrica, la pequeña cantidad de corriente que se invierte en el encendido puede despreciarse o introducirse en el valor del equivalente (Parr Manual No. 147).
El calor de formación del ácido nítrico y ácido sulfúrico (e1 y e3): Según el manual No. 10 de la bomba calorimétrica, para evitar la formación del mismo es recomendable hacer lavados con oxígeno para desalojar de la bomba la mayor cantidad de aire posible. Se deben realizar las respectivas correcciones según la masa formada por cada uno de estos productos (Parr Manual No. 147).
El alambre: Según el manual No. 10 de la bomba calorimétrica, el alambre genera calor, tanto por la resistencia que presenta a la corriente de ignición, como por el calor de combustión de la porción quemada del alambre, por lo que se debe realizar la respectiva corrección (Parr Manual No. 147).
Corrección por radiación: La bomba calorimétrica, permite obtener la elevación verdadera de la temperatura basándose en la hipótesis de que hasta el punto en que el termómetro ha recorrido la mitad del camino en su ascenso, el cambio de calor es igual al que se calcula como consecuencia del movimiento del termómetro en las fases inicial y fina (Parr Manual No. 147). .
El termómetro: Según el manual No. 10 de la bomba calorimétrica, debe ser calibrado de antemano con el fin de corregir las temperaturas, si fuese necesario (Parr Manual No. 147).
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1.5.Sugerencias de funcionamiento 1.5.1. Mala combustión La diferencia en las características de combustión de gran variedad de materiales que pueden ser quemados en una bomba de oxígeno hace difícil dar instrucciones específicas que aseguren combustiones completas de todas las muestras. Sin embargo, dos condiciones fundamentales pueden ser establecidas. En primer lugar, una parte de la muestra se calienta hasta su temperatura de ignición para iniciar la combustión y, se quema, ésta debe liberar el calor suficiente para apoyar su combustión propia, independientemente de los efectos del frío de las partes adyacentes de metal. En segundo lugar, la combustión debe producir una turbulencia suficiente dentro de la bomba para llevar el oxígeno en la copa de combustible para la quema de los últimos restos de la muestra (Parr Manual No. 147). Según el Parr Manual No. 147, una combustión incompleta en una bomba de oxígeno es casi siempre se debe a una o más de las siguientes causas:
1. Excesivamente rápida admisión de gas a la bomba durante la carga, provocando que una parte de la muestra sea sacada fuera de la taza.
2. El uso de una muestra que contiene partículas gruesas que no se quema fácilmente. 3. El uso de una muestra de sedimento que se ha hecho demasiado dura o demasiado blanda. Cualquiera de estas condiciones a veces causa desprendimiento y la expulsión de los fragmentos no quemados.
4. El uso de un encendido actual demasiado bajo como para encender el cargo, o demasiado alto, causando que el fusible se rompa antes de que la combustión esté en marcha.
5. El uso de oxígeno insuficiente para quemar el cargo, o por el contrario, el uso de una presión de gas muy alta inicial que puede retardar el desarrollo de gas en cantidad suficiente turbulencia dentro de la bomba.
6. No hay espacio suficiente entre la copa de combustión y la parte inferior de la bomba. El fondo de la taza siempre debe ser al menos de media pulgada por encima de la parte inferior de la bomba, o por encima del nivel del líquido en la bomba, para evitar enfriamiento térmico.
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7. La humedad excesiva o material no combustible la muestra es de aproximadamente 20 por ciento o más de la carga que puede ser difícil de obtener una combustión completa. Esta condición puede subsanarse mediante la adición de una pequeña cantidad de ácido benzoico o la ayuda de combustión otros. 1.5.2. La carga de presión de oxígeno Los operadores a veces no están de acuerdo en cuanto a la más deseable presión de carga de oxígeno. Por regla general, lo mejor es utilizar la más baja presión de gas, que le dará una combustión completa. Bajas presiones permiten mayores temperaturas de los gases y la turbulencia mayor, los cuales ayudarán a conseguir la una mejor combustión. La gama de presiones de carga para las bombas de oxígeno Parr usualmente es de 25 y 35 atmósferas, y nunca debe superar las 40 atmósferas. 1.5.3. Combustibles Un combustible es aquel capaz de liberar energía al cambiarse o transformar su estructura química. La mayor parte de la energía empleada actualmente en el mundo proviene de los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural) (Cuadro 1.5.3.1). Si la combustión es completa se llama poder calorífico a esa energía liberada por masa de combustible; dado en Joules, calorías o BTU, dependiendo del sistema de unidades que se utilice (Combustibles fósiles, 2008). Existen otras sustancias pueden utilizarse como combustibles según su poder calórico, algunos de los utilizados comúnmente son la madera y sustancias orgánicas de fuente vegetal. Sus usos u aplicación van desde la producción de asfalto, elaboración de tintas, formulación y fabricación de productos agrícolas, generación de electricidad, para el transporte, hasta en infinidad de procesos industriales, entre muchos otros (Combustibles fósiles, 2008). Esto conlleva a que su estudio sea de mucha importancia para la industria química actual.
