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Termodinmica II, ILM212 - Prof. Mauricio Osses
Laboratorio 2
Calorimetra
Faustino Correa, Vctor Estrada
Universidad Tcnica Federico Santa Mara
Departamento de Ingeniera Mecnica
04 de Diciembre de 2014
Resumen: El objetivo de estaexperiencia es determinar el poder
calorfico del petrleo disel mediante
un calormetro de bomba de oxigeno
marca PARR modelos 1A1203. Para
lograr esto se realiz un proceso de
combustin entre el combustible y
oxgeno, considerando que el sistema
termodinmico se comporta de manera
adiabtica (no hay transferencia decalor).
Por ltimo se compara con un valor
terico proporcionado de buena fuente
(ministerio de minera de la repblica
de chile) [3], indicando los factoresque hicieron cambiar el resultado.
1.
Introduccin a la teora.
Una aplicacin de gran importancia
para la ingeniera y el mundo entero es
el proceso de combustin. Esteproceso es una reaccin qumica
exgena, es decir, libera energa
durante la reaccin. Para llevar a cabo
la combustin se necesita de un
combustible y comburente (agente
oxidante, generalmente es presente
en el aire, por lo cual se utiliza airepara la combustin. Un caso donde se
utiliza solo oxigeno es para soldaduras
y casos especiales como en este
calormetro). Los productos de una
combustin completa son agua (ya sea
liquida o vapor) y dixido de carbono
. Como en la mayora de los casosse usa aire para la combustin el
nitrgeno atmosfrico se mantiene
inerte y no reacciona con otros
elementos qumicos ms que para
formar pequeas cantidades de xidos
ntricos (esto puede ocurrir por
ejemplo en las mquinas de
combustin internas donde la cmara
alcanza temperaturas muy altas, y una
fraccin del nitrgeno se mezcla con
el oxgeno para producir estos gases).[2].
Los tipos de combustibles son muyvariados, madera, hidrogeno, carbn y
los que importan para esta experiencia
los combustibles hidrocarburos, ms
precisamente el petrleo disel. A
pesar de que en los combustibles
hidrocarburos, y el disel no es la
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excepcin, se trata por simplicidad
como solo uno, en este caso particular
es Dodecano .La combustin no ocurre si solo se
juntan el combustible con elcomburente, antes de ello el
combustible debe alcanzar la
temperatura de ignicin, que
corresponde a la temperatura donde la
combustin no requiere calor externo
para mantener la ignicin. Esta
temperatura es diferente para cada
combustible: 260 [] para la gasolina,400 [] para el carbn, 630 [] parael metano, etc. [2]
Como la combustin es una reaccin
qumica, el balance energtico
contempla energa qumica adems de
las conocidas sensible y latente. Esto
provoca cambios de energa qumica
del sistema, y estos cambios reciben el
nombre de entalpia de reaccin ,que corresponde a la diferencia de
entalpia en el estado especificado de
los productos y la entalpia de los
reactivos en el mismo estado (presin
y temperatura). Para el proceso de
combustin esta diferencia de
entalpias se conoce tambin como
entalpia de combustin yrepresenta el calor liberado durante la
combustin.
= / (1)Un trmino ampliamente usado en
procesos de combustin es el poder
calorfico del combustible, que se
define como la cantidad de calor
liberado cuando el combustible se
quema de manera completa en un
proceso de flujo estacionario y los
productos vuelven al estado de losreactivos.
=||/ (2)
El poder calorfico depende de la fasedel agua en los productos.
-Poder calorfico superior (PCS) es
cuando el en los productos esten forma lquida.
-Poder calorfico inferior (PCI) es
cuando el en los productos esten forma de vapor.
Se relacionan de la siguiente manera:
= +(3)Donde m es la masa del agua de en los productos por unidad de masa
de combustible y es la entalpia devaporizacin del agua a la temperaturaespecificada.
F igura 1.1: El poder calorfico superior de
un combustible es igual a la suma del podercalorfico inferior del combustible y el calor
latente de vaporizacin del H2O en los
productos.
2.
