1

Háskóli Íslands Raunvísindadeild

Verkleg æfing í eðlisefnafræði

Brennsluvarmamælingar; orkuinnihald efna ákvarðað.

Efnisinnihald / Content: bls./p:

Meginefni:

Fræði; Inngangur / Theory; Introduction…………………………. 2 – 4

Framkvæmd / procedure………………………………………….. 4 – 8

Úrvinnsla / Analysis……………………………………………….. 9

Eyðublað / Fill out form…………………………………………… 9

Heimildir / references……………………………………………… 9

Ítarefni:

Ítarlegri verklýsing / more detailed instructions……………..….. 10

Tölvuskráning gagna / data sampling…………………………….. 11 – 16

Gagnaúrvinnsla / data manipulation ……………………………. 17 – 22

Óvissureikningar / Theory of error………………………………. 23 – 24

Krækjur / links:

Tækjabæklingur / Equipment manual ……………………….…. 25

Verklýsing og úrvinnsla skv. GNS………………………………… 25

https://notendur.hi.is/agust/kennsla/ee19/eevab/Bomb calorimeter.pdf

Uppfært / updated: 13.1.2019

2

INNGANGUR

Ákvörðun á "orkuinnihaldi efna" jafngildir því að ákvarða hve mikil orka (kJ) losnar úr

læðingi við það að viðkomandi efni brennur / gengur í efnasamband við súrefni. Á máli

varmafræðinnar jafngildir þetta því að finna enthalpybreytingu (H; kJ mól-1) eða

varmaorkutilfærslu við fastan þrýsting (qp ; kJ g-1) fyrir efnahvarfið / brunann. Þetta er

framkvæmt í brennsluvarmamæli þar sem efnið er brennt í lokuðu íláti og hitaaukning

mæld. Í fyrstu er ákvörðuð "innri orku breyting" hvarfsins (U), sem síðan má nota notuð til

að finna enthalpybreytinguna (H) eða qp. Hér á eftir verður nánar greint frá þessu.

I. "Innri orku breyting" / U ákvörðuð.

Innri orku breyting efnahvarfs (U) er jafngild summu af varmarokutilfærslu (q) og vinnu (w)

skv. 1. lögmáli varmafræðinnar [1]:

U = q + w

Varmaorkutilfærsla í efnahvarfi við fast rúmmál / í lokuðu íláti (engin vinna framkvmd; w = 0)

(qV) jafngildir "innri orku breytingu" efnahvarfsins (U):

U = qV

Innri orku breyting hvarfs (U1), samfara hitastigsbreytingu úr T1 í T2, er jafngild innri orku

breytingu hvarfsins fyrir fast hitastig, T1 (U2) að viðbættri innri orku breytingu fyrir hitun

(eða kælingu) myndefna úr T1 í T2. Þetta má tákna með eftirfarandi hætti

U1 = U2 + U3

Við varmaeinangrandi aðstæður í brennsluvarmamæli (qV = 0) er U 1 = 0 og því gildir að

U2 = -U 3

3

Innri orku breyting hitunar (kælingar) Myndefna (U 3) er jafngild margfeldi af varmarýmd

myndefnanna (CMy) og viðkomandi hitastigsbreytingu (T = T2 - T1 ):

U 3= CMyT

því fæst að

U2 = - CMyT

þ.e. innri orku breyting hvarfsins við fast hitastig (T1 ) er jafngild margfeldi af varmarýmd

myndefnanna (CMy) og viðkomandi hitastigsbreytingu (T) með öfugu formerki. ATH: Við

framkvæmd mælinga þarf fyrst i) að ákvarða varmarýmd (Cmælir) mælisins og þvínæst ii) U 2.

II. "Enthalpybreyting" / H ákvörðuð.

Enthalpybreyting hvarfs er háð innri orku breytingu (U) og breytingu í margfeldi þrýstings

(P) og rúmmáls (V) (þ.e. PV = P2V2 - P1V1) skv.

H = U + PV

Fyrir efnahvarf sem felur í sér gasmyndun og/eða gaseyðingu á borð við efnahvarf bruna

lífræns efnis (CxHy (s/l)) við stofuhita

CxHy (s/l) + zO2(g) -> xCO2(g) + (y/2)H2O(l)

þar sem myndast x mól af CO2(g) og eyðast z mól af O2(g) (z = x+y/4) fyrir hvert eitt mól af

CxHy sem brennur lætur nærri að PV = nRT = RTn, þar sem n er breyting í mólfjölda

gass (n = x-z), R er gasfastinn og T = T1 sbr. hér ofar. H2 má því ákvarða skv.