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Cuadro 1.5.3.1. Poderes caloríficos de combustibles comunes Combustible
Poder calorífico (kcal/kg)
Gasolina 98
10.550
Butano
10.900
Petróleo
11.000
Madera
2.500-4.000
Carbón
4.000-9.000
Etanol
6.500
Gasóleo
10.325
Gasolina 95
10.400
1.5.4. Transferencia de calor Procesos que emplean transporte de calor aparecen frecuentemente en la industria química: calentamiento del petróleo crudo (u otra mezcla líquida) hasta su punto de ebullición para separarlo en fracciones en una columna de destilación o la remoción del calor generado en una reacción química, entre muchosotros. En cualquier caso necesitamos hallar la velocidad a la cual ocurre la transferencia de calor para calcular el tamaño del equipo requerido o para mejorar el ya existente. (Betancourt, 2003) La transferencia de calor es la expresión usada para indicar el transporte de energía originado en una diferencia de temperatura. La “Velocidad de Transferencia de Calor” o “Flujo de Calor”, es la expresión de la energía térmica transportada por unidad de
tiempo, y
“Densidad de Flujo de Calor” o “Flux de Calor” es la velocidad de transferencia de calor
por unidad de área. Hay tres formas o mecanismos de transferencia de energía: conducción, convección y radiación. (Betancourt, 2003):
Conducción Es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las menos energéticas, como resultado de las interacciones entre ellas. La conducción puede tener lugar en los sólidos, líquidos o gases. En los gases gases y líquidos la conducción se debe a
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las colisiones y a la difusión de las moléculas durante su movimiento aleatorio. En los sólidos se debe a la combinación de las vibraciones de las moléculas en una retícula y al transporte de energía por parte de los electrones libres. La velocidad de la conducción de calor a través de un medio depende de su espesor y el material de que esté hecho, así como de la diferencia de temperatura a través de él. Se ha visto que los diferentes materiales almacenan calor en forma diferente y se ha definido la propiedad de calor específico C como una medida de la capacidad de un material para almacenar energía térmica. La conductividad térmica (k) de un material se ha definido como la velocidad de transferencia de calor a través de un espesor unitario del material por unidad de área por unidad de diferencia de temperatura. Siendo así la conductividad térmica de un material es una medida de la capacidad del material para conducir calor (Cengel, 2003).
Convección La convección es el modo de transferencia de energía que se relaciona con el cambio de energía que ocurre entre una superficie y un fluido adyacente. Existen dos tipos: la convección forzada, en la cual por medio de un medio externo se hace pasar un flujo por una superficie sólida, tal como un ventilador o una bomba, y la convección libre o natural, en la que un fluido más caliente (o más frío), que se encuentra próximo a la frontera sólida, ocasiona la circulación a causa de la diferencia de densidades que resulta de la variación de temperatura en una región del fluido. En general, entre más rápido es el movimiento de un fluido, mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de cualquier movimiento masivo de fluidos, la transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido adyacente es por conducción pura (Smith, 2005). Los procesos de transferencia de calor que comprenden cambio de fase de un fluido también se consideran como convección a causa del movimiento de ese fluido inducido durante el proceso, como la elevación de las burbujas de vapor durante la ebullición o la caída de las gotitas de líquido durante la condensación (Cengel, 2003).