Procedimiento experimental.
Para realizar esta experiencia se utiliza
un calormetro de bomba de oxgeno.
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Esta bomba es desmontable donde se
retira junto a la cubeta para realizar lasrecargas.
El montaje contempla colocar agua
destilada en el vaso calormetro, luegopesar el recipiente que contendr la
muestra de disel, vaco y
posteriormente con la muestra para
determinar su masa.
Para realizar la ignicin dentro de la
cmara se utilizara un alambre deniquelina de 14 [cm].
Luego se coloca 5 [ml] de agua
destilada en la bomba calorimtrica yponer el recipiente con la muestra de
disel en la horquilla de la tapa. El
alambre de niquelina se ubica de
forma tal que parte del este dentro del
recipiente (para poder realizar laignicin).
Luego de esto se tapa la bomba de
forma manual y se introduce oxigeno
hasta una presin de 30 /.Luego colocar la bomba dentro delagua del vaso calormetro. Posicionar
los cables para la medicin de latemperatura.
Luego de esto se deja que el sistema se
estabilice de 2 a 5 minutos. Luego de
este tiempo se lee una temperatura
inicial y se comienza a medir la
temperatura en intervalos de tiempo de
un minuto, para el minuto 5 se entregacorriente elctrica al cable de
niquelina mediante el botn de
ignicin, a partir de aqu se comienza
a realizar las mediciones de
temperatura cada 30 segundos hastallegar al minuto 13.
A partir del minuto 13 se realiza
nuevamente mediciones cada unminuto hasta llegar al minuto 20.
Luego de esto se deja escapa
lentamente el de la bomba abriendola vlvula. Luego de esto se verifica sise llev a cabo la combustin, para
esto se retiran los trozos restantes del
alambre de niquelina y se procede amedirla.
Figura 2.1: Calormetro de bomba de
oxgeno. En el interior se encuentra la bomba
con el recipiente y la muestra rodeada deagua.
Figura 2.2: Bomba de oxigeno insertada
dentro del vaso calormetro, con losmedidores de temperatura instalados.
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Figura 2.3: Parte inferior del calormetro,
donde se le da la corriente elctrica al
alambre de niquelina y suena el temporizador
para recordar que se debe realizar lamedicin de temperatura.
3.
Resultados.
El ensayo se llev a cabo con las
siguientes condiciones ambientales:
-Temperatura: 20 -Presin Atmosfrica: 1018 [milibar]
-Humedad relativa: 48%
El cable de niquelina fue utilizado
para llevar a cabo la ignicin y sus
largos son (contemplando antes y
despus de la combustin):
- = 2,3 /Donde q es la energa que proporciona
el alambre de niquelina por unidad de
longitud.
-Largo inicial: 14 [cm]
-Largo final: 3,2 [cm]
-Largo incinerado: 10,8 [cm]
Las masas del recipiente y de lamuestra son:
-recipiente: 11,627 [g]
-recipiente + muestra: 12,647 [g]
-Muestra: 1,02 [g]
Posteriormente se muestra lastemperaturas registradas:
Tiempo [minutos] Temperatura []1,0 22,86
2,0 22,82
3,0 22,81
4,0 22,77
5,0 22,79
5,5 23,22
6,0 24,49
6,5 25,23
7,0 25,66
7,5 25,86
8,0 25,95
8,5 25,96
9,0 26,11
9,5 26,09
10,0 26,0610,5 26,03
11,0 25,99
11,5 26,03
12,0 26,01
12,5 25,98
13,0 25,94
13,5 25,99
14,0 25,97
15,0 25,93
16,0 25,93
17,0 25,8818,0 25,92
19,0 25,88
20,0 25,85Tabla 1: tabla que indica las temperaturasmedidas en los tiempos especificados, la
temperatura mxima se registr en el minuto
9.
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Figura 3.1: medidor de temperatura usadoen esta experiencia.