H2 = U2 + RT1(x-z)

III. Leiðrétting fyrir bruna brennsluvírs

Í brennsluvarmamæli er notast við brennsluvír til að kveikja í sýninu (sjá nánar neðar). Fyrir

vikið getur ögn af vírnum brunnið líka ásamt efninu sem mæla á. Mæld hitastigsbreyting felur

því bæði í sér hitaaukningu vegna bruna sýnisins (I hér að ofan) og vírsins. Til að leiðrétta

fyrir þetta þarf að ákvarða innri orku breytinguna vegna bruna vírsins (Uvír) og draga það

gildi frá því gildi sem ákvarðað er í mælingunni (Umælt) til að finna innri orku breytingu

hvarfsins (U2):

U2 = Umælt - Uvír

4

Innri orku breytingu vegna bruna vírsins er einfaldlega hægt að finna með því að margfalda

saman uppgefinn brennsluvarma vírsins (Cvír) per cm (eða g) og lengd (l) vírsins (eða þyngd

(m)) sem brunnið hefur.

Uvír= Cvír(kJ cm-1) l(cm) eða

Uvír = Cvír(kJ g-1) m(g)

FRAMKVÆMD:

i) Ákvarðið varmarýmd mælisins (Cmælt) út frá bruna bensoic sýru (3 mælingar; 0.10 grömm,

nema í fyrstu mælingu (0.08 grömm (sjá síðar)).

ii) Ákvarðið "enthalpybreytingu" / brennsluvarma / orkuinnihald (kJ mól-1) sem og

myndunarvarma (fH [1]) tveggja efna:

a) Napthalene ( <0.06 g; 2 mælingar)

b) Orkuduft (ca. 0.1 g; 2 mælingar)

Framkvæmið samanburð við viðurkennd gildi.

Sjá MYNDIR HÉR / http://www3.hi.is/~agust/kennsla/ee09/vee09/BCf-09/BCf-09.htm

5

1) Notaður er mælir af gerðinni Parr 1421 (mynd 1). Byrjið á því að kveikja á mæli og sírita

og leyfið honum að hitna (æskilegur upphitunartími fyrir mælingu er 30 mín.). Pressið pillur

(< 70 mg) í pillupressu (mynd 2) ATH: gætið þess vandlega að þyngd pillu sé < 70 mg.

2) Vigtið deiglu með og án sýnis. Takið ca. 10 cm langan (mælið lengd og vigtið) kveikiþráð

og þræðið hann í festingar sýnahaldarans eins og sýnt er á mynd 3. Gætið þess að þráðendar

snertist ekki.

6

3) Komið deiglu fyrir í sýnahaldara. Látið vír snerta sýni, en alls ekki deiglu (mynd 4).

Mynd 4

4) Setjið lok með sýni á "bombuna". Skrúfið þétt með handafli. Komið "bombu" fyrir í

festara á borði og tengið við súrefnisúttak (sjá tækjabækling). Opnið fyrir súrefniskút og

hleypið súrefnisþrýstingi á með þrýstijafnara allt að 35 loftþyngdum. Frátengið "bombu".

Vigtið 466 g af eimuðu vatni í "dewar" brennsluvarmamælisins. Setjið "bombu" í haldara og

tengið hana við straumgjafa (mynd 5).

7

Mynd 5

5) Komið síðan "bombu" fyrir í mælinum og lokið honum (MEÐHÖNDLIÐ HITAMÆLINN

AF STÖKUSTU VARKÁRNI; sjá tækjabækling).

6) Í fyrstu (mæling (a)) er notaður síriti ásamt tölvu. Í seinni mælingum (b) skal einungis

nota tölvuskráningar. Tengið reim milli mótors og hrærara. Setjið motor í gang. Stillið

varmamæli á "READ",

(a) Skráning á sírita: Stillið sírita á 100 mV (?) og síritapenna á heppilega grunnlínu. Veljið

heppilegann hraða fyrir síritapappírinn. Skráið grunnlínu í hæfilegan tíma (ca 4 mín) til að fá

beina línu áður em kveikt er í sýni. Hleypið nú straumi á kveikiþráðinn með því að ýta

andartak á hnapp kveikikassans (mynd 1). Framkvæmið skráningu eftir að penni helst

stöðugur í hæfilegan tíma (ca 4 mín). Munið að skrá hjá ykkur og tilgreina í skýrslu

upphafs- og loka-hitastig.

