FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL LABORATORIO DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Y DE TRANSPORTE

2015721

Octubre 13 de 2015 Grupo 4

Nombres: Jerson Stever Bejarano Santos 25492380 Natalia Linares Devia 25492531 Natalia León Patiño 25492521

INFORME PRÁCTICA B3: CALOR DE COMBUSTIÓN 1. RESUMEN En esta práctica, se determinó el calor de combustión de 2 compuestos diferentes (sacarosa y diesel) teniendo como referencia una sustancia patrón que fue ácido benzoico. Se realizó la combustión controlada de la sustancia patrón dentro del calorímetro y así se determinó la constante del mismo que resultó ser . Con la constante se determinó el calor de combustión de las 2 sustancias, también realizando la combustión controlada de los mismos en el calorímetro, encontrando valores de para la sacarosa y para el diesel; con errores del 9,23% y 8,94% respectivamente.

2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL

Determinar el calor normal de combustión de una sustancia orgánica (sacarosa) y el poder calorífico de un combustible (diésel) mediante una bomba calorimétrica. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar la calibración del calorímetro, determinando el calor de combustión de una sustancia de referencia, en este caso, el ácido benzoico.

Formular el balance de energía correcto sobre el sistema para la determinación del calor de combustión.

Operar adecuadamente el calorímetro (adiabático, isocórico) y todas las partes que lo componen.

3. INTRODUCCIÓN La entalpia estándar de combustión de una sustancia se define como el cambio de entalpia que acompaña a un proceso en el cual una sustancia dada experimenta una reacción con el oxígeno para formar productos de combustión especificados estando todos los reactivos y productos en sus

estados estándar correspondientes a la temperatura dada. Así, la entalpia estándar de combustión

del ácido benzoico a 298,15 °K es para el proceso [1]

.

(1)

La entalpia estándar de combustión se puede calcular a partir de la elevación de temperatura resultante de la combustión que ocurre en un calorímetro con condiciones adiabáticas. Es de suma importancia que la reacción en el calorímetro se efectué totalmente y de forma rápida. Para este propósito el material se quema en una bomba de acero con oxígeno, a una presión de unas 25 atm. La bomba se construye con una aleación especial resistente a los ácidos, debido a que en la reacción se producen agua y ácidos. Se debe tener en cuenta que el proceso en realidad que ocurre en el calorímetro, no corresponde exactamente al de la ecuación (1). En el proceso calorimétrico real, las temperaturas inicial y final son desiguales y los reactivos y productos no están es sus estados estándar.

Para calcular la constante del calorímetro, usando la primera ley de la termodinámica y un balance de energía, se encuentra la ecuación 2.

La entalpía de combustión del ácido benzoico es -3231,500 y de allí, con todos los demás datos, se halla K. Con ese dato, es posible calcular los calores de combustión de la sacarosa y del diesel.

4. METODOLOGÍA

4.1 Materiales y reactivos

Balanza analítica Calorímetro Bomba calorimétrica Vaso de precipitado de 2000 mL Espátula Vidrio de reloj Probeta de 1000 mL

Ácido benzoico (99,9%) Sacarosa (99,9%) Diésel B10 Agua Oxígeno Alambre de hierro

4.2 Montaje

Figura 1. Calorímetro de bomba (diseño Parr)

Figura 2. Bomba Parr de una válvula

El sistema se compone de:

Una bomba calorimétrica adiabática de ignición. Un tanque de oxígeno.

4.3 Procedimiento:

Tomar entre 0,7 y 1,3 gramos de ácido

benzoico

Formar una pastilla fuerte y manejable de ácido benzoico

Introducir la pastilla en un crisol

(cápsula) y pesar

Colocar la cápsula con la pastilla

dentro de la bomba

Con un alambre, unir los terminales de la bomba con la pastilla. El alambre toca la sup. de la

