RESUMO

O experimento consistiu na determinação do calor de combustão de um corpo de prova, no caso farinha de mandioca, através de cálculos de balanço de energia, utilizando uma bomba de combustão inserida num calorímetro adiabático. O valor obtido foi 3416,04 cal/g. Para tanto utilizou-se o ácido benzóico para determinação da capacidade calorífica do calorímetro (valor obtido:-208,7 cal/g), uma vez que seu calor de combustão era conhecido.

ParedeAdiabática

Volume de Controle + -

AgitadorTermômetro

1. Objetivo

O experimento teve como objetivo determinar o calor de combustão da farinha de mandioca, utilizando o valor conhecido do calor de combustão do ácido benzóico.

2. Fundamentação teóricaUma importante fonte de energia nos processos de transferência, o calor, é definido

em termos de temperatura. O calor é a energia que se transfere através dos contornos de um sistema que interage com o ambiente, em virtude de uma diferença de temperatura.

O calor Q, do mesmo modo que o trabalho, não faz parte do sistema. Ele só tem significado durante um processo e depende da trajetória. Logo,

Q=∫estado 1

estado 2δQ≠Q2−Q1 (1)

Calor de combustão, ou entalpia de combustão, é definido como sendo a quantidade de calor necessária para que ocorra uma reação de combustão com uma certa massa de uma substância. A determinação do calor de combustão tem grande importância no estudo das trocas energéticas que ocorrem durante as reações. O calor de combustão é medido em função da variação de temperatura de um calorímetro de capacidade calorífica conhecida, no interior do qual ocorre a reação.

Um calorímetro é um equipamento utilizado para a determinação da capacidade calorífica de uma substância. Calorímetro ideal é aquele essencialmente constituído por um recipiente fechado, de paredes adiabáticas, de modo que o calor não se propague através dele, conforme a figura abaixo.

Figura 1 - Desenho Esquemático do Calorímetro utilizado no experimento.

A expressão geral da primeira lei da termodinâmica, através de um balanço de energia, diz que:

Q¿

vc+∑ ment

¿( hent+

V ent2

2+gzent )=

dU vc

dt+∑ m

¿

sai(hsai+V sai

2

2+gzsai)+W vc

¿

(2)

onde Qvc = taxa de calor aplicado no volume de controle;dU/dt = variação de energia total aplicado no volume controle;Wvc = taxa de trabalho aplicado no volume de controle;

Considera-se como sendo o sistema (ou volume de controle) a bomba calorimétrica, a água e a pastilha do corpo de prova. O sistema está fechado e em repouso. Assim,

Q¿

vc=dU vc

dt+W vc

¿

(3)

O trabalho fornecido pelo agitador mecânico é desprezado. O calor de combustão do fio de ignição também é desprezado e admite-se que o equipamento é adiabático, ou seja, toda energia liberada pela pastilha é assimilada pela água e pelo calorímetro, desprezando-se quaisquer perdas para o exterior. Assim,

dU vc

dt=Q

(4)

ou ainda, ΔH=ΔU +Δ (PV )

porém, não é errado desconsiderar o termo Δ (PV ) quando os participantes da reação são sólidos ou líquidos. Então,

Q=ΔHcombustão≃ΔU

Para a obtenção do calor de combustão da farinha de mandioca, partiu-se das seguintes equações:

Qágua+Q bombacalorimétrica

=mcc ΔHcombustão

(5)

Qágua=mw cw (ΔT ) (6)

Q bombacalorimétrica

=C (ΔT )(7)

3. Materiais e métodos Banho termostático. Calorímetro adiabático (tipo KL-5). Pastilhador. Ignidor. Agitador mecânico. Lupa. Bomba de aço inox. Ácido benzóico em pó. Farinha de mandioca. Balança analítica. Termômetro de precisão 0.005°C. Água destilada. Cilindro de oxigênio puro. Fio de aço muito fino. Recipiente pequeno de vidro.

De início, foi coletado e pesado na balança analítica em um recipiente de vidro, 1 grama de pó de ácido benzóico. Em seguida, todo o pó foi colocado no pastilhador juntamente com um pedaço do fio que ficará aderido na pastilha, de modo que a compressão mecânica faça com que o pó forme uma pastilha. Então, verifica-se a massa da pastilha com o fio. A pastilha é pendurada pelos fios do aço inox dentro da bomba de aço inox e esta tampada. Através do bico na tampa da bomba é inserido o oxigênio com a ajuda de um cilindro de gás até que a pressão no interior da bomba fique entre 20 e 30 atm. A bomba é colocada dentro do calorímetro, adicionando água do banho termostático suficiente para cobrir a bomba. Deve-se verificar qual a massa de água que fora colocada dentro do calorímetro. Os pinos de contato devem ser conectados à bomba para que se comece o experimento com o calorímetro.