(b) Tölvuskráningar (sjá nánari lýsingu neðar eða á vefslóðunum

http://www3.hi.is/~agust/kennsla/ee09/vee09/VEE-BCc-09.doc

http://www3.hi.is/~agust/kennsla/ee09/vee09/VEE-BCc-09.pdf ):

Í upphafi: Fáðu kennara til að setja upp Labjack og magnara tengingu milli tölvunnar og

Calorimælisins. Mikilvægt er að tengja LabJack USB tengi frá mæli í efra USB portið framan

á tölvunni.

Nota skal „Calorimetry“ forritið sem er í „Bomb calorimetry“ möppunni á skjáborði (e.

desktop):

Smellið á „Calorimetry“:

Nú sést spennumælingin í reitnum, Voltage (only used for setup).

Útbúið möppu til að vista gögn í:

Smellið á „möppuhnappinn“ við „Data save“ og smellið á „My Documents“:

Opnið möppuna „nemar VEE“ og útbúið ykkar eigin möppu (t.d. „Jón og Gunna“):

Forstillingar á mæli hefjast nú:

1) Snúðu valrofa tækisins á ZERO og snúðu síðan stillirofanum (fyrir ZERO)

uns 0.0xx (t.d. ca 0.02) birtist í Voltage glugga

8

2) Snúðu valrofa tækisins á NULL og snúðu síðan viðkomandi stillirofa (fyrir

NULL) uns 0.0xx (t.d. ca 0.02) birtist í Voltage glugga

3) Snúðu valrofa tækisins á CAL og snúðu síðan viðkomandi stillirofa (fyrir

CAL) uns 10.0x (t.d. ca 10.00) birtist í Voltage glugga.

Eitt volt á Voltage ramma samsvarar nú einni gráðu Celsíus, sem sýnir hitann

umhverfis bombuna (í vatninu) sem er umfram grunnstillingu tækisins.

Hefja mælingu: ýta á „START“

Í fyrstu mun einungis sjást suð sem mun taka allt grafið:

Það mun lagast um leið og hitamælingarnar hefjast.

Þegar grunnlína er orðin nægilega stöðug (ca 4 min / 240 sek)ýtið á kveikirofa

tækisins (svarti hnappurinn).

Þá fæst skyndiútslag til merkis um að íkveikja hafi átt sér stað / tekist. Eftir smá stund

rís hitaferillinn....uns hann nær hámarki. Látið nægilegan tíma líða frá því að hann

hefir náð hámarki og haldist stöðugur (ca 4 mín / 240 sek):

ýtið á „STOP“ takka

vistið gögn í ykkar möppu (t.s. sem skrána „maeling02“ í „Jón og Gunna“

Tilgreinið mörk til að skilgreina ferla fyrir upphafs- og lokahitastigsákvarðanir

(t.d.

Lower start(s): 100

Lower end(s): 200

Upper start(s): 500

Upper end(s): 600

Framkvæmið T ákvörðun: ýtið á „Analyse“:

Þá fæst „Resulting Temperature“ (t.d. 1.25386 oC)

Til að hefja næstu mælingu þarf einungis að ýta á „Start“ takkan á skjánum.

Munið að skrá hjá ykkur og tilgreina í skýrslu upphafs- og loka-hitastig.

7) að lokinni skráningu: Stöðvið mótor, fjarlægið reim og hitamæli og opnið mælinn. Takið

upp "bombu", frátengið og opnið loftventil hægt. Opnið "bombu" og mælið lengd (þyngd)

kveikiþráðar.

9

Úrvinnsla /Analysis:

Use the method described in the manual (see figure 5) to determine the temperature rise from your

measurements. The part of the manual that explains the procedure is reproduced here. A similar method is

described in GNS7/GNS8 (see fig. 3b) and could be used as well. For each one of the three measurements of

benzoic acid, obtain an estimate of the heat capacity of the instrument. Show detailed calculations for one of the

three. How important is it to include the heat of combustion of the wire? Use an average over your

measurements of benzoic acid to get the best estimate of the heat capacity of the instrument and use that in the

analysis of subsequent measurements (the naphthalene and the food supplement).

From each of the measurements of naphthalein and the food supplement, calculate the change in internal energy

upon combustion. Compare the values you get for napthalene with tabulated values (one source of this

information is the CRC handbook). Compare the values you get for the food supplement with the nutritional

statement on the jar. Also calculate the change in enthalpy upon combustion assuming the ideal gas law is

obeyed.

