tipos de calorimetros

Determinación del poder calorífico superior de una sustancia con una bomba calorimétrica adiabática

Amalia Luque Sendra Página 1

Índice

Introducción __________________________________________________ 2

Metodología __________________________________________________ 5

Resultados __________________________________________________ 10

Conclusiones ________________________________________________ 11



Introducción

El punto de rocío de los productos de una combustión es, típicamente, superior

a 25ºC. Esto significa que en un experimento calorífico a presión constante, los

productos que se enfrían hasta esa temperatura, probablemente contendrán

una cierta cantidad de agua liquida. La entalpía de la corriente de productos, y

por lo tanto, el balance de energía del calorímetro, es función de la cantidad de

condensado existente. En consecuencia, un mismo combustible puede

presentar poderes caloríficos distintos, según sea el estado de la humedad de

los productos.

Claramente, podemos distinguir dos situaciones limite. En la primera, el agua

presente en los productos se encuentra completamente en estado gaseoso, sin

haber entregado su calor latente. En la segunda, toda el agua se ha

condensado, liberando calor al entorno. Por definición, el poder calorífico

inferior (pci) a presión constante corresponde al calor entregado al entorno

cuando una unidad de combustible en condiciones de referencia se quema

completamente, en estado de régimen permanente, de tal manera que los

productos salen también en condiciones de referencia y la totalidad del agua

producida por la combustión del hidrógeno está en estado de vapor. El poder

calorífico superior (pcs) se define de manera similar, pero ahora considerando

que la totalidad del agua producida por la combustión del hidrógeno está como

líquida. Es importante destacar que en estas definiciones nada se dice del agua

en los productos que, por provenir del aireo del combustible, no ha sido

formada químicamente por la combustión.

La diferencia entre ambos poderes caloríficos puede calcularse conociendo el

análisis fundamental del combustible. Para ello es necesario determinar la

cantidad de agua que se forma como resultado de la combustión de hidrógeno

y calcular la energía que esta agua libera al condensarse en condiciones de

referencia.

Una bomba calorimétrica es un recipiente de paredes metálicas resistentes,

que se puede cerrar herméticamente, y donde se introduce una muestra de



masa conocida de la sustancia, mezclada con oxígeno a una presión de varias

atmósferas, después de eliminar el aire, para garantizar la total combustión de

la muestra. La bomba va instalada en un calorímetro de agua, perfectamente

termostatado, y la combustión se inicia mediante ignición con un conductor

eléctrico en cortocircuito. El calor desprendido se mide por la elevación de la

temperatura del agua del calorímetro, tras realizar los ajustes necesarios para

relacionar esta variación de temperatura con el calor desprendido en el

proceso.

Existen diversos tipos de bombas calorimétricas y calorímetros, entre los que

citamos los siguientes:

• Bomba de Mahler. Permite determinar el calor producido por la combustión

de sustancias diversas según la norma ASTM D240. Se puede aplicar a

toda una variedad de sustancias pero en particular a los combustibles

hidrocarburos líquidos de volatilidad alta y baja.

• Calorímetro de Parr. El calorímetro de bomba (modelo de Parr) es un

envase sellado que minimiza el intercambio de calor entre el sistema y el

medio ambiente. El vaso de combustión se monta en el eje que, por

accionamiento por polea desde un motorcito eléctrico, se puede hacer girar,

y con sus paletas adicionales moverá el agua del vaso calorimétrico,

garantizando una circulación en ciclo más activo de agitación.

• Calorímetro de Lewis-Thomson. La combustión se

efectúa en un cartucho de latón en que se pone el

combustible, bien pulverizado e íntimamente

mezclado con suficiente oxidante, variable, por

razones prácticas, según la clase de combustible.

De acuerdo con la prevista dificultad de la

combustión se emplearán tubos largos o cortos,

esto es, de diferente tiro. Todo el conjunto va

dentro de una campana, prolongada con un tubo que se puede cerrar con

una válvula V.

