10 de marzo de 2013

Universidad Politécnica de Puebla

Integrantes:

Ariza Ramírez Eric Huitzil Alor Oswaldo Lizárraga del Río Mario Martín Vázquez Cuautle Eber Zavala Ramos Gabriel

Índice

1.Antecedentes históricos.

2.Fundamentos teóricos.

3.Calorímetros comerciales y sus aplicaciones en el sector automotriz.

4.Conclusión.

5.Referencias.

Definición Calorímetro.

Es un instrumento sencillo o complejo, que nos permite medir el cambio en la energía que sufre un sistema después de operar en este mismo sistema un determinado proceso, que puede ser físico, químico o biológico.

Durante su desarrollo histórico hubo dos clases de calorímetros. Los calorímetros con compensación del efecto térmico y los calorímetros que registran la diferencia de temperatura.

Antecedentes históricos. Construcción de calorímetros desde finales del siglo XVIII hasta mediados del siglo XX.

Año Autor Autor Calorímetros con compensación del efecto térmico

Registran la diferencia de temperatura

1760 Black Construye el calorímetro de mezcla

1783 Laplace y Lavoisier

Construyen el calorímetro de hielo

1788 Crawford Construye calorímetro de mezcla en diferentes versiones

1870 Bunsen Jamin Construye un calorímetro de hielo de alta precisión

Construye un calorímetro de flujo con calentamiento eléctrico

1881 Berthelot Construye bomba calorimétrica1887 Bunsen Construye calorímetro de

vapor1895 Junkers Construye un calorímetro de

flujo para la determinación del poder calorífico de gases combustibles.

1910 Duane Construye un calorímetro isotérmico gemelo con

compensación eléctrica.1923 Tian Construye un calorímetro de

calentamiento Construye un calorímetro de flujo de calor con termopilas.

1923 Perrier y Roux Construyen un calorímetro adiabático de barrido con compensación eléctrica.

1925 Eucken y Meyer Construyen un calorímetro de combustión anaeróbico.

1935 Sykes Construye un calorímetro con enfriamiento eléctrico.

1948 Calvet Construye un calorímetro gemelo de flujo de calor con termopilas.

1952 Clarebrough Construye un calorímetro adiabático de barrido con operación eléctrica.

1957 Muller y Engelter

Construyen un calorímetro isoperibólico gemelo con compensación eléctrica.

Características de cada calorímetro mencionado.

Calorímetro de mezcla.

El calorímetro de agua basa su funcionamiento en el método de las mezclas, que consiste en calentar hasta una cierta temperatura el cuerpo cuyo calor específico se desea determinar. Posteriormente, se introduce en el calorímetro, que previamente se ha llenado con una cantidad de agua de la cual se conoce su masa exacta y temperatura inicial. El calor específico del cuerpo se deduce a partir de la temperatura final que alcanza el conjunto. Este modelo concreto de calorímetro de agua es el que se conoce como calorímetro de Black, formado por dos recipientes que han de separarse con un material que sea mal conductor del calor. El agua se deposita en el vaso interior.

Calorímetro de flujo con calentamiento eléctrico.

La potencia es medida a través del calor de un fluido que fluye a través de la carga. Una indicación de la potencia es dada por la subida en la temperatura del fluido pasando del orificio de entrada al de salida

Calorímetro de flujo de calor con termopilas

Micro calorímetro de conducción de calor, de tipo isotérmico, que usa termopilas como elementos sensores del flujo de calor celda-alrededores (Giraldo et. al, 2003), se presentan las constantes de calibración y las entalpías de reacción obtenidas con un sistema químico de referencia.Se caracteriza en base al concepto de conducción rápida del calor producido en la celda hacia los alrededores, tanto la celda como el depósito de calor se construyen en materiales metálicos y para evitar cambios en la respuesta del equipo por fluctuaciones térmicas de las condiciones externas la unidad calorimétrica, constituida por la celda, los sensores y el depósito de calor, se aíslan mediante una cubierta plástica.

