Heat of combustion Calor de combustión

Heat of combustion

Calor de combustión

ABSTRACT

In this practice, data from temperature vs. time were collected from a calorimetric experiment in order to determine the heat of combustion of sucrose and biodiesel. The heat absorbed by the calorimeter was determined using benzoic acid as a pattern. The results were coherent with the expected data: a higher combustion heat was obtained with the biodiesel. The exactitude of the results for sucrose is quite good (only a 6,88% error was found). For the biodiesel, further composition analysis must be done in order to determine the exactitude of the result.

Keywords: Heat of combustión, calorific power, energy balance, calorimetry.

RESUMEN

En esta práctica se recolectaron datos de temperatura vs. Tiempo para un experimento de calorimetría para determinar el calor de combustión de la sacarosa y biodiesel de palma. El calor absorbido por el calorímetro fue determinado utilizando un patrón de ácido benzoico. Los resultados fueron coherentes con los esperados: un mayor calor de combustión fue obtenido para el biodiesel. La exactitud de los resultados para la sacarosa fue bastante buena (sólo un 6,88% de error fue encontrado), Para el biodiesel se necesita hacer un mayor análisis sobre su composición para determinar el error del resultado.

Palabras clave: Calor de combustión, poder calorífico, balance de energía, calorimetría.

Objetivo General

Determinar el calor de combustión de un carbohidrato  (sacarosa) y un combustible líquido (biodiesel) mediante calorimetría.

Objetivos específicos

• Comparar los valores obtenidos de calor de combustión  de los compuestos utilizados en la práctica, con aquellos que se encuentran en la literatura.
• Calcular la constante del calorímetro utilizando un patrón de ácido benzoico.
• Analizar aspectos que influyen en la determinación experimental del calor de combustión y verificar la validez de las asunciones hechas en los modelos termodinámicos utilizados.

Fundamento teórico

El proceso de combustión es quizás el proceso térmico de mayor importancia dadas sus amplias aplicaciones. La combustión abarca desde procesos de respiración celular hasta la producción de energía a partir de combustibles fósiles. Es de gran utilidad, por lo tanto, el estudio de la combustión para conocer la cantidad de energía que puede se puede aprovechar a partir una sustancia pura o una mezcla, y  a la vez para estudiar procesos de combustión no controlada, aspecto fundamental para la seguridad industrial.

El calor de combustión  se refiere a la cantidad de energía liberada cuando un compuesto es sometido a la combustión completa con oxígeno bajo condiciones estándar. En el mismo orden de ideas, un combustible es una sustancia capaz de liberar energía al reaccionar con oxígeno, lo cual implica una transformación de energía potencial (energía de enlace) a un tipo de energía que sea aprovechable directamente, ya sea térmica o mecánica (en el caso de motores térmicos) (Brown, 2007). [pic 2]

Este tipo de transformación genera como productos dióxido de carbono y agua, aunque el monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y azufre pueden también ser productos dependiendo de las condiciones de combustión y la composición inicial del material combustible.  Una combustión completa se logra con gran cantidad de oxígeno.  

Se habla del calor de combustión normal o estándar, cuando se realiza a una temperatura de 25ºC (298,5 K). El calor de combustión es negativo, lo que significa que sale del sistema donde ocurre la reacción; sin embargo, si se toma como punto de referencia los alrededores, este calor será positivo ya que se recibe; de allí nace el concepto de poder calorífico. Dependiendo del estado físico del agua que se obtenga se nombra el poder calorífico: si el agua producida es líquida se tiene un poder calorífico superior (PCS), e inferior (PCI) si el  agua se produce en estado de vapor. Estos valores están reportados para algunas sustancias que son incombustibles, lo cual es posible a través de la ley de Hess y las reacciones intermedias que permiten llegar a la ecuación deseada.

La calorimetría es el método más usado para la determinación experimental de calores de combustión. Este método emplea un calorímetro, un equipo con las características para medir el calor entregado o recibido a un cuerpo. (Ver Figura 5).  Experimentalmente, por facilidad y costos de los equipos se utiliza un calorímetro adiabático usando una chaqueta, la cual consiste en dos cilindros concéntricos con espacio entre ellos para llenarlo con agua, a la cual se le puede variar la temperatura como se desee. En el calorímetro adiabático la temperatura de la chaqueta se modifica de tal modo que se mantenga igual a la del cubo, y así se garantiza que no haya transferencia de calor debido a la inexistencia de un gradiente de temperatura.

La reacción de combustión se lleva a cabo en la bomba calorimétrica ilustrada en la figura 6;  a grandes rasgos esta bomba es un cilindro metálico provisto de un sistema que permite el paso de energía eléctrica para la ignición y el llenado con oxígeno y va sumergido en el calorímetro. Alrededor de esto va la chaqueta para garantizar la adiabaticidad.

En la bomba calorimétrica ocurren dos reacciones:

[pic 3]

[pic 4]

Donde la combustión se lleva a cabo completamente. Así, el balance de energía a volumen constante, considerando solamente la masa reactiva en el calorímetro es:

[pic 5]

[pic 6]

Donde los subíndices 1 y 2 representan la presión y temperatura antes y después de la reacción, respectivamente. Dado que se trabaja con un exceso de oxígeno para asegurar que se dé la combustión completa, la presión dentro de la bomba calorimétrica es alta (25 atm). Por lo tanto, para el cálculo de la energía interna de los gases se considera un comportamiento real. Esto implica incluir el cálculo de propiedades residuales en el balance de energía:

[pic 7]

Este balance de energía, incluyendo ahora el cambio de energía interna del  medio calorimétrico se expresa de la siguiente manera:

[pic 8]

El desarrollo de esta expresión se encuentra en el Anexo 2. Con base en este balance, y el cambio de temperatura registrado experimentalmente, es posible hallar el calor de combustión.  

Procedimiento experimental

Preparación de la muestra

[pic 9]Figura 1. Preparación de la muestra.

Acondicionamiento de la bomba calorimétrica

[pic 10]

Figura 2. Acondicionamiento de la bomba calorimétrica.

Medición del calor de combustión

[pic 11]

Figura 3. Medición del calor de combustión.

Procedimiento después de la combustión

[pic 12]Figura 4. Procedimiento después de la combustión.

Diagrama del equipo

[pic 13]

[pic 14]

Figura 5. Montaje experimental del Calorímetro.

[pic 15]

[pic 16]

Figura 6. Bomba calorimétrica.

Muestra de cálculos

Para los cálculos a continuación se asume que la oxidación de hierro será la misma en todos los ensayos. El calor de oxidación por mol de hierro corresponde a:

[pic 17]

[pic 18]

El calor de formación de cada sustancia se encuentra en la tabla B.1 de [6]. La temperatura para la determinación de estos valores es 25°C. Así:

[pic 19]

[pic 20]

Cálculo de la constante del calorímetro

Para realizar los cálculos a continuación, se utilizaron los siguientes valores de Cv para cada sustancia, los cuales se asumieron constantes para el intervalo de temperaturas trabajado:

        0,6636 J/g K[pic 21]

        0,6799 J/g K[pic 22]

4,5210 J/g K[pic 23]

        0,4740 J/g K[pic 24]

0,6414 J/g K        [pic 25]

Estos valores fueron hallados con el software Aspen Properties, utilizando el método ‘solids’ para el óxido de hierro, hierro metálico; y el método de Peng-Robinson para las sustancias gaseosas y líquidas.

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