• Calorímetro de Fery. Permite medidas más exactas, ya que la bomba

constituye la soldadura caliente de un termopar, al ser de acero niquelado



en su interior y cobreada por el exterior con una corona de constantán. La

soldadura fría es la caja de cobre en la que se coloca la bomba

calorimétrica.

• Calorímetro de Junkers. Permite determinar con precisión el poder calorífico

de todos los combustibles gaseosos utilizados en la industria, si bien con

alguna peculiaridades: como en lo que respecta a mechero y a medidor de

caudal gastado. Un contador de gas mide el que pasa, regulado por un

reductor de presión, al mechero, bien colocado en el centro, con el auxilio

de un espejo, en una campana alargada que forma la pared interior del

calorímetro propiamente dicho. Los humos salen al exterior siendo recogido

su calor por el agua del calorímetro que, en una envolvente de la cámara

llenada por los humos, circula de modo continuo, recogiéndose el agua que

rebosa en un recipiente grande colocado sobre una balanza de Roverbal.

Podemos considerar que existen dos tipos de bombas, unas consisten en aislar

el sistema del exterior, y las otras en mantener constante la temperatura del

sistema. En el primer caso, esto se consigue mediante un recubrimiento

aislante del sistema. Nosotros vamos a usar una bomba que mantiene

constante la temperatura del sistema, mediante una camisa de agua a

temperatura constante en contacto con los límites del mismo.



Metodología

Introducimos una presión de oxígeno y una descarga eléctrica en la bomba. Se

quemarán así el filamento, el algodón y la muestra, generando un calor Q.

Queremos medir el calor generado por la muestra, para así determinar su

poder calorífico superior. Para medirlo introducimos la bomba en un recipiente

con agua, sabiendo la masa de agua que hay y su temperatura y comprobamos

el incremento de temperatura que se produce. El problema surge si el sistema

no está aislado. Para este propósito se usan dos tipos de sistemas: isotérmico

y adiabáticos. Los sistemas isotérmicos poner una “barrera” alrededor del

sistema mientras que los adiabáticos (que vamos a usar nosotros) igualan la

temperatura del interior a la del exterior ( )int extTT = .

El agua para la medición está rodeada de una camisa de agua que hace a la

bomba adiabática. En la camisa hay dos sistemas que actúan conjuntamente.

Uno de ellos bombea constantemente agua fría. El sistema de calentamiento

está controlado por dos termistores. Uno de los termistores se introduce en la

camisa y el otro en el recipiente. Si existe una diferencia de temperatura, ésta

se traduce en una diferencia eléctrica entre los termistores, que activa el

calentador. De este modo la temperatura del recipiente está oscilando

constantemente alrededor de la temperatura de la camisa.

En el proceso la bomba genera un calor por combustión que pasa al agua

(procuramos que no haya pérdidas) y se generará un gradiente de

temperaturas. De ahí deducimos el poder calorífico superior de la muestra pues

sabemos que:

)( principioprimerelporWQU +=∆

Dado que en este experimento no se produce un cambio de volumen

)(;00 VpWquesabemospuesWV ∆−==⇒=∆



Si el trabajo es nulo, podemos afirmar que la variación de energía interna se

debe en su totalidad a un intercambio de calor. Por otro lado sabemos que el

calor que absorbe una sustancia está relacionado con su capacidad calorífica

mediante

absv QTCmQ =∆⋅⋅=

Haciendo un balance de energía deducimos que el calor absorbido ha de ser

igual al calor cedido, siendo este la suma de los cedidos por la muestra, el

agua y el calorímetro:

fgAgmgced PHPHPHQfAm⋅+⋅+⋅=

Haciendo el balance obtenemos

fgAgvqmg

absced

PHPHTCmPH

QQ

fAOHm⋅−⋅−∆⋅⋅Ε+=⋅

=

)(21

donde 1m es la masa de agua y OHqE

2es el equivalente en agua del calorímetro.