Calorímetro de combustión anaeróbico

Calorimetría de Combustión: Es considerada como el método experimental más adecuado para la determinación de fHº de compuestos orgánicos. Basada en la combustión, en atmósfera de O2 de un compuesto que como consecuencia sufre la total ruptura de su esqueleto carbonado, desprendiéndose la energía contenida en los enlaces de la molécula. La reacción de combustión libera energía que a su vez produce incrementos de temperatura en el calorímetro, que se registran en función del tiempo que dura el experimento.

Características  Tres calorímetros de combustión:

1. Calorímetro de combustión con bomba estática en escala "macro": Construido y puesto a punto enteramente en nuestro centro. Adecuado para estudiar sustancias que contienen C, H, O, N, I y algunos compuestos órgano-metálicos, empleando entre 0.5 y 1 g de muestra por experimento.

2. Calorímetro de combustión con bomba rotatoria en escala "macro": Adecuado para estudiar compuestos orgánicos que contienen azufre (C, H, O, N, S), halógenos (C, H, O, X con X = Cl, Br, I) y compuestos órgano-metálicos en general.

3. Calorímetro de combustión con bomba estática en escala "micro": Diseñado, construido y puesto a punto enteramente en nuestro centro. Adecuado para estudiar sustancias que contienen C, H, O y N, empleando entre 30 y 80 mg de muestra por experimento.

Calorímetro con enfriamiento eléctrico

Su capacidad calorífica se puede medir con un reducido aporte de calor eléctrico. Para los procesos endotérmicos, el calor se puede medir directamente como la cantidad de energía eléctrica que se requiere para compensar completamente el efecto de enfriamiento que provoca el proceso.

Características

Se basa en comparar el tiempo requerido para que la muestra a ensayar experimente una disminución de temperatura dada T con el tiempo que necesita para enfriarse lo mismo una sustancia de calor especifico conocido.

Calorímetro gemelo de flujo de calor

En los equipos micro calorimétricos de conducción de calor, la energía puesta en juego en el proceso físico químico considerado y que se desarrolla dentro de una celda interna de reacción, se transfiere a un cuerpo externo que constituye los alrededores de la celda; generalmente se emplean para este fin masas metálicas, conocidas como depósitos de calor, que presentan conductividades y difusividades térmicas elevadas, para lograr flujos de calor rápidos entre la celda y los alrededores.

Calorímetro de hielo

La cantidad de calor desarrollada en cualquier reacción que ocurre dentro del calorímetro es igual a la masa del hielo derretida multiplicada por el calor de la fusión del hielo, 333,51 kJ/kg.

Calorímetro de Ellison (Calorímetro de vapor)

El principio de funcionamiento de este calorímetro, que se muestra en la figura corresponde al de una expansión adiabática ocurrida, o que se registra, cuando el vapor sale de la válvula hacia la cámara de expansión. En particular, el vapor que se encuentra en una condición de mezcla húmeda y del cual se desconoce la calidad, es susceptible de ser sobrecalentado por medio de una expansión a presión atmosférica.

Calorímetro adiabático.

Denominado así porque el recipiente exterior se mantiene a la misma temperatura que la muestra a ensayar para evitar la transferencia o transmisión de calor entre la muestra y el entorno exterior.

Calorímetro adiabático de barrido

Dispositivo que mide la cantidad de calor suministrada o recibida por un cuerpo, en muestras tipo pastas, minerales húmedos y algunos sistemas alimenticios en donde las mediciones se realizan mediante un barrido de calentamiento de la muestra en condiciones adiabáticas. Posee una camisa y dos pistones los cuales forman una cámara cilíndrica herméticamente cerrada, lo que evita las pérdidas por evaporación. Posee un resorte, a partir del cual se puede controlar la presión y una instrumentación de actuadores, sensores y acondicionamiento necesario para tener en una computadora, tanto los objetivos de control como las variables controladas.

