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ÍNDICE GENERAL
1. MARCO TEORICO.........................................................................................................................................1
1.1. Primera ley de la termodinámica..............................................................................1
1.2. Calor de combustión.................................................................................................2
1.3. Tipos de 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............................................................................................4
1.4.1. Partes del calorímetro................................................................................................5
1.4.2. Funcionamiento de la bomba calorimétrica...............................................................6
1.4.3. Calibración de bomba calorimétrica...........................................................................7
1.4.4. Correcciones al utilizar la bomba calorimétrica..........................................................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............................................................................................................10
1.5.4. Transferencia de calor..............................................................................................11
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL...........................................................................................................15
2.1. Reactivos y equipo experimental...............................................................................15
2.2. Diagrama de equipo experimental.............................................................................16
3. ANÁLISIS DE RESULTADOS....................................................................................................................19
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.............................................................................................25
4.1. Conclusiones..............................................................................................................25
4.2. Recomendaciones.......................................................................................................25
5. BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................................................27
6. NOMENCLATURA......................................................................................................................................29
7. APÉNDICES..................................................................................................................................................31
A. Datos experimentales...................................................................................................31
B. Cálculos 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…………………………………………………………………………….. 31
Cuadro A.2……...…………………………………………………………………...… 32
Cuadro B.1……………………………………………………………………………... 33
Cuadro B.2……………………………………………………………………………... 33
v
INDICE DE FIGURAS
Figura 1.4.1.………..……………………………………………………………..…...… 4
Figura 1.4.2…...…………………………………………………………………………. 5
Figura 2.2.1……..……………………………………………………………………….. 16
Figura 2.2.2..…………………………………………………………………………...... 17
Figura 3.1…………….………………………………………………………………….. 21
Figura 3.2……………………………………………………………………………...… 21
vii
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 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:
Qvc+∑ m∗(hentrada+ventrada
2
2+gZ )=W +
d Evc
dt+∑ m∗(hentrada+
ventrada2
2+gZ )
(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/s2.
z = Distancia o altura, m.
WVC = 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:
Qvc+∑ ( m∗U entrada , 1 )=∑ ( m∗U entrada , 2) (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 combustión (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
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
3
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
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).
4
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)
En la Figura 1.4.2 se muestra un diagrama de la bomba calorimétrica para ilustrar lo
explicado en párrafos anteriores.
5
Figura 1.4.2 Diagrama de la bomba calorimétrica. (Fuente: Universidad Católica del Perú
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).
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).
6
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
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
7
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:
W =H∗m+e1+e2
T(1.4 .3 .1)
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
e2 =es el calor liberado en calorías por combustión del alambre, cal
T = Aumento neto de temperatura, ºC
8
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).
1.5. Sugerencias de funcionamiento
9
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.
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
10
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.
Cuadro 1.5.3.1. Poderes caloríficos de combustibles comunes
Combustible Poder calorífico (kcal/kg)
11
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 y líquidos la conducción se debe a
las colisiones y a la difusión de las moléculas durante su movimiento aleatorio. En los
12
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).
Radiación
13
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).
14
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 FormulaMasa
molar
(g/mol)
Punto de
fusión
(°C)
Punto de
ebullición
(°C)
Toxicidad Densidad
Ácido
Benzoico
C6H5COOH 122,12 121,25 249,2 Vomito,
náuseas
1320
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
16
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 Marca Serie Placa
Bomba calorimétricaParr company-
Moline4764 -
Cronómetro Acusplit - 12654
Indicador de la
bomba calorimétrica
Parr
Company-
Moline
1288 -
Empastilladora - - 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)
18
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
20
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 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 http://www.villalbafosil.com (30 mayo 2012).
4. Garibay, H; Martínez, A. 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
Símbolo Significado Unidades
a Tiempo de la ignición minutos
b Tiempo donde la
Temperatura alcanza el
60% de su valor máximo
minutos
c Tiempo después de la
ignición donde la
Temperatura se mantiene
constante
minutos
c1 centímetros de alambre no
quemados
cm
e corrección por la
combustión del alambre
calorías
H calor de combustión calorías/g
m masa de la muestra g
r razón de cambio de la
Temperatura con el tiempo
°C/min
T diferencia de temperatura °C
U Energía Potencial J
Q Transferencia de calor J
W Energía equivalente del
calorímetro
calorias/°C
Subíndices
29
30
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
(°C)
Tiempo
(s)
Temperatura
(°C)
Tiempo
(s)
Temperatura
(°C)
Tiempo
(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
o
(s)
Temperatu
ra (°C)
Tiemp
o
(s)
Temperatu
ra (°C)
Tiemp
o
(s)
Temperatu
ra (°C)
Tiemp
o
(s)
Temperatu
ra (°C)
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
Ta (°C) 26,96
Tc (°C) 29,36
r1 (°C/min) 0,005
r2 (°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
Ta (°C) 26,22
Tc (°C) 27,58
r1 (°C/min) 0,01
r2 (°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:
e2=(10−4,78 ) cm∗2,3calcm
=12,006 cal(C .1 .1)
C.2 Cálculo del aumento neto de temperatura El aumento neto de la temperatura se obtiene por medio de la ecuación:
T=T C−T a−r1∗(b−a )−r2∗(c−b )(C .2 .1)
T=29,36−26,96−0,005∗(0,53 )−0,004∗(5,87−4,53 )
T=2,40 °C
C.3 Cálculo por la estandarización del calorímetro Por medio de la aplicación de la ecuación siguiente con los datos obtenidos se obtiene:
W =H∗m+e2
TC
(C .3 .1)
Para la corrida del ácido benzoico y tomando H= 6319 cal/g se obtiene que:
W =(6319
calg )∗0,992 g+12,006 cal
2,40 °C
W =2616,86 cal /° C
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.
36
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).
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.