De esta expresión podemos despejar mgH , que es el poder calorífico superior

de la muestra. Para eso contamos con los siguientes datos:

CgcalC

gcalH

gcalH

g

gm

v

g

g

q

f

A

OH

º1

1400

4180

500

2000

2

1

⋅=

=

=

=Ε

=

Los pesos de las sustancias los pesaremos físicamente

Se puede determinar el poder calorífico de cualquier sustancia combustible. Lo

hacemos con una muestra de madera, y para ello fabricamos una pastilla con

serrín. Rellenamos el cilindro de la prensa con serrín. Colocamos un cilindro

pequeño encima del anterior, de manera que al presionar cae uno de los



troncos de cono de la prensa. Introducimos a continuación tronco de cono

como extractor, de este modo cae la pastilla y podemos desmontar los

cilindros. Una vez que tenemos la pastilla medimos la distancia entre los

electrodos y cortamos un filamento de longitud dicha distancia aumentada en 1

cm. Tomamos también 10 cm de algodón, pues el 2O es necesario para la

combustión, pero no es suficiente. Procedemos a pesar la muestra, el algodón

y el filamento. Lo hacemos con una balanza que tiene un rango de 0 a 300 g y

una sensibilidad de 0,01 g, obteniendo los siguientes resultados:

gFilamento

godónA

gMuestra

01,005,0lg

82,0

⇒⇒

⇒

Una vez realizada la medición colocamos cada elemento en su posición

correcta. Situamos el filamento entre los electrodos (lo introducimos a través de

los orificios que éstos tienen) y apretamos para conseguir un buen contacto

eléctrico. Unimos la muestra al algodón y éste a su vez al filamento, colocamos

todo dentro de la bomba y lo tapamos. Seguidamente introducimos en la

bomba una presión de oxígeno ( 2O ) mediante un manoreductor, consistente en

una válvula y dos manómetros. El manoreductor es una válvula que regula la

presión. El manómetro de la izquierda indica la presión de línea y el de la

derecha la presión de llenado. Cada manómetro consta de dos escalas, la de

color rojo está en unidades inglesas y la negra en unidades del sistema

internacional, en este caso bares.

Introducimos primero una presión de limpieza o arrastre (20 bar) e

inmediatamente la sacamos. Esta presión está destinada a enriquecer el aire

del interior de la bomba en 2O y reducir la concentración de 2N , que es un

inhibidor de la combustión. A continuación inyectamos la presión de trabajo, en

este caso 30 bar.

Pasamos ahora a comprobar la masa de agua de la que disponemos. Sabiendo

que el recipiente tiene una masa de 940 g, comprobamos que el conjunto pese



2940 g, rellenando con agua destilada hasta alcanzar este valor. Esta

operación la realizamos con una balanza de rango 400-10000 g y de

sensibilidad 2 g. Tenemos en cuenta que la sensibilidad es el intervalo mínimo

que es capaz de medir un determinado aparto, mientras que la precisión es la

mitad de la sensibilidad en el caso de tratarse de un aparato analógico.

Comprobamos también la temperatura del agua, con un termómetro de rango

23,90-30,10 ºC y sensibilidad 0,01 ºC. La temperatura del agua tiene que estar

siempre en los valores comprendidos entre 23,90 y 30,10 ºC, pues de otro

modo no podríamos tomar su temperatura con dicho termómetro.

Calentamos el agua a 26 ºC aproximadamente, porque al introducir la bomba

se enfría un poco, efecto añadido al del agua fría de la camisa. Una vez

obtenida esta temperatura montamos la vasija sobre un trípode y el trípode

dentro del aparato. La vasija tiene, a su vez, un trípode en su interior, sobre el

que colocamos la bomba. Este posicionamiento permite un óptimo contacto

eléctrico. Activamos los calentadores, que empiezan a funcionar

inmediatamente, pues existe un gradiente de temperaturas. El amperímetro de

la bomba mide la intensidad que pasa por los calentadores. Los termistores

dan una descarga cuando hay una diferencia de temperatura entre ellos y

activan los calentadores. Cuando el piloto empieza a parpadear la temperatura

de la camisa está oscilando alrededor de la temperatura del agua.