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Radiación La radiación es la energía emitida por la materia en la forma de ondas electromagnéticas (o fotones), como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. A diferencia de la conducción y la convección, la transferencia de energía por radiación no requiere la presencia de un medio interpuesto. De hecho, la transferencia de energía por radiación es la más rápida (a la velocidad de la luz) y no sufre atenuación en el vacío; de esta manera llega a la Tierra la energía del Sol. La radiación es un fenómeno volumétrico y todos los sólidos, líquidos y gases, absorben o transmiten radiación en diversos grados. Sin embargo, la radiación suele considerarse como un fenómeno superficial para los sólidos que son opacos a la radiación térmica, como los metales, la madera y las rocas, ya que las radiaciones emitidas por las regiones interiores de un material de ese tipo nunca pueden llegar a la superficie, y la radiación incidente sobre esos cuerpos suele absorberse en unas cuantas micras hacia adentro de dichos sólidos (Cengel, 2003).
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2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL El objetivo de este experimento es medir el calor de combustión de una pastilla de carbón de eucalipto por medio de una curva de calentamiento, y familiarizarse con el funcionamiento de la bomba de calor, incluida la estandarización con ácido benzoico. Se pretende también adquirir mejores destrezas y cuidados para el laboratorio. Se realizó una serie de mediciones de la temperatura del agua dentro una bomba calorimétrica con respecto al tiempo, en primera lugar una corrida para la pastilla de ácido benzoico, luego una segunda corrida con una pastilla de carbón. Para todas las mediciones se aseguró que hubiese suficiente oxígeno (25 atm) en la cámara para garantizar una combustión completa.
2.1. Reactivos y equipo experimental Se utilizó una pastilla de carbón de eucalipto pero no se tienen datos de sus propiedades. En cambio la pastilla de ácido benzoico fue elaborada con la empastilladora a partir del reactivo del laboratorio, cuyas propiedades se enlistan en el cuadro 2.1.1.
Cuadro 2.1.1. Constantes físicas, químicas y toxicológicas del ácido benzoico.
Nombre
Ácido
Formula
C6H5COOH
Masa
Punto de Punto de
molar
fusión
ebullición
(g/mol)
(°C)
(°C)
122,12
121,25
249,2
Benzoico
Toxicidad Densidad
Vomito,
1320
náuseas
El detalle del equipo utilizado en el experimento se muestra en el cuadro 2.1.2. Se utiliza un calorímetro con agitación dentro del cual habrá agua que absorbe el calor liberado, estimado este a partir de la temperatura del agua con un termómetro de líquido en vidrio, una unidad de ignición y una bomba calorimétrica en la que se coloca la muestra en estudio. La temperatura es entonces la variable de respuesta a la energía liberada y la 15
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variable independiente corresponde al tiempo. El calor de combustión, variable dependiente, es medido a partir de la temperatura. La longitud del cable quemado y la masa de muestra no quemada, la masa de agua y la presión de oxígeno en la bomba son los parámetros tomados en cuenta. La humedad, la presión y temperatura ambientales son variables no controlables en la práctica.
Cuadro 2.1.2. Datos del equipo utilizado en la práctica. Instrumento Bomba calorimétrica Cronómetro
Marca Parr companyMoline Acusplit
Indicador de la bomba Parr Companycalorimétrica
Moline
Empastilladora
-
Serie
Placa
4764
-
-
12654
1288
-
-
120762
2.2. Diagrama de equipo experimental. Los equipos se muestran en la Figura 2.2.1. La unidad de ignición se conecta a la bomba calorimétrica por medio de dos electrodos. La ignición se observa al encender la luz de la unidad de ignición y en el aumento de temperatura corrspondiente.
Figura 2.2.1 Equipo utilizado (Fuentes: Parr Instruments Company, www.3bscientific.es) El equipo montado como se utilizó en el laboratorio se muestra en la Figura 2.2.2 siguiente.