pastilla

Cerrar la bomba y conectar la válvula

de oxígeno

Abrir la válvula entre 10 y 15 atm para purgar la bomba

Abrir válvula de expulsión de la

bomba para extraer el oxígeno

Suministrar oxígeno a la bomba a 25 atm

Calentar agua entre 25 y 30ºC e

introducirla al tanque

Introducir la bomba al tanque con

cuidado

Acondicionar el equipo de manera

correcta y encender agitación

Variar la T de la chaqueta con el fin de que sea igual a

la del baño termoestático

Cuando haya eq entre las T, oprimir "inginiton" por 3 seg

Tomar datos de T cada 15 seg

verificando que esten en eq

Cuando no haya gran diferencia

entre las T apagar el equipo y retirar

bomba

Extraer todo el oxígeno de la

bomba

Abrir cuidadosamente la

bomba y sacar cápsula

Extraer residuos de alambre y pesarlos

Si hay presencia de hollín se debe

repetir el procedimiento

Limpiar bomba y repetir el

procedimiento para las otras sustancias

5. TABLAS DE DATOS Tabla 1. Pesos reportados para las sustancias.

Ácido

Benzoico Sacarosa Diesel

Cantidad pesada pesado (g) 0,9699 0,9777 0,7782

Crisol Vacio (g) 11,8754 9,5429 10,6853

Pastilla (g) 0,8168 0,7816

Alambre (g) 0,0134 0,0143 0,0111

Crisol después de combustión (g) 11,8754 9,5464 10,6856

Crisol + Alambre (g) 11,8789 9,5517 10,6879

Tabla 2. Combustión de ácido benzoico.

Tiempo(s) T1 (°C) T2 (°C)

1 15 25,86 25,9

2 30 26,1 25,9

3 45 26,2 25,9

4 60 26,22 26,3

5 75 26,4 26,3

6 90 26,7 26,5

7 105 27 26,5

8 120 27,2 26,5

9 135 27,4 27,4

10 150 27,6 27,4

11 165 27,66 27,7

12 180 27,9 27,7

13 195 28 28

14 210 28,1 28

15 225 28,14 28

16 240 28,2 28,3

17 255 28,24 28,3

18 270 28,3 28,3

19 285 28,32 28,3

20 300 28,36 28,4

21 315 28,38 28,4

22 330 28,4 28,4

23 345 28,42 28,4

24 360 28,44 28,4

25 375 28,46 28,4

26 390 28,48 28,5

27 405 28,48 28,5

28 420 28,48 28,5

Tabla 3. Combustión de sacarosa.

Tiempo(s) T 1 (°C) T2 (°C)

1 15 24,9 25

2 30 25,1 25

3 45 25,2 26

4 60 25,3 27

5 75 25,45 26,5

6 90 25,6 26

7 105 25,6 25,6

8 120 25,8 25,5

9 135 25,8 25,4

10 150 26 25,5

11 165 26,1 25,9

12 180 26,12 25,9

13 195 26,18 26

14 210 26,2 26,2

15 225 26,28 26,2

16 240 26,3 26,2

17 255 26,35 26,2

18 270 26,38 26,3

19 285 26,38 26,4

20 300 26,4 26,4

21 315 26,4 26,5

22 330 26,42 26,5

23 345 26,46 26,5

24 360 26,46 26,5

25 375 26,46 26,5

26 390 26,48 26,5

27 405 26,48 26,5

28 420 26,48 26,5

Tabla 4. Combustión de Diesel

Tiempo(s) T1 (°C) T2 (°C)

1 15 24,5 24,6

2 30 25 24,6

3 45 25,2 24,6

4 60 25,5 25,5

5 75 26 26

6 90 26,4 26,4

7 105 26,8 26,8

8 120 27,2 27,2

9 135 27,5 27,3

10 150 27,8 27,5

11 165 27,9 28

12 180 28,1 28

13 195 28,2 28,3

14 210 28,3 28,3

15 225 28,38 28,3

16 240 28,46 28,5

17 255 28,5 28,5

18 270 28,56 28,5

19 285 28,6 28,6

20 300 28,6 28,6

21 315 28,62 28,6

22 330 28,66 28,6

23 345 28,68 28,6

24 360 28,7 28,7

25 375 28,72 28,8

26 390 28,72 28,8

27 405 28,72 28,8

28 420 28,72 28,8

6. MUESTRA DE CÁLCULOS

Para poder ejecutar la ecuación 2, es necesario conocer la cantidad de moles de componentes gaseosos que cambiaron en el sistema.