Medimos esta temperatura inicial, que en nuestro caso es

CTinicial º35,24= .

Damos una descarga eléctrica y esperamos 8 min. para que se complete la

transmisión de calor de la bomba al agua. La combustión es prácticamente

instantánea. Pasado el tiempo de espera medimos de nuevo la temperatura del

agua, que en nuestro caso es

CT final º94,25=



Una vez terminado el proceso apagamos todo y desmontamos la bomba.

Comprobamos que la bomba no se puede abrir, porque existe una gran

diferencia de presiones (la presión del interior es mucho mayor que la del

exterior). Para poder abrirlo primero hay que igualar presiones.

Vemos que el filamento no se ha quemado nada, por eso desestimamos la

pérdida de masa del filamento. La muestra y el algodón se han desintegrado, y

quedan inquemados. También observamos que dentro de la bomba quedan

gotas de agua, detalle muy importante, pues esta es la diferencia entre el poder

calorífico superior y el inferior.

Por último procedemos a la limpieza de los utensilios, muy importante. Cabe

señalar que uno de los residuos es ácido.



Resultados

Una vez llevada a cabo la experiencia procedemos al cálculo numérico,

disponiendo de la siguiente información:

fgAgvqmg

absced

PHPHTCmPH

QQ

fAOHm⋅−⋅−∆⋅⋅Ε+=⋅

=

)(21

CgcalC

gcalH

gcalH

g

gm

v

g

g

q

f

A

OH

º1

1400

4180

500

2000

2

1

⋅=

=

=

=Ε

=

gFilamento

godónA

gMuestra

01,0

05,0lg82,0

⇒⇒

⇒

CT

CT

final

inicial

º94,25

º35,24

==

Sustituyendo los datos:

gcal

gcalH

ggcalgg

calCCCgcalgggH

PHPHTCmPH

m

m

fAOHm

g

g

fgAgvqmg

61,457582,0

01,0140005,04180)35,2494,25(1)5002000(

01,0140005,04180)º35,24º94,25(º1)5002000(82,0

)(21

=⋅−⋅−−⋅⋅+=

⋅−⋅−−⋅⋅⋅+=⋅

⋅−⋅−∆⋅⋅Ε+=⋅

De donde obtenemos el poder calorífico superior de la madera que tiene un

valor gcalH g 61,4575= .



Conclusiones

Sabemos por teoría que la madera tiene un poder calorífico comprendido entre

15.000 y 19.000 KJ/Kg, según la calidad de la misma. Estos valores son

gcal

J

cal

g

Kg

KJ

J

Kg

KJ

gcal

J

cal

g

Kg

KJ

J

Kg

KJ

6,45291

2384,010001

11000

19000

35761

2384,010001

11000

15000

=⋅⋅⋅

=⋅⋅⋅

El valor más bajo de poder calorífico corresponde a una madera verde y el

mayor a la madera seca. Por lo tanto, dado que nuestro resultado era

gcalH g 61,4575= , podemos deducir que hemos estado trabajando con madera

seca.

Por otra parte, comprobamos que nuestro resultado es ligeramente superior

que el tabulado. Podemos justificar esta diferencia por los errores introducidos

por los aparatos de medida (termómetro, balanza, etc), así como porque hemos

despreciado la pérdida de peso del filamento (aunque esta última razón

introduce un error muy pequeño). También podemos pensar en pequeñas

pérdidas de calor de la bomba que, aún siendo adiabática, puede tener errores

porcentualmente despreciables.

Concluimos, por tanto, a la vista de los resultados, que hemos trabajado con

madera seca; la diferencia entre el valor de su poder calorífico superior teórico

y el calculado se debe fundamentalmente a errores de medida.

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