Figura 2.2.2 Diagrama del equipo ensamblado (calorímetro con bomba calorimétrica) (Fuente: Parr Instruments Company)
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3. ANÁLISIS DE RESULTADOS Es importante mencionar algunos aspectos importantes considerados a la hora de realizar la práctica de laboratorio. Primero, a la hora de determinar la capacidad calorífica de la bomba, se debió cuidar que la temperatura no sobrepasara los 35°C esto debido a que el termómetro utilizado no podía registrar ese rango de datos y podía dañarse. Seguidamente se debió tener muchos cuidado en lo que respecta a la colocación de la pastilla en el alambre para llevar a cabo la combustión, el cual no debía tocar la cápsula del fondo ya que provocaría un corto circuito que impediría el desarrollo correcto de la medición, de igual manera, la pastilla debía quedar suspendida sobre la cápsula, para que en caso de quedar algún sobrante de la pastilla, ésta se pudiera recoger en dicha capsula facilitando el pesaje de la misma. Es importante aclarar que solamente se realizó la corrección debida al calor de combustión del alambre utilizado, ya que de la literatura se logró conocer el factor de corrección y en el laboratorio se determinó la longitud del alambre quemado. Otras correcciones de suma importancia y que debieron calcularse son las debidas principalmente a la formación de ácido nítrico y sulfúrico durante el proceso de combustión, sin embargo éstas se omitieron debido a la imposibilidad práctica de estimar con exactitud la cantidad de ácido nítrico y sulfúrico formados. Una forma de prescindir de dicha corrección es asumir que los lavados con oxígeno realizados previamente garantizaban que dentro de la bomba no hubiera presencia de ningún ácido, así como, ya se mencionó anteriormente, la presencia de la cantidad necesaria de oxígeno y que el volumen se mantiene constante. Con tal de tomar en cuenta todos los factores involucrados en el sistema hay que tomar en cuenta ciertos aspectos para medir el calor de combustión, que viene dado por el equipo que se está utilizando. Primero que todo, el material que rodea la bomba calorimétrica es de metal, lo cual significa que es un buen conductor. A nivel molecular un metal conduce no solo el calor sino también la electricidad gracias a la cantidad de electrones libres que tienen en la capa de valencia. Esto quiere decir que habrá una gran transferencia de calor a través del metal, sin embargo las pérdidas tanto del material metálico como las del aire deben de valorarse ya que no existe un conductor perfecto, esto significa que el material y 19
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el aire absorberán algo de calor el cual no será transferido al agua. Por esta razón se calcula el equivalente de energía en el calorímetro
W ,
por medio de una sustancia patrón con un
calor de combustión conocido, en esta práctica se utilizó ácido benzoico. Para calcular el equivalente de energía se realizó una corrida en las que se tomó datos de tiempo y temperatura durante la combustión de una muestra de ácido benzoico como muestra la Figura 3.1. y una muestra de carbón vegetal, Figura 3.2. Como se observa, la curva es más pronunciada para la pastilla de carbón que para el ácido benzoico, correspondiente con la diferencia en los tiempos desde la ignición hasta la temperatura máxima, (ver Apéndice B). Esto indica que para el carbón, conforme avanza la combustión la reacción se vuelve lenta, debido a la forma de la curva, y a la vez su capacidad de combustión es lenta en sí. Por otro lado, puesto que la masa de carbón es menor que la del ácido (Apéndice B) en 0,280 g, se concluye también que el carbón es más lento en su combustión. Por otro lado la efectividad de la ignición depende de una correcta sujeción de la muestra; mientras la pastilla del ácido tenía el alambre en su interior, la de carbón estaba amarrada solamente. Es decir, si bien la ignición es un instante al inicio de la combustión, el mayor contacto provoca que esta inicie por toda la pastilla, a un mismo tiempo varias zonas comienzan a quemarse. Si el contacto es menor la combustión debe propagarse por toda la pastilla lo que retrasa el proceso. Esto puede ser una causa de la rapidez de reacción del ácido benzoico, y se comprueba con la mayor longitud de alambre no consumido luego de la combustión con la pastilla de carbón (Apéndice B). Es recomendable que se realice un nuevo experimento en que ambas pastillas estén elaboradas con el mismo método, igual masa de muestra y con igual contacto con el alambre. Ahora bien, al finalizar la combustión En ambos casos se observó un residuo sobre la cápsula cuya masa era muy pequeña para ser significativa (la balanza no detectaba esta masa); además de que no es posible determinar si esos residuos eran de muestra o de alambre.