Use the measured heat of combustion as well as known values for the formation energy of the combustion

products to estimate the formation energy of naphthalene. Write a balanced chemical equation to illustrate the

relationship between the various quantities.

Estimate the order of magnitude of the error in each aspect of the measurements and calculate how big an error

in the results is caused by these. Estimate the error introduced by using the ideal gas law in the calculation of the

enthalpy change. You can use the van der Waals equation with constants given in chapter one in the text book by

Silbey et al.

Skýrslu ber að skila á formi útfyllts eyðublaðs.

Heimildir:

[1] "Experiments in Physical Chemistry" eftir C.W. Garland, J.W. Nibler og D.P. Shoemaker

7. útg., 2003. Æfing nr 6.

[2] "Experimental Physical Chemistry" eftir G.P. Matthews, ´85, Clarendon Press, Oxford.

Versions: 190112 (12.1.2019)

10

Procedure in more detail / ENGLISH:

Procedure:

You will use a Parr bomb calorimeter to measure heat of combustion of

benzoic acid (three samples) to find the heat capacity of the instrument (calibration)

naphtalene (two samples)

a food supplement, "Squeezy Powder" (two samples)

The procedure for preparing the samples and carrying out the measurements is very similar to that described by

GNS7/GNS8[1] but you should instead follow the procedure described in the Parr manual that comes with the

equipment (follow this procedure rather than the one described in GNS7/GNS8[1]). The manual can be found in

a folder on the shelf above the instrument. A scanned copy in jpeg format can be downloaded HERE.

Read the description of the experiment in GNS7/GNS8 to get theoretical background and discussion of the

analysis.

It is important that the instruments warm up for at least 30 minutes before measurements are made. Turn on the

paper recorder and set the knob on the calorimeter to the "zero" position (switch it from the "off" position). Set

the temperature knob on the calorimeter to 20 degrees. Set the adjustment of the recorder to 1 volt while you set

the zero. Set the voltage on the paper recorder to 0.1 V before taking the measurements so that a temperature rise

of 1 degree spans nearly the full width of the paper. If during the measurement the pen goes all the way to the

right, increase the setting on the calorimeter (for example from 20 to 21 degrees) until the pen moves away from

the right edge of the paper.

Weigh the wire on the balance with high precision (0.1 mg) befor and after the combustion (do not measure the

length, that is not precise enough). It is convenient to use a clamp on a stand to hold the lid of the bomb while

the wire is thread between the contacts. The part of the wire that burns forms metal oxide which appears as black

spherical particles. That needs to be removed before weighing.

You need to weigh 466 g of distilled water to put into the Dewar of the calorimeter. This constitutes the heat

bath. Make sure the distilled water is warmer than 20 degrees Centigrade, otherwise the initial temperature of the

water bath cannot be measured (it tends to be colder if it has just been produced and has not been sitting around

for long enough). Use the less precise Mettler PM4000 balance. The water needs to be replaced for each

measurement, its temperature rises by about a degree during the combustion. Dry the Dewar with paper before

weighing in the water.

The samples should be made into pellets (tablets) to make it easier to handle them. The instructions for preparing

the pellets is given here. The amount of benzoic acid should be around 0.07 g (not more than 0.08 g). Put the

cylinder for making the tablet as well as the funnel on the course balance beside the tablet press. Weigh in about

10% more than you want the tablet to weigh to account for some losses as the tablet is made. After forming the

tablet by pressurizing the sample, the larger cylinder is then turned around to press the tablet out. Check the

weight of the pill roughly and scrape it if it is too heavy. The tablet then needs to be weighed on the more precise

balance in the crucible of the bomb (zero the balance with the empty crucible in it). Do not touch the tablet or

leave it lying around after measuring its weight. Place it in the bomb right after it has been weighed. The amount

of naphthalene should be about 0.040 - 0.045 g (not over 0.05 g). The samples of the "squeezy powder" should

weigh around 0.10 g.

Read carefully the instructions for working with gas cylinders in GNS7/GNS8 (in the chapter on "Miscellaneous

Procedures") before coming to the lab. Practice opening the oxygen cylinder before the bomb is closed. The

pressure should be set to 35 psi (correct for the zero setting). It is important to continue recording the

temperature well after the combustion reaction has taken place, for at least 4 minutes, so that a straight baseline

has become clear.