Calorímetro isoperibólico

Un calorímetro isoperibólico como su nombre lo indica “isoperibol” mantiene constante la temperatura de los alrededores mediante el uso de un termostato. Si la generación de calor dentro de la celda se termina, la temperatura TC se aproxima a la temperatura de los alrededores TA.(TA es igual a la temperatura de los alrededores y TC igual a la temperatura de la celda y sistema de medida).

Calorímetro por calentamiento

El calor que se quiere medir lo recibe en el interior de un recinto, en principio atérmano (), una masa conocida de un cuerpo calorimétrico ya sea líquido o sólido, donde cuerpo y calorímetro de calientan

Bomba calorimétrica

Reciento metálico cuyas paredes pueden resistir sin alteraciones sensibles presiones interiores muy fuertes. Ello permite medir los calores liberados en el curso de transformaciones físico-químicas a volumen constante.

Fundamentos teóricos

Calor especifico.

Magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius).

Así pues, las dimensiones de esta magnitud son:

Ce= Qmasa∗∆ T ( Joule

g ° C )

Donde:

Q cantidad de calor

m masa

∆ T Incremento de la temperatura

Capacidad calorífica 

Es la razón de la cantidad de energía transferida al cambio de temperatura, en otras palabras, Cuando un objeto a una temperatura se coloca con otro objeto a otra temperatura mayor se transfiere energía hacia el objeto más frio.

Entonces el objeto experimenta un aumento en su temperatura.

Para medir la capacidad calorífica de una sustancia.

C= Q∆ T ( cal

° C )

Donde:

Q calor absorbido por el sistema.∆ T Variación de la temperatura

Aplicación de los conceptos de un calorímetro.

Basándonos en la primera ley de la termodinámica (Q1+Q2)=0, se tiene que la suma de los calores específicos y masa del termómetro, del agitador, del vaso y de la sustancia (H2O) se vuelven una contante k (excepto la del agua) quedando solo una constante en la ecuación multiplicada por el factor común que es la diferencial de temperatura y el calor especifico del H2O será igual a el negativo de la masa del objeto por el calor especifico por la diferencial de temperatura:

k+m H 2 Oc H 2O (Tf −Ti )=−mc (Tf −Ti)

Despejando “c” de esta fórmula, nos resulta la siguiente ecuación:

c=(m+k )(Tf −Ti)

m(T 1−T 2)

Con esta ecuación podemos obtener el calor específico de una sustancia desconocida, que es una de las aplicaciones del calorímetro.

FUNCIONAMIENTO BASICO:

Muchos calorímetros utilizan el principio de carga dual, en el cual una absorbe mientras que la segunda actúa como temperatura de referencia.

El sensor de temperatura registra la diferencia entre las temperaturas de las 2 cargas.

En teoría los efectos de las fluctuaciones de la temperatura externa se cancelan debido a la simetría, sin embargo si los alrededores no tienen una temperatura uniforme el gradiente de temperatura puede causar error.

EL SENSOR DE TEMPÈRATURA ES MONTADO EN EL LADO DE AFUERA DE LA CARGA EN UNA POSICION DONDE NO ES INFLUENCIADO DIRECTAMENTE POR LOS CAMPOS ELECTROMAGNETICOS. SIENDO ESTA UNA DE LAS CARACTERISTICAS DISTINTIVAS DE UN CALORIMETRO Y ES ESENCIAL PARA SU ALTA PRECISION.

La construcción de calorímetros ha ayudado a entender la ciencia de la energía y sus transformaciones, incluso un experimento simple en el cual puede deducirse el cambio de calor que ocurre, y que implica el conocimiento y utilidad de conceptos como capacidad calorífica, entalpía del proceso, entalpía de reacción, potencia térmica, etcétera.