21
Figura 3.1 Temperatura contra tiempo para la corrida de combustión del ácido benzoico. (Fuente: los autores)
Figura 3.2 Temperatura contra tiempo para la corrida de combustión del carbón vegetal. (Fuente: los autores) Estas son curvas características de combustión que comparten la forma general para cualquier muestra, donde la primera parte se constituye en una temperatura que es prácticamente igual a la temperatura inicial del agua. Una vez que inicia la combustión, el calor generado provoca un cambio brusco en la temperatura del agua, hasta que esta se estabiliza y se mantiene constante en la última fase que corresponde a la finalización de la quema de la muestra. A medida que se realiza la reacción comienza el intercambio del calor, que se genera dentro de la bomba de oxígeno, con su alrededor inmediato, en este
22
caso el agua, la cual comienza a aumentar la temperatura, después de accionar la chispa. El flujo calórico disminuye a medida que se establece el equilibrio térmico entre los dos sistemas, por lo que se nota que la cola de la Figura 3.1se muestra constante en los últimos intervalos del tiempo. Además la forma de las gráficas es indicación de que la combustión fue completa, lo que se comprueba con que al final no queda residuos de muestra significativos. No se considera el cambio de la capacidad calorífica del agua con la temperatura, no obstante el rango de temperaturas es suficientemente pequeño para considerar que este efecto es despreciable. Un factor que tiene relevancia es que la medición de la masa de agua fue realizada con un beaker por lo que en ambos casos esta es inexacta y puede haber diferencias significativas entre ambas masas de agua utilizadas. Finalmente, para ambas Figuras 3.1 y 3.2., se puede notar que las gráficas obtenidas eran las esperadas y tienen un comportamiento muy semejante a la gráfica teórica, por lo que se puede decir que el procedimiento se realizó de manera satisfactoria a pesar de las múltiples fuentes de error, que se citaran más adelante, por lo que se puede decir que todas las consideraciones hechas a lo largo de la práctica fueron probablemente acertadas. El valor obtenido del equivalente de energía para el calorímetro utilizando como referencia ácido benzoico y para el caso del carbón activado se encuentra en el Cuadro 3.1. Aquí se observa que el carbón tiene un calor de combustión menor que el ácido benzoico cuyo valor teórico es de 6319 cal/g (tomado del manual de la bomba calorimétrica). El valor teórico del calor de combustión del carbón es 7170,19 kcal/g, comparándolo con el valor experimental obtenido, ver Cuadro 3.1, se obtuvo un porcentaje de error del 30, 94, valor que es bastante grande para pretensiones en ingeniería, es decir, el valor no se puede considerar como un resultado confiable para trabajos posteriores, sin embargo, se debe recordar que durante la práctica se tomaron consideraciones que pueden afectar el resultado final y por lo tanto provocar un error menor.
23
Cuadro 3.1. Calor equivalente del calorímetro y calor de combustión del carbón. (Fuente: los autores). Sustancia
Equivalente de energía (cal/ 0C)
Calor equivalente del calorímetro
2616,86
Calor de combustión del carbón activado
4951,93
Entre las fuentes de error presentes en esta práctica están el error de paralaje al usar el termómetro, incertidumbre de la balanza utilizada, absorción de calor por la bomba, liberación de calor del alambre que provoca el encendido del combustible, liberación de calor por la formación de ácido nítrico y sulfúrico, la pureza de las sustancias, pérdidas de masa de la pastilla al colocar el alambre, entre otras.
24
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1. Conclusiones
El carbón de eucalipto tiene una reacción de combustión más lenta que el ácido benzoico pues una menor masa de carbón dura más en alcanzar un máximo de temperatura y la combustión completa.
La mayor longitud de alambre consumido en la combustión del ácido benzoico se debe al mayor contacto con la pastilla, y provoca una combustión más homogénea, lo que conlleva a una reacción más vertical gráficamente.
La combustión es completa tanto para el ácido benzoico como para el carbón pues no quedan residuos de masa significativa en la cápsula, al terminar la combustión
El calor de combustión
del carbón carbón obtenido corresponde a 4951,93 cal/g
equivalente a un error de 30,94.
4.2. Recomendaciones
Se recomienda un nuevo experimento con muestras de masas iguales, elaboradas con el mismo método y con el igual contacto con el alambre de ignición.
Se recomienda medir con mayor exactitud y precisión la masa de agua utilizada en el calorímetro.
Es recomendable realizar mayor cantidad de repeticiones para la medición del calor de combustión de cada una de las sustancias, esto para con un análisis estadístico, obtener valores más reales y veraces. 25
26
5. BIBLIOGRAFÍA 1. Betancourt, R. (2003). Transferencia molecular de calor, masa y/o cantidad de movimiento. Colombia: Universidad Nacional de Colombia 2. Cengel, Y. (2003) Transferencia de calor. (2 da edición en español) México: McGraw-Hill. 3.
