TEMA:El poder calorífico de una muestra de gasolina súper, cálculo de la variación de temperatura, entalpia y trabajo mediante integrales.

OBJETIVOS GENERAL

Conocer cuál es el poder calorífico superior de una muestra de gasolina súper.

Específicos Conocer el incremento de temperatura que origina la combustión en la celda

de medición del calorímetro mediante el uso de integrales. Determinar el trabajo y la entalpia utilizando integrales de línea.

MARCO TEÓRICO

Poder Calorífico de un Combustible El Poder Calorífico de un combustible es la máxima cantidad de calor que se puede obtener de él cuando se quema en forma completa y sus productos son enfriados hasta la temperatura original de la mezcla aire-combustible. Entre los productos de la combustión está presente vapor de agua, el cual, dependiendo de la temperatura de los productos, puede permanecer como vapor, puede condensar parcialmente o condensar completamente. Como el vapor al condensar libera calor, mientras más condensado se forme mayor calor se estará obteniendo del combustible. Esto permite diferenciar entre Poder Calorífico Inferior y Poder Calorífico Superior. Poder Calorífico Inferior Indica la cantidad de calor que puede proporcionar el combustible cuando toda el agua en los productos permanece como vapor.

Poder Calorífico Superior Refleja el calor que puede liberar el combustible cuando toda el agua en los productos se condensa.

Capacidad Calorífica del combustible o Poder calorífico del combustible.-Es la cantidad de calor que entrega un kilogramo o un metro cúbico de combustible al oxidarse en forma completa. Las unidades utilizadas son:

CALOR DE REACCIÓN

Cantidad de calorías liberadas o absorbidas al reaccionar una mol de reactivo o formar una mol de producto, el calor de reacción puede tener nombres específicos, así:

Calor de FormaciónCantidad de calorías liberadas o absorbidas por mol de compuesto formado apartir de sus elementos constitutivos. Calor de neutralizaciónCantidad de calorías liberadas o absorbidas por mol de ácido o base Neutralizada. Calor de diluciónCantidad de calorías liberadas o absorbidas por mol de sustancia disuelta.

Calor de combustión.-Cantidad de calorías liberadas por mol de combustible combustionado.

Recuerde que toda reacción de combustión es exotérmica y por tanto su calor será positivo o su entalpia negativa, este calor es más común expresarlo como capacidad calorífica de un combustible.

Ley de enfriamiento de Newton

Cuando existe transferencia de energía bajo la forma de calor entre el calorímetro y su entorno, vale la ley de Newton (llamada de enfriamiento). Para que este proceso tenga lugar, debe existir entre el sistema y su entorno una diferencia de temperatura.

Aquí T(t) es la temperatura del sistema al tiempo T, dt es el intervalo de tiempo donde se realiza la observación y k es una constante característica del sistema en estudio, que debe ser evaluada experimentalmente para cada equipo. En el marco de este ecuación, si T>Ta, el calor transferido se considera positivo si el flujo de calor va desde el calorímetro hacia el entorno. La cantidad de calor transferida se debe evaluar considerando la integral

Esta cantidad de calor se traduce en una diferencia entre las temperaturas medidas respecto a las esperables para un calorímetro idealmente adiabático. Llamemos ∆θ a esta diferencia.

∆θ debe sumársele con su signo al incremento de temperatura leído para obtener el incremento corregido, de manera que

Una forma muy práctica de medir el poder calorífico de una muestra de combustible es utilizando una bomba calorimétrica

Bomba Calorimétrica

El análisis Térmico engloba al conjunto de técnicas analíticas que estudian el comportamiento térmico de los materiales. Cuando un material es calentado o enfriado, su estructura y su composición química sufren cambios: fusión, solidificación, cristalización, oxidación, descomposición, transición, expansión, etc... Estas transformaciones se pueden medir estudiar y analizar midiendo la variación de distintas propiedades de la materia en función de la temperatura.

La bomba calorimétrica permite la determinación del poder calorífico específico de una muestra de combustible, llevando a cabo su combustión en atmósfera de oxígeno. Para ello es necesario conocer la capacidad calorífica del sistema, la masa de muestra y el incremento de temperatura que origina la combustión en la celda de medición del calorímetro. En ocasiones es necesario corregir el valor de poder calorífico mediante la determinación de la denominada energía de extraños, en la que intervienen los medios de ignición, las sustancias auxiliares a la combustión y la formación y disolución de ácidos nítrico y sulfúrico, que pueden ser cuantificados mediante valoración o conociendo el análisis elemental de la muestra.

En el interior de la bomba se encuentra la cápsula dentro de la cual se pone un peso determinado de la sustancia que se va a quemar y un alambre de ignición (aleación de níquel-cobre) el cual sirve para hacer la conexión de los electrodos con la pastilla. 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.

Debe tomarse como norma dar salida al gas inmediatamente después de realizado el ensayo; es decir, la bomba no debe estar bajo presión más que el tiempo absolutamente indispensable.

En un proceso ideal se cumplirá que:

Calor liberado por el combustible = al calor ganado por el agua

ENTALPÍALa Entalpía es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción. En un cambio de fase, por ejemplo de líquido a gas, el cambio de entalpía del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporización. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante. El término de entalpía fue acuñado por el físico alemán Rudolf J.E. Clausius en 1850. Matemáticamente, la entalpía H es igual a U + pV, donde U es la energía interna, p es la presión y V es el volumen. H se mide en julios.H = U + pVCuando un sistema pasa desde unas condiciones iniciales hasta otras finales, se mide el cambio de entalpía (Δ H).ΔH = Hf – Hi

ENTALPÍA DE COMBUSTIÓN:Es el calor liberado, a presión constante, cuando se quema una mol de sustancia.Ejemplo:CH4 (g) + 2O2 (g) => 2CO2 (g) + 2H2O (l) ΔH = -212.8 KcalLa entalpía es la cantidad de energía calorífica de una sustancia.