En este caso se resolverá para la combustión del ácido benzoico. Las reacciones que ocurren durante la combustión son las que se presentan a continuación:

Para las ecuaciones 3 y 4, es -0,5 y -1,5 respectivamente.

Las moles iniciales, se calculan con la ecuación de gases; pero teniendo en cuenta que estos gases no son ideales, es necesario introducir el factor de compresibilidad. Para hallar el factor de compresibilidad, se usará la ecuación de Peng-Robinson que se deriva de la ecuación cúbica genérica.

Ecuación 5. Ecuación cúbica genérica.

Parámetros de la ecuación de Peng Robinson

Los datos para el oxígeno son

Imagen 3. Propiedades de oxígeno.

Con esta información es posible calcular el factor de compresibilidad, el cual se calculará con la ayuda de una herramienta programada en Excel ®. El programa determina las temperaturas y presiones reducidas; encuentra los parámetros de la ecuación de Peng Robinson y resuelve la ecuación cúbica para encontrar el volumen. Dado que es una ecuación cúbica, encuentra 3 valores para el volumen, pero en este caso solo es relevante el mayor, ya que es el del gas. Con esta información, se usa la ecuación de los gases para hallar z.

Teniendo en cuenta que el oxígeno estaba a 25 atm y 294,15K, los volúmenes encontrados con la ecuación de Peng-Robinson fueron los reportados en la imagen 4, y el factor de compresibilidad así, fue 0,9775.

Imagen 4. Datos obtenidos con aplicación en Excel.

Teniendo el factor de compresibilidad y el volumen de la bomba que es 0,35L es posible determinar las moles de oxígeno iniciales.

Las moles finales se determinan como sigue:

Las moles de ácido benzoico que se tenían al comienzo, se consiguen dividiendo la masa, entre el peso molecular, y a partir de éstas moles, estequiométricamente se obtienen las moles de los productos. Así mismo para la reacción de hierro; teniendo en cuenta que no se quemó todo el alambre, se harán los cálculos con la masa real que reaccionó de alambre.

Para poder utilizar la ecuación del balance de energía, se debe encontrar la entalpía de combustión del ácido benzoico a la temperatura de trabajo del laboratorio. Para ello se usa la ecuación de Watson, que permite conocer el cambio de entalpía en una temperatura diferente a la estándar

[2,pp 134].

Donde . Teniendo en cuenta que la temperatura crítica del ácido benzoico

es 751K, se encuentra que la entalpía de combustión a 21°C es -3242,32 KJ/mol

Así, conociendo que la longitud del alambre usado en los 3 experimentos fue de 8 cm, y que el calor que requiere el alambre para la combustión es de -9,62 , es posible determinar la constante del calorímetro.

Así, para las otras 2 sustancias, se despeja el calor de combustión de la ecuación.

7. TABLA Y ANALISIS DE RESULTADOS

A continuación se muestra el termograma, donde se encuentra gráficamente la temperatura de cada combustión a medida que avanza el tiempo.

Gráfica 1. Termograma de las combustiones.

Como se aprecia en la gráfica 1, la reacción de combustión de Diesel es más exotérmica que cualquiera de las otras 2. Si se tiene en cuenta que la temperatura inicial del sistema en la reacción del diesel fue menor a la temperatura inicial de las otras 2 reacciones, se aprecia que la diferencia de calor expulsado al sistema, es mayor del que se ve a simple vista.

Es claro suponer que la combustión del diesel genere más calor que las demás, pues el diesel es una mezcla de hidrocarburos, y los enlaces entre este tipo de moléculas contienen mucha energía. La sacarosa le sigue, pues es un dímero de glucosa-fructosa, cuyos enlaces también son de alta energía, pero dada la configuración cíclica de los compuestos, los enlaces no son tan energéticos. Por último es correcto decir que se encuentra el ácido benzoico, pues la hibridación de los carbonos dentro del benceno (sp2 –sp2), hace que la energía entre los mismos sea menor a los enlaces de los 2 compuestos anteriores (sp3-sp3).

7.1 Determinación constante del calorímetro

Al realizar los cálculos pertinentes, los cuales se enseñan en la muestra de cálculos, se encuentra que la constante del calorímetro es:

Esta constante es la masa de todos los componentes multiplicada por su calor específico. Aquí se considera también la masa de agua y los elementos que pudieron absorber el calor dentro del calorímetro.