Calorímetros comerciales y sus aplicaciones en la mecánica automotriz

Calorímetro modelo 6100

Diseño tradicional con bomba de oxígeno y balde removibles.Requiere mínimo espacio en el laboratorio.Hardware digital, software y posibilidades de comunicación. El modelo 6100 parece ser igual al 6200, ya que ambos tienen la misma carcaza con el mismo teclado y display lcd. pero hay una diferencia muy importante: el 6100 no tiene un sistema de camisa controladora de temperatura como se requiere para el calorímetro isoperibólico 6200. El 6100 tiene un sistema estático, sin control isoperibólico: tiene una camisa de aire estática rodeando la cámara. de esta forma se eliminan todas las conexiones de agua. El módulo incluye el calorímetro con su controlador interno, la bomba de oxígeno 1108, un balde oval y accesorios para su instalación. 

Datos técnicos:Test por hora: 6 a 8Tiempo de operación por test: 6 minutosPrecisión de clasificación: 6 minutosTipo de camisa: constantemente compensadaLlenado de oxígeno: semiautomáticoLlenado de balde: manualLavado de bomba: manualConexión a internet

Dimensiones: 57 x 40 x 43 cm. (ancho x diámetro x alto)Alimentación: 230 v.

El calorímetro automático W9000 representa el paso evolutivo siguiente en los calorímetros automáticos de OuRui. Combinó la comprensión de los fundamentales básicos de la calorimetría con el mejor diseño mecánico y el más último de controles y de comunicaciones por microprocesador. 

Usos: La calorimetría de la bomba - un procedimiento que determina el calor de la combustión o el poder calorífico de los materiales que se queman como combustibles - es una prueba fundamental de la gran importancia a cualquier persona interesada en las medidas caloríficas para: Instrucción en métodos termodinámicos básicosCarbón y coque, todas las variedades y tiposVariedades pesadas y ligeras del aceite combustible,Gasolina, todo el combustible de motor y tipos combustibles de jet, todas las variedades de la aviaciónBasuras combustibles y disposición de basuraProductos alimenticios y suplementos para la nutrición humanaPlantas forrajeras y suplementos para la nutrición animalMateriales de construcciónExplosivos y polvos del calorCombustibles de Rocket y propulsores relacionadosEstudios termodinámicos de materiales combustiblesEstudios del balance energético en ecología

Características técnicas: 1. chasis del acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti con alta capacidad de la prueba de corrosión 2. Integrado con el sistema de enfriamiento termoeléctrico y los sistemas automáticos de la circulación del agua, puede el seguimiento automático la temperatura ambiente, auto-terminación de la medida de la temperatura, relleno del agua y carga 3. Adoptar el ajuste alfa del parámetro, ninguna necesidad de la muestra paralela, proporcionar un resultado más exacto y más confiable4. Auto-terminación de la ignición, de la mezcla, del ajuste, de la salida y del expediente de la muestra 5. Acuerdo, diseño modular integrado con solamente el peso 20kg6. Software e interfaz de uso fácil con la exhibición grande del LCD, 7. Entrar la protección de la salida, 170V - gama ancha del voltaje del ~ 270V, protección del cortocircuito de la entrada8. Capaz a la comunicación con PC y las varias impresoras

Especificación: Máximo 50000 J de la gama de la medidaResolución 0.0001d de la medida de la temperaturaPrecisión RSD& le; 0.1%Voltaje de entrada: CA 170V~270VEnergía: < 50WPeso: 20kg

Tabla comparativa con los calores específicos de combustión de diversos materiales que pueden ser empleados como combustibles 

en procesos térmicos, donde sea necesario liberar energía en forma de calor.Material combustible Calor especifico de combustión(MJ/kg)

Hidrógeno Gas metano   GasolinaPetróleo crudoQuerosenoCarbón bituminosoAntracitaCoqueAlcohol etílicoCarbón vegetalAlcohol metílicoMadera de pinoCascarón de cocoTurba secaLeña secaTurba húmedaAserrín secoCáscara de arrozLignitoBagazo de caña secoLeña verdePlanta de maíz secaAserrín húmedo