Dentro do calorímetro devem estar presentes o termômetro de precisão com uma lupa acoplada a ele para que se possa acompanhar a escala de temperatura da água no interior do calorímetro e um agitador mecânico para homogeneizar a temperatura da água. Verificou-se agora a temperatura inicial da água contida no calorímetro, que foi anotada. Pelos controles disponíveis, foram ligados o agitador mecânico e o calorímetro. Teve-se que fazer a coleta de dados da temperatura da água no calorímetro a cada 1 minuto através do termômetro de precisão, tempo esse que era informado pelo painel do calorímetro. Anotava-se os valores de temperatura até o momento em que era percebido a estabilização da temperatura, nesse momento, então, foi apertado o botão de ignição no painel do calorímetro, o qual fez com a temperatura começasse a subir de novo. Novamente, foi necessário acompanhar essa subida de temperatura da água através do termômetro de precisão a cada 1 minuto até que a temperatura se estabilizasse mais uma vez. Era o fim do experimento com o pó de ácido benzoico para determinar o calor de combustão.

Terminado o experimento com o pó de ácido benzoico para determinação do calor de combustão, agora foi a vez de refazer exatamente o mesmo procedimento anterior para a farinha de mandioca.

4. Resultados e discussãoEm um primeiro momento, foi necessário utilizar um material com dados conhecidos

para realizarmos uma calibração de toda a aparelhagem, bem como da determinação da capacidade calorífica da bomba. Para isso, utilizamos um corpo de prova de 1g de ácido benzoico (ΔH=-6267,53 cal/g). Além disso, durante o processo de aquecimento e ignição utilizou-se uma certa quantidade de água que era necessária ser pesada, assim, obtivemos uma massa de 2573,8 g de água. Os dados de temperatura e tempo são mostrados na Tabela 1.

Tabela 1 – Dados obtidos para o ácido benzoico. Observa-se que o primeiro tempo está em 5 minutos pelo fato da dificuldade de se arrumar o visor do termômetro na posição correta.

Tempo (min) Temperatura (˚C)0 205 20,536 20,557 20,55

Ignição8 22,39 22,4

10 22,5211 22,5912 22,6113 22,6314 22,6515 22,6516 22,65

Temos a seguinte distribuição da temperatura em relação ao tempo.

0 5 10 15 20 2520

20.5

21

21.5

22

22.5

Temperatura x tempo para o ác. benzóico

Tempo (min)

Tem

pera

tura

( C)

Gráfico 1 – Distribuição da temperatura no tempo

Com os dados da Tabela 1, da massa de água e sabendo que cw=1 cal/g˚C, podemos calcular a capacidade calorífica da bomba, através das Equações (5) e (7), resultando em -208,7 cal/˚C. A partir desse valor, passamos a realizar o experimento para a farinha de mandioca, com a finalidade de determinar o ΔHcombustão. Os dados obtidos e a distribuição com o tempo podem ser encontrados na Tabela 2 e no Gráfico 2, respectivamente.

Tabela 2 – Dados de temperatura obtidos para a farinha de mandioca.

Tempo(min) Temperatura(˚C)0 20,651 20,662 20,683 20,684 20,68

Ignição5 21,416 21,587 21,78 21,729 21,82

10 21,8111 21,8812 21,913 21,914 21,9215 21,9216 21,92

0 2 4 6 8 10 12 14 16 1818.5

19

19.5

20

20.5

21

21.5

22

22.5

23

Temperatura x tempo para o corpo de prova

Tempo (min)

Tem

pera

tura

( C)

Gráfico 2 – Distribuição da temperatura com o tempo.

Com isso, sabendo que a massa do corpo de prova também era de 1 g e que a massa de água foi de 2481,1 g, utilizando a equação (5), chegamos que o calor de combustão da farinha de mandioca é de -3416,04 cal/g.

5. Conclusão

Através dos cálculos, obtemos que durante a ignição da farinha de mandioca, o corpo de prova de apenas 1 g, liberou um total de 3416,04 cal para o meio. A principal fonte de erro desse experimento é o fato de que o calorímetro é considerado perfeitamente adiabático, algo que não ocorre realmente. Um fato interessante do ocorrido foi a verificação da formação de produtos característicos da combustão.

6. Referências PERRY, R. H. e GREEN, D. “Perry’s Chemical Engineers' Handbook”. Editora McGraw-Hill

International, 6ªEdição, USA, 1984. SISSOM, L.E. e PITTS, D. R. “Fenômenos de Transporte”. Editora Guanabara. Rio de

Janeiro, 1979. MORAN, Michael J. SHAPIRO, Howard N., Princípios de termodinâmica para

engenharia, 4ª edição, Capítulo 13, Editora LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A, RJ, 2002.