24

24,5

25

25,5

26

26,5

27

27,5

28

28,5

29

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Tem

pe

ratu

ra

Tiempo

Termograma

Ácido Benzoico Sacarosa Diesel

Dado que no hay un valor de referencia para saber si el valor encontrado es preciso o no, con los calores de combustión de las otras 2 sustancias se determinara si el valor encontrado es correcto o no.

7.2 Determinación calor de combustión de Sacarosa

La reacción que describe la combustión de la sacarosa es la que sigue:

Realizando los mismos cálculos que se utilizaron en el numeral 7.1, se encontró el cambio de moles gaseosas totales del sistema. Dado que en la reacción 6 las moles de dióxido que se producen son las mismas de oxígeno que se gastan, solo se tiene en cuenta la reacción 2 que es la que tiene en cuenta la combustión del hierro.

Y así, se encontró que el calor de combustión de la sacarosa a 21°C es:

Para determinar la entalpía de combustión a 298,15K y poder compararla con la entalpía reportada en la literatura, se usó de nuevo la ecuación de Watson; así la entalpía de combustión de referencia experimental fue:

Según la literatura, la entalpía de formación de la sacarosa a 298,15 K es -2221,8

[1]; a

partir de este dato y conociendo las entalpías de formación del dióxido de carbono y del agua, es posible determinar la entalpía de combustión.

Así, se encentra que la entalpía de combustión de la sacarosa es de -5644 , obteniendo un error de 9,23%.

Este porcentaje de error pudo deberse a diferentes factores: Suponer que el calorímetro es totalmente adiabático puede incurrir en error, y así se sobreestimó el valor real de la combustión; así, la constante del calorímetro hallada con los datos obtenidos a partir de la combustión del ácido benzoico estaría subestimada.

También es importante recalcar que mantener el sistema a la misma temperatura adentro y afuera es bastante complicado, pues el cambio al agregar agua fría o caliente en la chaqueta no se notaba de inmediato, así que fácilmente la temperatura podía subir considerablemente en un intervalo de tiempo muy cerrado.

7.3 Determinación calor de combustión del Diesel

El diesel o gasóleo es una mezcla de hidrocarburos. Para efectos prácticos, se considerará la formula general de este compuesto como

[3]. Así, la reacción que describe la combustión del

diesel, se describe en la ecuación 7.

Así, con las mismas ecuaciones de los numerales anteriores, se encuentran los siguientes datos:

Con lo anterior, la entalpía de combustión del diesel a 21°C fue:

Dado que la entalpía para combustibles está dada por unidad de masa, la entalpía es:

A partir de la ecuación de Watson, se encontró la entalpía de combustión a 298,15K:

Según literatura, el calor de combustión del diesel a temperatura estándar es de 43,1 [4]

; lo que implica un error del 8,94%

De nuevo, el error encontrado en el calor de combustión, pudo deberse a la suposición de sistema adiabático totalmente o a la dificulta presentada a la hora de mantener el sistema a la misma temperatura. Este último factor en esta reacción pudo haber pesado más, ya que los cambios de temperatura fueron mayores, y ocurrieron en un tiempo menor, así que mantener estabilidad fue mucho más complicado.

8. CONCLUSIONES

A partir de los resultados obtenidos en la práctica se puede concluir que:

La constante del calorímetro, que es la cantidad de energía que éste almacena por unidad de temperatura es

El calor de combustión de la sacarosa es , con un error del 9,23% y para el diesel es de , con un error del 8,94%.

El diesel es una sustancia cuya combustión es mucho más exotérmica que la combustión de la sacarosa o el pacido benzoico.

Aunque es probable que el calorímetro no sea totalmente adiabático, es un buen intermediario para obtener los calores de combustión de sustancias.

9. RECOMENDACIONES

Para realizar la práctica de una manera eficiente y sin problemas, se sugiere:

A la hora de pesar los compuestos sólidos para hacer la pastilla, y así lograr la combustión de todo el reactivo, pesar más de lo necesario, pues se puede perder reactivo por el golpeteo.