1425547474636

353430302221202018161515139

99

8

A temperatura de 25°C y una presión de 1 atm =101325 Pa (combustible)

Material J/(kg·K)Aceite vegetal 2000Agua (0 °C a 100 °C) 4186Aire 1012Alcohol etílico 2460Alcohol metílico 2549Aluminio 897Amoniaco (líquido) 4700Arena 290Asfalto 920Azufre 730Benceno 1750 Calcio 650Cinc 390Cobre 387Diamante 509Dióxido de carbono (gas)

839

Estaño 210Etilen glicol 2200Gasolina 2220Grafito 710Granito 790Helio (gas) 5300

Calor específico de líquidos automotrices.

Aplicación de calorímetro

Aceite Temperatura °C Densidad (Kg/m3) Calor específico (J/Kg °C)

0 899.1 179620 888.1 188040 876.1 196460 864 204780 852 2131100 840 2219120 829 2307140 816.9 2395160 805.9 2483

Agua 25 996.58 4072.71Agua-etilenglicol 30% 25 1035.02 3729.95Agua-etilenglicol 50% 25 1053.25 3297.63

Etilenglicol 25 1112.13 2408.62

Podemos mencionar en donde se aplica el calorímetro en la industria automotriz es para poder determinar que el material con el cual se fabrica el monoblock, el cual debe tener las características necesarias para poder soportar el calor que se genera por la combustión, sin datos lo suficientemente seguros de lo que puede soportar el monoblock y las piezas que constituyen el motor debido a los choques térmicos el monoblock simplemente no soportaría ,se quebraría o se deformaría con gran facilidad.

Conclusión

Como conclusión podemos decir que es muy importante interesarnos por este tipo de temas porque imaginémonos ¿Cómo sería nuestro mundo sin habernos dado cuenta de la transferencia de calor?, no tendríamos los avanzados sistemas con los que hoy en día contamos y el ejemplo más sencillo y práctico en nuestro caso es el automóvil, en fin. Es muy importante ya que la transferencia de calor tiene lugar en los procesos físicos, químicos y biológicos, y que nos permiten conocer con más exactitud las propiedades de cada elemento que nos rodea día a día y que gracias a ello podemos desarrollar máquinas que nos faciliten el trabajo en determinado ámbito laboral.

BIBLIOGRAFIA

1. Bartlett, Calorimetry: the center of heat capacity, The Physics Teacher 23, 302– (1985)

2. GARCIA, Vanessa; MORENO-PIRAJAN, Juan Carlos y GIRALDO, Liliana. Construcción de un Calorímetro para la Determinación de Entalpías de Inmersión. Inf. tecnol. [online]. 2007, vol.18, n.3, pp. 59-70. ISSN 0718-0764.

3. J. Güémez Termodinámica Seminarios Calor específico de metales Método de las mezclas Departamento de Física Aplicada. Universidad de Cantabria. Octubre 6, 2004

4. http://books.google.com.mx/books? id=iJudBBd6G4wC&pg=PA663&dq=calorimetro+con+enfriamiento+electrico&hl=es&sa=X&ei=98c8Uf_6OY-02AWElYDwBQ&ved=0CEcQ6AEwBA#v=onepage&q=calorimetro%20con%20enfriamiento%20electrico&f=false

5. http:// books.google.com.mx/books? id=lj5kLw2uxGIC&pg=PA265&lpg=PA265&dq=capacidad+calorifica&source=bl&ots=ZVzP5Lpbap&sig=Tt7U083TYIibPMJBymzHDZ4zulg&hl=es-

419&sa=X&ei=dlw_UdNX5ZTZBazFgZgD&ved=0CCoQ6AEwADgK#v=onepage&q=capacidad%20calorifica&f=false

6. http://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/12657/15.%20Art%C3%ADculo%20docente.%20Determinaci%C3%B3n%20del%20calor%20espec%C3%ADfico%20de%20una%20sustancia.pdf?sequence=1