11

VEE: Brennsluvarmamælingar /Bomb calorimeter ; Tölvuskráning gagna:

einnig: https://notendur.hi.is/~agust/kennsla/ee09/vee09/VEE-BCc-09.pdf

Í upphafi: Fáðu kennara til að setja upp “LabJack og magnara tengingu” milli tölvunnar og

Calorimælisins. Mikilvægt er að tengja LabJack-USB tengi frá mæli í efra USB portið framan

á tölvunni strax í upphafi.

Nota skal „Calorimetry“ forritið sem er í „Bomb calorimetry“ möppunni á skjáborði:

Smellið á „Calorimetry“:

Nú sést spennumælingin í reitnum, Voltage (only used for setup).

Útbúið möppu til að vista gögn í:

Smellið á „möppuhnappinn“ við „Data save“ og smellið á „My Documents“:

12

Opnið möppuna „nemar VEE“ og útbúið ykkar eigin möppu (t.d. „Jón og Gunna“):

Forstillingar á mæli hefjast nú:

1) Snúðu valrofa tækisins á ZERO og snúðu síðan stillirofanum (fyrir ZERO)

uns 0.0xx (t.d. ca 0.02) birtist í Voltage glugga

13

2) Snúðu valrofa tækisins á NULL og snúðu síðan viðkomandi stillirofa (fyrir NULL)

uns 0.0xx (t.d. ca 0.02) birtist í Voltage glugga

3) Snúðu valrofa tækisins á CAL og snúðu síðan viðkomandi stillirofa (fyrir CAL) uns

10.0x (t.d. ca 10.00) birtist í Voltage glugga.

4) Snúðu valrofa tækisins á READ.

Eitt volt á Voltage ramma samsvarar nú einni gráðu Celsíus, sem sýnir hitann umhverfis

bombuna (í vatninu) sem er umfram grunnstillingu tækisins.

Hefja mælingu: ýta á „START“

14

Í fyrstu mun einungis sjást suð sem mun taka allt grafið:

Það mun lagast um leið og hitamælingarnar hefjast. Þegar grunnlína er orðin nægilega stöðug

(ca 4 min / 240 sek)ýtið á kveikirofa tækisins (svarti hnappurinn).Þá fæst skyndiútslag til

merkis um að íkveikja hafi átt sér stað / tekist. Eftir smá stund rís hitaferillinn....uns hann nær

hámarki. Látið nægilegan tíma líða frá því að hann hefir náð hámarki og haldist stöðugur (ca 4

mín / 240 sek):

15

Ýtið á „STOP“ takka. Vistið gögn í ykkar möppu (t.s. sem skrána „maeling02“ í „Jón og

Gunna“

Tilgreinið mörk til að skilgreina ferla fyrir upphafs- og lokahitastigsákvarðanir

(t.d.

Lower start(s): 100

Lower end(s): 200

Upper start(s): 500

Upper end(s): 600

SJÁ næstu síðu:

16

Framkvæmið T ákvörðun: ýtið á „Analyse“:

Þá fæst „Resulting Temperature“ (t.d. 1.25386oC).Til að hefja næstu mælingu þarf einungis

að ýta á „Start“ takkann á skjánum. 130909

17

Flytja mæligögn fyrir brennsluvarmamælingu í IGOR skrá til úrvinnslu:

https://notendur.hi.is/~agust/kennsla/ee09/vee09/VEE-BCi-09.pdf

Opna excel

Open

...finna möppuna..

Velja „All files“

Velja skjal

Open

t.d.:

Yes

Finish:

18

Nú þarf að gera láréttan talnastreng lóðréttan / breyta línu í dálk:

Velja talnaslínuna

Copy

Velja hólf, t.d. a2

Paste special -> velja (haka við) transpose

OK

19

Eyða efstu línu:

Hægri smella á línunúmer

Delete

Velja dálk (A)

Find & select

Replace

Find what: ,

Replace with: .

Replace all

OK

X

20

Velja talnastreng

Copy

Fara í IGOR

Fara efst í töflu

Paste

21

Display wave0:

22

23

Óvissureikningar / Theory of error:

https://notendur.hi.is/agust/kennsla/ee11/eev11/ovissa.htm

24

Krækjur / Links:

Tækjabæklingur (krækja) / Equipment manual (link):

https://notendur.hi.is/~agust/kennsla/ee09/vee09/BC-Manual.pdf

Verklýsing og úrvinnsla skv. GNS:

https://notendur.hi.is/agust/kennsla/ee19/eevab/BC-GNS.pdf