Variaciones de entropía y energía libre en una reacción química

A cualquier temperatura la variación de entropía de la reacción viene dada por la diferencia entre las entropías de productos y reactivos, generalmente tabuladas a

298K. Sin embargo, no siempre las reacciones se llevan a cabo a esta temperatura, para calcular la variación de entropía a otra temperatura bastará con integrar la ecuación anterior entre 298K y la temperatura a la cual se realiza la reacción (si no hay cambios de fase en ese rango de temperatura). Para ello será necesario conocer la dependencia de la entalpía normal de reacción con la temperatura:

Trabajo de un sistema termodinámico

El trabajo es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro mediante una fuerza cuando se produce un desplazamiento. Vamos a particularizar la expresión general del trabajo para un sistema termodinámico concreto: un gas encerrado en un recipiente por un pistón, que puede moverse sin rozamiento.

Por efecto de la presión (p) ejercida por el gas, el pistón sufre una fuerza F que lo desplaza desde una posición inicial (A) a una posición final (B), mientras recorre una distancia dx.

A partir de la definición de presión, se puede expresar F y el vector desplazamiento dl en función de un vector unitario u, perpendicular a la superficie de la siguiente forma:

Calculamos el trabajo realizado por el gas desde el estado A al estado B en este proceso:

El producto Sdx es la variación de volumen (dV) que ha experimentado el gas, luego finalmente se puede expresar:

En el Sistema Internacional el trabajo se mide en Julios (J).

Este trabajo está considerado desde el punto de vista del sistema termodinámico, por tanto:

El trabajo es positivo cuando lo realiza el gas (expansión) y negativocuando el exterior lo realiza contra el gas (compresión).

El trabajo en un diagrama p-V

Para calcular el trabajo realizado por un gas a partir de la integral anterior es necesario conocer la función que relaciona la presión con el volumen, es decir,p(V), y esta función depende del proceso seguido por el gas.

Si representamos en un diagrama p-V los estados inicial (A) y final (B), el trabajo es el área encerrada bajo la curva que representa la transformación experimentada por el gas para ir desde el estado inicial al final. Como se observa en la figura, el trabajo depende de cómo es dicha transformación.

Es decir, se puede concluir que:

El trabajo intercambiado por un gas depende de la transformaciónque realiza para ir desde el estado inicial al estado final.

GASOLINA

La gasolina es una mezcla de hidrocarburos alifáticos obtenida del petróleo por destilación fraccionada, que se utiliza como combustible en motores de combustión interna con encendido por chispa convencional o por compresión (Diestro), así como en estufas, lámparas, limpieza con solventes y otras aplicaciones.

La gasolina tiene más poder calorífico que el gasoil, por ejemplo: Un coche de gasolina recorre más distancia que uno de gasoil.

Si bien es cierto que el octanaje de la gasolina debe ser alto para que sea más eficaz también se debe considerar el parámetro que se identifica como poder calorífico, que es la cantidad de energía relacionada con la -unidad de- masa que se desprende al producirse la combustión. Es decir, el calor que hay al darse la combustión; a mayor calor existirá una mejor combustión y por ende un mejor desempeño del motor.

De alguna manera se podría resumir que el octanaje es el control sobre “la rapidez” con la cual se enciende un combustible, mientras que el poder calorífico “es la fuerza" –calor, energía máxima- con la cual se da la combustión.Un bajo poder calorífico causaría un mayor consumo de combustible en los motores para que este trabaje en los parámetros establecidos por el fabricante.

MATERIALES Bomba calorimétrica (vaso calorimétrico, agitador magnético, fuente de

alimentación de corriente, sonda y medidor de temperatura, mortero de porcelana, prensa para preparar pastillas, hilo de ignición)

vidrio de reloj. Gasolina bombona de oxígeno. Pilas galvánicas

PROCEDIMIENTO

1) Medir 1 ml. De gasolina, colocado dentro de un crisol adecuado.2) Cortar 10 cm. De alambre fusible PARR e instalar entre los electrodos de la

bomba (según esquema en anexos).3) Instalar crisol con gasolina en los soportes de la bomba. EL alambre fusible

debe penetrar la superficie del combustible.4) Instalar la tapa de la bomba, ya preparada. Colocar tuerca y apretar a

mano.5) Cargar la bomba con oxígeno a una presión de 25 atm.6) Colocar 2.000 cc de agua destilada (en lo posible) en el recipiente ovalado.7) Instalar la bomba cargada, dentro del recipiente con agua y todo el

conjunto, colocar en el interior de la camisa isotérmica.8) Conectar el sistema de encendido a los bornes de la bomba.9) Tapar el calorímetro e instalar el termómetro y la polea de accionamiento

del agitador con el motor respectivo.10) Controlar la temperatura del agua, con el agitador funcionando, hasta

establecer el equilibrio. Luego, controlar cada minuto, durante 5 minutos.11) Proceder al encendido y posterior combustión de la carga, observando la

temperatura, hasta alcanzar el valor máximo.12) Detener el motor del agitador, retirar la tapa del calorímetro y extraer la

bomba.13) Abrir la válvula de escape de gases y destapar la bomba.14) Comprobar: combustión completa, existencia de residuos, condensado y

formación de ácidos.

BIBLIOGRAFÍA

http://www.academia.edu/6837701/Cuadernillo_de_termoquimica

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http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/144-calculo-de-calor-de-reaccion-calorimetria.html

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