Determinazione del calore di combustione specifico di un pellet vegetale La bomba calorimetrica di Mahler è un apparecchio che consente la determinazione del potere calorifico superiore di un combustibile solido o liquido. Essa consiste in un recipiente cilindrico di circa 500 cm 3, chiuso con un coperchio a vite, dal quale rientrano due fori verso l'interno. In uno di questi fori è introdotta un'asticella di ferro che regge un crogiolo di materiale refrattario. Nel crogiolo viene inserito il combustibile di cui si vuole determinare il potere calorifico. Se si tratta di un solido viene preparata una pasticca con l ausilio di un apposita pressa. La sostanza combustibile viene posta in contatto con un filo metallico agganciato alle asticelle di ferro. Tale filo consente di chiudere un circuito elettrico che serve ad innescare la reazione di combustione trasferendo calore per effetto Joule. Dopo aver alloggiato il combustibile viene introdotto l ossigeno sotto pressione. La bomba viene immersa in un secchiello colmo d'acqua, munito di agitatore e termometro. Il secchiello a sua volta è posto in un dewar (contenitore adiabatico). Si mette in moto l'agitatore e, quando il termometro legge una temperatura costante si impone una differenza di potenziale tra le asticelle di ferro la quale fa riscaldare il filo metallico (che in parte si ossida rompendosi e interrompendo il processo). Tale input di energia permette l avvio della reazione di combustione. Il termometro permette di registrare la temperatura per ottenere un termogramma della reazione. Per individuare il T a partire dal termogramma si utilizza un metodo grafico in modo da tener conto di lievi pendenze dei tratti iniziale e finale (fughe termiche, effetti parassiti). Si trovano i punti di intersezione tra le rette che passano per i tratti iniziale e finale ed una retta perpendicolare all asse delle ascisse che passa per il tempo corrispondente sul termogramma
alla temperatura Tm Ti 0,632 Tf Ti dove T i è la temperatura subito prima del salto termico e T f è la temperatura alla fine del salto termico: T m T i T T f Nel caso mostrato in figura: T i = 24.88 C T f = 27.88 C T m = 26.77 C t = 6.5 min T = 27.61-24.98 = 2.63 C La taratura del calorimetro prevede la determinazione della capacità termica del sistema utilizzando una sostanza della quale si conosce il calore di combustione. L acido benzoico viene spesso utilizzato per questo scopo. La sua entalpia di combustione molare a 298.15 K è -3227.5 Kj/mol 15 C7H6O2 s O2 g CO2 g H2O l 2 7 3 Poiché il calorimetro lavora a volume costante è necessario calcolare il U molare a partire dal H molare : U H ( PV ) H RT
dove variazione delle moli di specie gassose per ogni mole di combustibile consumata. Nel caso dell acido benzoico -0.5 Noto il U di combustione si ottiene il U conoscendo le moli di acido benzoico introdotte nel calorimetro: U J n mol U J mol 1 ( ) ( ) ( ) Ovviamente la quantità di sostanza n si ricava dalla massa della pasticca di acido benzoico nota la massa molare: n( mol) mg ( ) M gmol 1 ( ) La quantità U è pari al calore sviluppato a volume costante Qv che sarà trasferito al liquido calorimetrico, si tratta di una quantità negativa dal punto di vista della reazione chimica che avviene nella bomba, ma dal punto di vista del liquido calorimetrico è una quantità positiva, poiché assorbita. Di conseguenza la capacità termica C del calorimetro (detta anche COSTANTE DEL CALORIMETRO) è calcolabile con la seguente formula: 1 Qv U C( J K ) T T Tale capacità termica (sempre positiva) sarà molto vicina alla capacità termica del solo liquido calorimetrico calcolabile come prodotto tra il calore specifico (c ) dell acqua (4.184 J K -1 g -1 ) e la massa d acqua introdotta nel cestello (pari alla densità per il volume). Si ricorda che la densità dell acqua è pari a 1 g cm -3. C J K c J K g m g 1 1 1 ( ) ( ) ( ) Per una taratura più accurata, alla quantità di calore liberata dalla reazione andrebbe aggiunta anche la quantità di calore sviluppata in seguito all ossidazione del filo metallico utilizzato per l innesco. A tal proposito si dovrebbe pesare il filo prima di montarlo nell apparecchio e la quantità di filo incombusto al termine dell esperimento e valutare per differenza quanta sostanza si è ossidata. Il calore di combustione del materiale metallico è fornito dalla casa produttrice della bomba calorimetrica.
Dopo aver tarato la bomba calorimetrica con l acido benzoico è possibile procedere nello stesso modo con la biomassa vegetale. Una quantità di pellet di circa un grammo viene pesata e sistemata nel crogiolo analogamente a quanto fatto per l acido benzoico. Tutte le operazione vengono svolte nello stesso modo. Il T estrapolato dal termogramma ottenuto per il pellet vegetale viene utilizzato per valutare il potere calorifico superiore di questo combustibile di scarto, mediante la formula: Q pellet 1 C( J K ) T ( ) 1 pellet K ( J g ) m pellet ( g) dove C rappresenta la costante del calorimetro determinata in precedenza con la procedura di taratura.