Tener cuidado al poner la pastilla en el crisol, pues ésta se puede fraccionar y tal vez la chispa de ignición no llegue a todo el reactivo.

Ser cuidadoso con la válvula que regula el flujo de oxígeno, pues es probable que se averíe si se usa inadecuadamente.

Procurar que el agua en la que se coloca la bomba calorimétrica y la que se encuentra en el calorímetro estén a la misma temperatura cuando se monte el sistema.

Tener especial cuidado con el calorímetro y sus componentes, sobre todo los termómetros. Asegurarse de haber seguido todos los pasos tanto para abrirlo, como para cerrarlo.

Aunque lograr que ambas temperaturas sean iguales es bastante difícil, se puede regular mejor la temperatura si: Cuando haya necesidad de subir la temperatura se use el flujo reducido de agua caliente; y si por el contrario se necesita bajar, se use el flujo alto de agua fría.

Al abrir la bomba calorimétrica, hacerlo en la campana de extracción, pues en la combustión se generaron gases que podrían perjudicar la salud del operador.

10. COSTOS

Los costos de ésta práctica se utilizaron los equipos anteriormente descritos. Los precios se anexan a continuación:

Una bomba calorimétrica adiabática con sistema de ignición, cuyo costo es de $1 800 US [5]

. Un tanque de oxígeno, cuyo precio es de $60 717 COP

[6].

Teniendo en cuenta que el precio del dólar es de $2 875,74 COP [7]

, el costo total en cuanto a equipos fue $5’ 237 049 COP.

En cuanto a reactivos se usó:

0,8168 g de ácido benzoico, en polvo, cuyo costo es de $46 084 COP por cada 250g [8]

. 0,7816 g de sacarosa, cuyo costo es de $450 COP por cada 500g 0,7782 g de Diesel, lo que equivale a 0,9353 mL, cuyo costo es $4 644,3 COP por galón

[9].

0,0388 g de alambre de hierro, cuyo precio es €8,62 por cada 5 Kg [10]

.

Teniendo en cuenta que el precio del euro es de $3 251.67 COP [11]

, el total de costos en cuento a reactivos se refiere fue de $152,63 COP. Así el total de costo, sin contar electricidad, fue de $5’ 237 201,63 COP. 11. BIBLIOGRAFÍA

[1] Vanegas A., Velásquez J.A., Quintana G.C. Termodinámica experimental. Primera edición. Editorial Universidad Pontificia Bolivariana. Medellín, Colombia, 2013.

[2] Smith J.M; Van Ness H.C; Abbott M.M. Introducción a la termodinámica en ingeniería química. Sexta edición. Editorial McGraw Hill. México. 2003.

[3] Agency for Toxic Substances and Disease Registry. Toxicological profile for fuel oils. Atlanta, USA. 1995. Pp. 105-109.

[4] Join Research Center.

[5] Bomba calorimétrica de oxígeno. Obtenido el día 11 de octubre de 2015 de spanish.alibaba.com/p-detail/Calor%C3%ADmetro-de-bomba-de-ox%C3%ADgeno-300000433967.html?spm=a2700.7725975.35.1.gANDI3

[6] Tanque de oxígeno industrial. Obtenido el día 11 de octubre de 2015 de articulo.mercadolibre.com.mx/MLM-513826423-oxigeno-industrial-infra-recarga-a-tanque-cilindro-6m-oximex-_JM.

[7] Precio del dólar hoy. Obtenido el día 11 de octubre de 2015 de dolar.wilkinsonpc.com.co/

[8] Universidad Autónoma de México. Catálogo de material de laboratorio. Obtenido el día 11 de octubre de 2015 de www.quimica.unam.mx/IMG/pdf/catalogoreactivos.pdf

[9] Indexmundi. Diesel precio mensual – Peso colombiano por galón. Obtenido el día 11 de octubre de 2015 de www.indexmundi.com/es/precios-de-mercado/?mercancia=diesel&moneda=cop

[10] Solostocks. Alambre galvanizado por 5Kg. Obtenido el día 11 de octubre de 2015 de www.solostocks.com/venta-productos/alambre-galvanizado_b

[11] Euro para peso colombiano. Obtenido el día 11 de octubre de 2015 de eur.es.fxexchangerate.com/cop/