Combustibles fósiles. Obtenido de
4. Garibay, H; Martínez, A.
http://www.villalbafosil.com (30 mayo 2012).
Biodiesel a partir de Microalgas
(2009). Instituto de
Biotecnología, Universidad Nacional Autónoma de México. Obtenido de www. Smbb.mx.com (30 de mayo 2012). 5. Parr
Instrument
Company.
Calorimeter
accessories.
Obtenido
de
http://www.parrinst.com (31 mayo 2012). 6. Parr Instrument Company 1108 Oxygen Combustion Bomb Operating Instruction Manual. 7. Smith, J.M. Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química. 5 edición, 8. McGraw-Hill, México, 1995. 9.
Teoría de un proceso de combustión.
(2006). TextosCientíficos.com. Obtenido de
http://www.textoscientificos.com (30 mayo 2012). 10. Van Wylen, G. Sonntag, R. y Borgnakke, C. (2006). Fundamentos de termodinámica. México D.F: Limusa Wiley. 11. Zamora, M. (1998) Termo I: un estudio de los sistemas termodinámicos. España: Universidad de Sevilla
27
28
6. NOMENCLATURA NOMENCLATURA Símbolo
Significado
Unidades
a
Tiempo de la ignición
minutos
b
Tiempo donde la
minutos
Temperatura alcanza el 60% de su valor máximo c
Tiempo después de la
minutos
ignición donde la Temperatura se mantiene constante c1
centímetros de alambre no
cm
quemados e
corrección por la
calorías
combustión del alambre H
calor de combustión
calorías/g
m
masa de la muestra
g
r
razón de cambio de la
°C/min
Temperatura con el tiempo T
diferencia de temperatura
°C
U
Energía Potencial
J
Q
Transferencia de calor
J
W
Energía equivalente del
calorias/°C
calorímetro
29
30
Subíndices 1
Indica los primeros 5 min antes del tiempo
a
2
Indica los primeros 5 min luego del tiempo
c
a
Indica el tiempo en a
c
Indica el tiempo en c
7. APÉNDICES A. Datos experimentales Cuadro A. 1 Medición de la temperatura durante la ignición de la pastilla de Ácido Benzoico. Temperatura
Tiempo
Temperatura
Tiempo
Temperatura
Tiempo
(°C)
(s)
(°C)
(s)
(°C)
(s)
26,94
0
28,64
278
29,28
324
26,94
60
28,68
280
29,30
326
26,95
120
28,74
282
29,30
328
26,95
180
28,78
284
29,30
330
26,96
240
28,80
286
29,31
332
26,98
242
28,84
288
29,32
334
26,99
244
28,86
290
29,34
336
27,02
246
28,89
292
29,34
338
27,04
248
28,94
294
29,34
340
27,10
250
28,98
296
29,34
342
27,20
252
29,00
298
29,34
344
27,30
254
29,02
300
29,35
346
27,4
256
29,04
302
29,35
348
27,46
258
29,08
304
29,35
350
27,68
260
29,15
306
29,36
352
28,00
262
29,16
308
29,36
354
28,08
264
29,18
310
29,36
356
28,16
266
29,20
312
29,34
416
28,26
268
29,22
314
29,34
476
28,36
270
29,24
316
29,33
536
28,40
272
29,24
318
29,32
596
28,44
274
29,26
320
29,32
656
28,48
276
29,28
322
31
32
Cuadro A. 2 Medición de la temperatura durante la ignición de la pastilla de carbón. Tiemp
Temperatur Tiemp
Temperatur Tiemp
Temperatur Tiemp
Temperatur
o
a (°C)
a (°C)
a (°C)
a (°C)
(s)
o (s)
o (s)
o (s)
0
26,18
306
26,92
384
27,43
462
27,56
60
26,19
309
26,94
387
27,44
465
27,57
120
26,20
312
27,04
390
27,44
468
27,57
180
26,20
315
27,08
393
27,46
471
27,57
240
26,22
318
27,10
396
27,46
474
27,57
243
26,22
321
27,14
399
27,45
477
27,57
246
26,22
324
27,16
402
27,48
480
27,58
249
26,22
327
27,18
405
27,50
483
27,58
252
26,22
330
27,19
408
27,50
486
27,58
255
26,22
333
27,20
411
27,50
489
27,58
258
26,24
336
27,22
414
27,51
492
27,58
261
26,28
339
27,24
417
27,51
495
27,58
264
26,30
342
27,24
420
27,51
498
27,58
267
26,33
345
27,28
423
27,52
501
27,58