Para poder determinar el poder
calorfico el proveedor del calormetroentrega la siguiente frmula:
= (4)Donde es el poder calorfico ysus unidades son [kJ/kg], m es la masade la muestra, K es una constante:
= 13175 Donde es el calor que necesita lacombustin para realizarse, hasta quellega al punto de autoignicin:
= + (5)Donde para efectos prcticos se
desprecia el calor liberado por los
cidos ya que estos son solo el 8%
dentro del cable.
= 10,8 2,3 [] 4,186
= 104
Y corresponde a unatemperatura corregida y est definidacomo:
= + (+ ) 6
Donde:
= diferencia de temperaturaalcanzada.
= temperatura mxima alcanzada enla combustin.
= temperatura del agua en elmomento de la ignicin.
= incremento de temperatura en elperiodo final. []= incremento de temperatura en el
periodo inicial. []= duracin del periodo principal.[Min]
F= factor constante de correccin de
temperatura que depende del
combustible.
F = 1 si t6-t5 > t7-t6
F = 1,25 si t6-t5 = t7-t6
F = 1,5 si t6-t5
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Con estos valores llegamos a =3,4185 . Con esto se llega a:= 44054 /
Dejndolo expresado en Kcal, queda:
= 10524 /o equivalentemente:
= 10524 /4.
Anlisis y conclusiones.
Se tiene que el principal objetivo de
esta experiencia era mediante el
calormetro de bomba de oxigenoobtener el poder calorfico producido
por la combustin del combustible,
que para este caso es el petrleodisel.
Principalmente se tiene que el poder
calorfico va a depender del largo
incinerado del cable de niquelina, ya
que este influye en la frmula para
calcular el poder calorfico superiordel combustible, y es porque
proporciona el calor para iniciar la
ignicin (Esto se encuentra en la gua
Calormetro entregada por elencargado de laboratorio).
Se tiene que el valor terico promedio
del poder calorfico es [3]:
= 13100
Comparando este valor con el valor
puesto en resultados se ve unaclara diferencia que bsicamente se
debe al intercambio de calor entre la
cmara de combustin lo que produce
cambios en las energas de
combustin. Como se ve el esmenor que el obtenido en la
experiencia, y esto se debe a lo dicho
anteriormente, bueno y tambin afecta
en las condiciones en la cuales se
realiz la experiencia. Pero siendo el
mismo combustible se deberan haber
obtenido el casi el mismo valor de
poder calorfico. Entonces lo que
puede haber cambiado es la
composicin del combustible, ya que
pueden haber tenidos tratamientos
distintos y/o agregado otros elementos
que puedan haber producido uncambio en la energa producida.
El error porcentual con respecto a es:
% = 19,66%Tenemos que las posibles fuentes de
error principalmente se deben a la
transferencia de calor entre el sistema
termodinmico y el medio ambiente.
Ya que uno hace el supuesto de que el
modelo se comporta adiabticamente,cosa que en la vida real nunca se
cumple.
Otro punto importante es que si la
combustin se realiz de manera
completa/incompleta. Para llegar a
tener combustin completa se necesita
ingresar la cantidad de oxgeno
suficiente y por obviedad se puede
concluir que para combustinincompleta la cantidad de oxgeno
ingresado no fue el suficiente, pero no
siempre es as. Tambin se produce
cuando existe exceso de oxgeno, esto
puede atribuirse al mezclado
insuficiente que se produce en la
cmara de combustin durante el
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tiempo en que el oxgeno y elcombustible estn en contacto.
Otra diferencia es que el disel se
puede modelar como Dodecano, pero
no indica que este sea el nicocomponente, ya que es una mezcla dehidrocarburos.
El poder calorfico del disel es
similar a la parafina y a la gasolina. Y
superior al carbn e inferior alacetileno y metano.
5.
Referencias.
-[1] ENGEL & BOLES.Termodinmica. Sptima edicin [versin
digital], p.771-784. [Consulta: 01-Dic.-2014].
-[2] Definicin y caractersticas de la
temperatura de ignicin. Disponible en:
-[3] Poder calorfico del Disel.
Publicado en el diario oficial de la
repblica de chile con fecha de mircoles1 de Julio del 2009. Disponible en:
