Determinação do Calor de Combustão

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
TERMODINÂMICA EXPERIMENTAL
PROF. CARLSON PEREIRA DE SOUZA
Natal – RN
TERMODINÂMICA EXPERIMENTAL
“Determinação do Calor de Combustão”
1- INTRODUÇÃO
	
O calor de combustão é a quantidade de calor liberada (variação de entalpia) pela queima de um mol de qualquer substancia. Tendo em vista que, em grande parte dos casos, o poder calorífico dos combustíveis indústrias é determinado experimentalmente e que esse poder calorífico pode ser determinado através do calor de combustão, realizamos esta experiência com o intuito de aprender a determinar esse calor de combustão.
	Para determinar estes valores usamos uma bomba calorimétrica, isto é um dispositivo usado para determinar o calor de combustão dos compostos orgânicos. Esta bomba é constituída essencialmente por uma câmara de combustão, onde os reagentes são colocados (oxigênio sob pressão e a substância problema).
	Conceitos como os de calorimetria, leis da termodinâmica, calor latente, calor especifico, capacidade térmica e condução de calor (que serão apresentados nas partes das fundamentações teóricas), foram de fundamental importância para o entendimento e desenvolvimento desta pratica.
2 - OBJETIVOS
	Esta pratica tem como objetivo geral a determinação do calor de combustão, de forma didática adquirir conhecimento no que diz respeito ao assunto proposto.
	Temos como objetivo comprovar a veracidade dos dados de valor energético apresentados pelos fabricantes dos produtos: biscoito Club Social e biscoito Bauducco Levíssimo.
3- FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
	Essa prática é desenvolvida em alguns em algumas teorias e conceitos, que serão apresentados a seguir:
3.1- BOMBA CALORIMÉTRICA
Uma bomba calorimétrica consiste num dispositivo para determinar o calor de combustão de compostos orgânicos. Esta é constituída essencialmente por uma câmara de combustão. A câmara é colocada num copo, isolada o melhor possível do ambiente, contendo uma quantidade de água conhecida.
A reação se inicia aquecendo a amostra através de uma corrente elétrica que passa por um fio, geralmente de ferro. A reação de combustão é exotérmica e consequentemente aquecerá a água que circunda a câmara. A variação da temperatura em função do tempo é determinada pelo termômetro de precisão, obtendo-se um gráfico que relaciona estas duas grandezas. Como todo o calor libertado foi utilizado para elevar a temperatura da água, pode-se calcular o calor de combustão. Figura:
3.2- CALORIMETRIA
	Calorimetria é o estudo das trocas de energia entre dois ou mais corpos, quando essas trocas se dão na forma de calor.
	A calorimetria é fundamentada em dois princípios básicos: o princípio do equilíbrio térmico e o princípio das igualdades de troca de calor. Segundo o principio do equilíbrio térmico, quando vários corpos estão inicialmente a temperaturas diferentes, trocam calor entre si, e só entre si, observamos que alguns perdem enquanto outros recebem calor, de tal maneira que decorrido certo tempo, todos estacionam numa mesma temperatura, chamada temperatura de equilíbrio térmico.
	O principio das igualdades de troca de calor vem a complementar o primeiro principio apresentado, visto que ele fala que a soma algébrica dos calores trocados é igual à zero. 
Q1 + Q2 + ... + Qn = 0
	Se o calor recebido é Qr e o calor cedido é Qc , temos:
Como exemplo, tem-se estes dois corpos colados de diferentes temperaturas:
Onde, o corpo A irá ceder calor ao corpo B até que ambos estejam em uma mesma temperatura.
3.3- CAPACIDADE TÉRMICA E CALOR ESPECÍFICO
	Capacidade térmica ou capacidade calorífica é a grandeza física que determina a variação térmica de um corpo ao receber determinada quantidade de calor. O valor da capacidade térmica é correspondente à quantidade de calor necessária para elevar a temperatura do corpo em uma unidade de variação de temperatura.
Q =C.T
	
A capacidade térmica caracteriza o corpo, e não a substância que o constitui. Dois corpos de massas e de substâncias diferentes podem possuir a mesma capacidade térmica.
Calor específico é a capacidade específica de uma substância de mudar sua temperatura ao receber ou liberar calor para cada massa unitária que esta vier a se incluir. Isto quer dizer que, a capacidade térmica de um corpo é dada pelo calor específico da substância que o compõe e sua massa.
c = C/m
3.4- DEFINIÇÃO DE CALOR, CALOR LATENTE E CALOR SENSÍVEL
	O calor é a nomenclatura atribuída à energia térmica sendo transferida de um sistema a outro exclusivamente em virtude da diferença de temperaturas entre eles. Não é correto se afirmar que um corpo possui, podemos apenas dizer que um corpo recebe ou transfere calor.
	Calor latente é a grandeza física relacionada à quantidade de calor que uma unidade de massa de determinada substância deve receber ou ceder para mudar de fase, ou seja, passe do sólido para o líquido, do líquido para o gasoso e vice versa. Durante a mudança de fase a temperatura da substância não varia, mas seu estado de agregação se modifica. O calor latente pode assumir tanto valores positivos quanto negativos.
Ql = m.L
	Calor sensível é a grandeza física relacionada à quantidade de calor que uma unidade de massa de determinada substância deve receber para mudar apenas de temperatura, sem que ocorra a mudança de fase.
Qs = m.c.T
	Tanto a equação do calor sensível, como a equação do calor latente são equações fundamentais da calorimetria.
Como exemplo, tem-se o gráfico abaixo: 
3.5- CONCEITOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
	O calor, como dito anteriormente, é a energia térmica em transição de um corpo para outro, esta energia pode ser transferida de três formas diferentes de um corpo para outro.
	
3.5.1-TRANSFERÊNCIA POR CONDUÇÃO
	O calor se propaga de partícula a partícula, devido à transmição de energia através de vibrações das moléculas de maior energia para as moléculas de menor energia, e isto acontece porque quanto mais quente as moléculas maior será a vibração. 
Como exemplo, temos:
Se envolvermos um objeto a uma temperatura  T2  com uma camada de um material, de modo a isolá-lo do ambiente externo a uma temperatura  T1,  então a condutividade térmica  do material isolante determina a rapidez com que o calor fluirá através dele.
A condutividade térmica k é definida através da equação:
Onde, DQ/Dt  é a taxa com que o calor flui através da área A, em Joules por segundo, ou Watts. E DT/Dx é a mudança de temperatura por unidade de distância (Dx) em graus Kelvin, ou Celsius, por metro. Onde condutividade térmica  k é uma propriedade do material.
	
3.5.2-TRANSFERÊNCIA POR CONVECÇÃO
	A convecção já não é a nível molecular como era o caso da condução. Esta já pode ser de duas formas, por convecção natural em que é devido à diferença de densidade do fluido devido ao aquecimento do mesmo, ou por convecção forçada em que existe um mecanismo externo ao sistema a forçar o movimento do fluido.
Um bom exemplo disto envolve a criação de brisa para a costa próxima a grandes quantidades de água (ex., o mar). A água possui um grande calor específico, e subseqüentemente mantém mais o calor. Logo, durante o dia o ar sobre a água será mais frio do que sobre a terra. Isto cria uma região de baixa pressão sobre a terra, relativa à alta pressão sobre a água. Como conseqüência, uma brisa sopra da água para a terra. Por outro lado, durante a noite o ar sobre a água é um pouco mais quente do que sobre a terra, criando uma  baixa pressão sobre a água relativa à alta pressão sobre a terra, e uma brisa sopra da terra para a água. 
	Observa-se na figura abaixo:
	
	
3.5.3-TRANSFERÊNCIA POR RADIAÇÃO
	Acontece com a propagação de energiaatravés do espaço por ondas eletromagnéticas. Neste tipo de transferência a energia não necessita de meio material para se propagar, já que as ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo.
Esta é a maneira, por exemplo, do sol transferir energia para a terra através do espaço vazio (vaco). Tal transferência não pode ocorrer por convecção ou condução, pois ambos os processos implicam em um movimento da matéria através do espaço de um lugar para outro, ou seja, esses processos não ocorrem no vaco. Freqüentemente, a energia de calor pode ser utilizada para fazer luz, tal como aquela proveniente de uma fogueira. A luz, sendo uma onda, carrega energia, e pode mover-se de um lugar para outro sem a necessidade de um meio material. Ela pode estar na forma de luz visível quando ela nos alcança e a vemos, mas também pode estar na forma de infravermelho de um comprimento de onda maior, que é observada somente com detectores especiais de infravermelho.
4- MATERIAL UTILIZADO
Bomba calorimétrica;
Termômetro diferencial;
Fio fusível de níquel-cromo;
Agitador elétrico;
Fonte de ignição;
1mL de água destilada;
30 atm de oxigênio;
2 litros de água;
Fios de ignição;
Pipeta graduada de 5mL;
Pinça metálica de encaixe;
Cadinho metálico;
Pastilha de Ácido Benzóico;
Pastilha de Biscoito Club Social;
Pastilha de Biscoito Bauducco Levíssimo;
Bureta;
Tesoura e régua;
Balança Analítica;
5- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
	O calor de combustão de uma substância é determinado utilizando-se uma bomba calorimétrica. Neste aparelho a combustão ocorre a volume constante (v= 0), de modo que a quantidade de calor (Q) recebida pelo conjunto que forma o calorímetro é igual em módulo à variação de energia interna do sistema reacional.
	Após checar o estado de todos os materiais que serão usados para a realização desta prática, procedemos da seguinte maneira:
	Passo 1
Pesa-se o cadinho de ferro na balança analítica, em seguida tara-se a balan;ca e pesa-se a unidade da pastilha de ácido benzóico dentro do cadinho; e agora coloca-se o sistema dentro da armação dentro do calorímetro. Em seguida, mede-se o peso de aproximadamente dez centímetros de fio fusível níquel-cromo. Este fio deve-se ser colocado nos orifícios do eletrodo, tendo o cuidado de que o fio toque somente na pastilha de ácido e não no cadinho. Após isso, coloca-se um mL de água destilada dentro da célula de explosão, fecha-se a bomba e pressuriza-se com trinta atmosferas de oxigênio.
	Passo 2
Colocam-se dois litros de água dentro de um balde, e introduz o calorímetro dentro do balde com água. Checa-se a não formação de bolhas na superfície do líquido que indica a inexistência de vazamento no calorímetro. Conseguinte, inseriram-se os fios de ignição no calorímetro, fecha-se a bomba. Agora, tampa-se o balde com uma tampa que apresenta um termômetro embutido e uma polia ligada a um agitador. 
Passo 3
Agora, inseri-se uma liga de borracha para juntar o sistema polia da tampa e polia externa. Após ligar a polia externa (eletronicamente, através de um interruptor), faz-se ela rotacionar e movimentar a polia da tampa, e como conseqüência o agitador inicia seu movimento. Agora, espera-se o termômetro indicar uma temperatura constante, quando ele indicar, deve-se anotar esta temperatura, e em seguida apertar o botão de ignição (marcando o início da reação).
Passo 4
	Observa-se o aumento de temperatura no termômetro e o anota quando for máximo.
	Agora, desliga-se a polia externa, retira-se a liga de borracha, retira-se a tampa do balde e retira-se o calorímetro dentro do balde com água. Deve-se levar a bomba e desmontá-la na capela (devido à existência de gases nocivos a saúde) seguindo o procedimento contrário ao da montagem. Então, afrouxa-se a válvula de alívio vagarosamente até que o gás sai por completo. Em seguida, pesam-se os pedaços de fio e pastilha de ácido remanescente no calorímetro, além de titular a substancia que ficou no cadinho metálico com uma solução de hidróxido de sódio de concentração molar de 1mol/L.
	Após a pesagem e titulação completa a bomba foi lavada com pequena quantidade de água destilada. 
	O mesmo procedimento foi-se realizado para pequenas amostras de “Biscoito Club Social” e “Biscoito Bauducco Levíssimo”, retirando apenas a parte da titulação.
	E todos os valores de temperatura e massa foram anotados, conforme o experimento descrito.
Procedimento:
Pesar-se uma unidade de pastilha de ácido benzóico no cadinho metálico;
Medir 10cm de fio fusível níquel-cromo e em seguida pesá-lo (anotando a massa) ;
Inseri-se o fio em uma ddp e fazer com que ele apenas toque a pastilha de ácido benzóico;
Coloca-se 1mL de água destilada dentro da célula de explosão;
Fecha-se a bomba e pressurizar com 30atm de Oxigênio;
Coloca-se exatamente 2L de água destilada dentro do balde;
Mergulha-se a bomba e checa-se a não formação de bolhas na superfície do líquido;
Inseri-se os fios de ignição, fecha-se a bomba e inseri-se a liga no sistema de polias;
Aguarda-se a estabilização da temperatura e anota-se o valor desta quando constante;
Aperta-se o botão de ignição;
Observa-se o aumento de temperatura e anota-se o valor desta quando constante;
Desmonta-se a bomba na capela seguindo o processo contrário ao da montagem;
Abrir a válvula de alívio na capela (presença de gases nocivos);
Pesa-se na balança analítica a massa restante no cadinho;
Pesa-se na balança analítica os pedaços de fio-fusível remanescentes;
Titula-se a massa residual do cadinho com NaOH 1M;
Executa-se o mesmo procedimento (menos a titulação com NaOH) descrito anteriormente para a pastilha de biscoito Pipos Vitaminado, sabor queijo .
Executar o mesmo procedimento (menos a titulação com o NaOH) descrito anteriormente para os biscoitos Club Social e Bauducco Levíssimo.
 
6- CÁLCULO DA CONSTANTE DA BOMBA
	A constante da bomba calorimétrica foi calculada com os dados obtidos para o ácido benzóico, através da fórmula:
Kbomba=(Q1+Q2)/∆T
	Onde Q1 e Q2 é o calor relativo à queima do ácido benzóico e fio fusível respectivamente, e ∆T a variação de temperatura.
	Os dados obtidos:
Ácido:
M(cadinho)=14,2443g
M(cadinho+ácido)=15,2314g
M(ácido)=15,2314g-14,2443g=0,9871g
Fio Fúsivel:
M(Fio antes da combustão)=0,0165g
M(Fio depois da combustão)=0,0040g
M(Fio “queimada”)=0,0165-0,0040g=0,0125g
Temperatura:
Ti=29,52ºC
Tf=32,05ºC
∆T=2,53ºC
Quantidade de calor liberada pelo ácido benzoico (Q1):
(1g de ácido benzoico libera 6318cal de calor)
1g – 6318cal
0,9871g – Q1
Q1=0,9871g*6318cal/1g
Q1=6236,49cal
Quantidade de calor liberada pelo fio fusível (Q2):
(1g de fio libera 4500cal de calor)
1g – 4500cal
0,0040g – Q2
Q2=0,0040g*4500cal/1g
Q2=18cal
	De acordo com os dados obtidos na experiência , temos que a constante da bomba calorimétrica é:
K=(6236,49cal+18cal)/2,53ºC
K=2472,13cal/ºC
Essa constante tem como objetivo padronizar a bomba calorimétrica, no qual, o valor obtido representa o quanto de calor (nesse caso 2472,13cal) que é necessário para variar 1ºC.
7- TRATAMENTO DE DADOS
Para determinação dos calores de combustão das substâncias, será usada a equação da constante da bomba calorimétrica, porém, o interesse é calcular o Q2 (nesse caso esse termo não mais representa a quantidade de calor liberada pelo ácido benzoico, mas o calor liberado pelo produto em análise).
Kbomba=(Q1+Q2)/∆T
Q1=Kbomba*∆T-Q2
Biscoito Club Social
Os dados obtidos:
Biscoito:
M(cadinho)=14,2433g
M(cadinho+biscoito)=14,7346g
M(biscoito)=14,7346g-14,2433g=0,4913g
Fio Fúsivel:
M(Fio antes da combustão)=0,0164g
M(Fio depois da combustão)=0,0035g
M(Fio “queimada”)=0,0164-0,0035g=0,0129g
Temperatura:
Ti=30,07ºC
Tf=31,04ºC
∆T=0,97ºC
Quantidade de calor liberada pelo fio fusível (Q2):
(1g de fio libera 4500cal de calor)
1g – 4500cal
0,0129g – Q2
Q2=0,0129g*4500cal/1g
Q2=68,05cal
 
Para determinar o calor liberado pela massa de biscoito Club Social(Q1) realizamos:Q1=Kbomba*∆T-Q2
Q1=2487,25cal/ºC*0,97ºC-68,05cal
Q1=2344,58cal
Agora, calcula-se a variação de energia (∆E) do sistema em calorias por grama, realiza-se o calculo da quantidade de calor liberada pelo biscoito Club Social dividido pela massa sua massa, então, temos que:
∆E=Q1/m
∆E=2344,58cal/0,4913g
∆E=4772,1992cal/g
Com isso, calcula-se o Erro Relativo do Experimento, realizando a subtração da variação do calor teórico pela variação de energia, e dividindo este resultado pela variação de energia e multiplicando por cem, então, encontra-se o Erro Relativo do experimento:
ER%=(|4500-4772,1992|/4500)*100%
ER%=6,04%
Obs.: 
Para o calculo do Qteórioco observa-se nos rótulos dos produtos possuem valores tabelados que indicam uma certa massa do produto quando queimada produz uma certa quantidade de calorias. Então, para o biscoito Club Social a proporção é de 117Kcal – 26g. Com isso, basta fazermos a razão da caloria liberada pela quantidade de massa necessária para liberar essas calorias e então obtemos o Calor de combustão teórico (Qteórico) usado nos cálculos acima.
Calculo:
Q(teórico)=117000cal/26g=4500cal/g
Biscoito Bauducco Levíssimo
Os dados obtidos:
Biscoito:
M(cadinho)=14,2435g
M(cadinho+biscoito)=14,7629g
M(biscoito)=14,7629g-14,2435g=0,0172g
Fio Fúsivel:
M(Fio antes da combustão)=0,0172g
M(Fio depois da combustão)=0,0057g
M(Fio “queimada”)=0,0171-0,0057g=0,0115g
Temperatura:
Ti=29,50ºC
Tf=30,24ºC
∆T=0,76ºC
Quantidade de calor liberada pelo fio fusível (Q2):
(1g de fio libera 4500cal de calor)
1g – 4500cal
0,0115g – Q2
Q2=0,0115g*4500cal/1g
Q2=51,75cal
 
Para determinar o calor liberado pela massa de biscoito Bauducco Levíssimo(Q1), realizamos:
Q1=Kbomba*∆T-Q2
Q1=2487,25cal/ºC*0,76ºC-51,75cal
Q1=1838,56cal
Agora calcula-se a variação de energia (∆E) do sistema em calorias por grama, realiza-se o calculo da quantidade de calor liberada pelo biscoito Bauducco Levíssimo dividido pela massa sua massa, então, temos que:
∆E=Q1/m
∆E=1838,56cal/0,5194g
∆E=3539,776cal/g
Com isso, calcula-se o Erro Relativo do Experimento, realizando a subtração da variação do calor teórico pela variação de energia, e dividindo este resultado pela variação de energia e multiplicando por cem, então, encontra-se o Erro Relativo do experimento:
ER%=(|3533,33-3539,776|/3533,33)*100%
ER%=0,1824%
Obs.: 
Para o calculo do Qteórioco observa-se nos rótulos dos produtos possuem valores tabelados que indicam uma certa massa do produto quando queimada produz uma certa quantidade de calorias. Então, para o biscoito Bauducco Levíssimo a proporção é de 106Kcal – 30g. Com isso, basta fazermos a razão da caloria liberada pela quantidade de massa necessária para liberar essas calorias e então obtemos o Calor de combustão teórico (Qteórico) usado nos cálculos acima.
Calculo:
Q(teórico)=106000cal/30g=3533,33cal/g
8- ANÁLISE DOS RESULTADOS 
No experimento da medição do K da bomba ocorreu tudo como o esperado e os resultados se aproximaram com os de outros grupos, onde K= 2487,25cal/°C.No experimento da determinação do calor de combustão do biscoito Club Social, foi-se determinado que produziu um calor de 2344,58cal , e que o erro relativo do experimento foi de 6,04%. Já no experimento da determinação do calor de combustão do biscoito Bauducco Levíssimo, foi-se determinado que produziu um calor de 1838,56cal, e que o erro relativo do experimento foi 0,1824%.
A princípio, os resultados obtidos foram bons e demonstraram que o calor produzido está de acordo com as embalagens. Depois de pesquisas concluímos que não apenas a pastilha de biscoito fornece a quantidade de calor notada no experimento. Os átomos de oxigênio e nitrogênio presentes em quantidade relevantes, também contribuem para o calor final, então, não somente a massa do biscoito foi queimada, mas também toda a matéria existente no compartimento da bomba calorimétrica. 
Como prova, foi-se verificado que ao titular a massa restante do experimento na determinação do K da bomba, com 0,2ml de hidróxido de sódio NaOH (C=1mol/L) mais uma gota de fenolftaleína, o produto ficou rosa (que indicava ainda a presença de algum ácido).Como o oxigênio realizará reação radicalar com o nitrogênio, fará com que os átomos radicalares de nitrogênio reajam com a matéria presente, produzindo ácido nítrico (HNO3).Mostrando assim que todos os átomos na bomba calorimétrica fornecem calor para o sistema, e por isso o ∆Ebiscoito deu maior do que o Qteórico. Mas, o ∆Epipos deu menor do que o Qteórioco, e explica-se isto de acordo com o tipo de massa que é colocada na combustão. A massa do pipos é seca e apresenta estabilidade maior, por isso a energia é perdida para queimar a matéria
Se soubéssemos o quanto de energia essas moléculas desprendem e o quanto influencia o estado da matéria (se é úmida, o nível de estabilidade dos átomos, se é seca, energia de ligação entre os átomos, entre outros) poderíamos diminuir esta energia do calor total desprendido ou somá-lo para ter mais precisão nos cálculos. Assim, sendo mais precisos no resultado do calor produzido apenas pela pastilha do material, com a diminuição do erro relativo.
9- CONCLUSÃO 
Com um experimento de combustão simples é possível descobrir a quantidade de calor que uma determinada substância libera por grama. E observou-se que se aproximam muito das informações dos rótulos dos produtos, com um erro de experimental menor que 6%. 	
Então, conclui-se que as informações dos fabricantes são coerentes com a realidade e que nosso método é bastante preciso na determinação do calor de combustão de substâncias.
 
10- REFERÊNCIA
P. W. Atkins e L. Jones, Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente, Bookman, Porto Alegre (2001).
P. W. Atkins, Físico-Química, Vol 1. LTC Editora, Rio de Janeiro (1999). Ver p. 45.
Pilla, L.; Físico-Química, Vol. 1, LTC, Rio de Janeiro, 1979.
R. P. Bauman, Introdução ao Equilíbrio Termodinâmico. EDUSP, São Paulo (1972).
J. B. Russel, Química Geral, 2a Edição, Vol. 2, Makron Books do Brasil, Rio de Janeiro (1992). Capítulo 17.
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO................................................................................. 03
OBJETIVO......................................................................................... 04
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.................................................... 05
 3.1. Bomba calorimétrica.................................................................... 05
 3.2. Calorimetria................................................................................ 05
 3.3.Capacidade Térmica e Calor Específico........................................... 06
 3.4. Definição de Calor Latente e Calor Sensível.................................... 06
 3.5- Conceitos de Transferência de Calor............................................... 07
 3.5.1-Transferência por Condução...................................................... 07
 3.5.2-Transferência por Convecção..................................................... 08
 3.5.3-Transferência por Radiação........................................................ 09
MATERIAL UTILIZADO......................................................................10
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL..................................................11
CÁLCULO DA CONSTANTE DA BOMBA.....................................13
TRATAMENTO DE DADOS.................................................................14
 7.1-Pipos Vitaminado.......................................................................................14
 7.2-BiscoitoTreloso Sabor Brigadeiro..................................................................16
ANÁLISE DOS RESULTADOS...........................................18
CONCLUSÃO........................................................................19
REFERÊNCIA..........................................................................20
CURIOSIDADE......................................................................21