270
26,34
348
27,29
426
27,52
504
27,59
273
26,38
351
27,30
429
27,52
507
27,60
276
26,39
354
27,32
432
27,53
510
27,60
279
26,44
357
27,33
435
27,54
513
27,60
282
26,48
360
27,34
438
27,54
516
27,60
285
26,54
363
27,35
441
27,54
576
27,60
288
26,56
366
27,36
444
27,55
636
27,60
291
26,64
369
27,38
447
27,55
696
27,60
294
26,68
372
27,39
450
27,56
756
27,60
297
26,72
375
27,39
453
27,56
816
27,59
300
26,82
378
27,40
456
27,56
303
26,84
381
27,42
459
27,56
B. Cálculos intermedios Cuadro B. 1 Datos concernientes a la pastilla del ácido benzoico. Parámetro
Valor
a (min)
4,00
b (min)
4,53
c (min)
5,87
T a (°C)
26,96
T c (°C)
29,36
r 1 (°C/min)
0,005
r 2 (°C/min)
-0,004
c1 (cm)
5,22
W (cal/ºC)
2616,86
m (g)
0,992
T (°C)
2,40
e2 (cal)
12,006
Cuadro B. 2 Datos concernientes a la pastilla de carbón. Parámetro
Valor
a (min)
4,00
b (min)
5,20
c (min)
8,35
T a (°C)
26,22
T c (°C)
27,58
r 1 (°C/min)
0,01
r 2 (°C/min)
-0,002
c1 (cm)
6,96
m (g)
0,712
T (°C)
1,35
e2 (cal)
6,99
34
C. Muestra de cálculo C.1 Cálculo de la corrección del alambre quemado. Para calcular el error producido, se debe multiplicar la cantidad de alambre que se quemó por 2,3 cal/cm. Para el ácido benzoico, cuadro B.1, se tiene que:
C.2 Cálculo del aumento neto de temperatura El aumento neto de la temperatura se obtiene por medio de la ecuación:
C.3 Cálculo por la estandarización del calorímetro Por medio de la aplicación de la ecuación siguiente con los datos obtenidos se obtiene:
Para la corrida del ácido benzoico y tomando H = 6319 cal/g se obtiene que:
De la ecuación C.3.1 se despeja el H y se calcula con los datos del carbón, y utilizando el valor de W obtenido anteriormente, con lo que H = 4951,93 cal/g.
8. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Determinación de la capacidad calorífica de la bomba calorimétrica. Secar el interior de la bomba de oxígeno y revisar sus diferentes partes. Coloque 2 litros de agua caliente, en el interior del calorímetro, cierre inmediatamente y ponga a funcionar el sistema de agitación. Cuidado: al utilizar el termómetro sensible garantizarse de que la temperatura final del sistema no sobrepase el límite de 35°C para el cual está diseñado el termómetro. Tome la lectura final máxima a la cual llega el sistema. Determinación del calor de combustión. Confeccione tres pastillas con el equipo que se localiza en el laboratorio. Instale el alambre (que se utiliza en la combustión de la pastilla), tal que se cierre el circuito. Se recomienda no mayor a los 15 cm. Coloque la pastilla en la cápsula y coloque el alambre sobre la misma sin que toque el alambre de la cápsula. Cierre herméticamente la bomba de oxígeno. Realice 2 lavados con el oxígeno, y llene la bomba con oxígeno a una presión no mayor a las 25 atmósferas. Introduzca la bomba de combustión en el calorímetro, conectando los electrodos del detonador y haciendo funcionar éste luego de revisar que todo el sistema se encuentre en orden. (Tener desconectado el detonador por peligro de una descarga eléctrica).
36
Mida temperatura y tiempo para el transcurso del intercambio calórico. Hasta que la temperatura se mantenga constante. Abra la válvula para la salida de los gases de combustión antes de abrir la bomba de oxígeno. Mida la longitud del alambre no combustionado, así como residuos de muestra no combustionada.
