La bomba calorimetrica di Mahler è un tipo di calorimetro usato per la determinazione del potere calorifico di combustione di solidi e di liquidi.
Per misurare il flusso di calore durante una trasformazione ed in particolare calori specifici, calori latenti di fusione e di ebollizione e calori di reazione ci si avvale di un dispositivo detto calorimetro.
Tra i diversi tipi di calorimetri la bomba calorimetrica di Mahler è il più noto ed offre notevole precisione nei risultati. La combustione è fatta avvenire in atmosfera di ossigeno puro in un robusto recipiente di acciaio detto Bomba.
Il calore svolto durante la reazione di combustione è comunicato all'acqua pesata del vaso calorimetrico di cui si registra l'innalzamento di temperatura.
Potere calorifico
Si determina in tal modo il potere calorifico superiore ovvero la quantità di calore che si rende disponibile per effetto della combustione completa a pressione costante della massa unitaria quando i prodotti di combustione siano riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente.
Nello specifico il potere calorifico superiore esprime la quantità di calore, espressa in MJ, che si libera nella combustione completa di 1 Sm3 alla temperatura di 15°C ed alla pressione assoluta di 1.01325 bar. Questa metodologia è usata comunemente, tra l'altro, per la determinazione del potere calorifico superiore di gas combustibili quali il metano.
Il potere calorifico superiore è espresso dalla formula:
Qs = Δt(A+a)/ p
Dove:
Qs è il potere calorifico superiore
Δt è l'innalzamento termico
A è la massa di acqua espressa in grammi contenuta nel calorimetro
a è l'equivalente in acqua del calorimetro ovvero la quantità di acqua avente capacità termica uguale a quella del corpo in acqua
p è il peso del combustibile
Componenti
La bomba calorimetrica è costituita da un recipiente in acciaio inossidabile dello spessore di circa 8 mm e della capacità di 650 cm3. Il coperchio della bomba è a vite e con guarnizioni di piombo per assicurare una perfetta tenuta.
Il coperchio ha due elettrodi, uno isolato alla cui estremità si trova un piccolo anello portacrogiolo, l'altro fissato al coperchio stesso, con il quale fa massa per l'immissione di ossigeno.
Esso è attraversato dai seguenti condotti:
1) Un condotto per l'immissione dell'ossigeno nella bomba, comandato da una valvola a spillo. Il condotto continua nell'elettrodo che è forato internamente
2) Un condotto per la fuoriuscita del gas dalla bombola regolato da una valvola
Sul coperchio della bomba sono presenti tre piccole colonnine:
-
- una contenente il serrafilo per l'elettrodo ed il comando della valvola a spillo
- un'altra colonnina contenente il serrafilo per l'elettrodo isolato
- la terza colonnina contenete il comando della valvola.
Funzionamento
Il collegamento tra gli elettrodi è realizzato tramite una spiralina di ferro destinata a bruciare quando passa la corrente e a provocare l'accensione del combustibile. Superiormente gli elettrodi sono collegati con un piccolo quadro elettrico di comando che fa corpo unico con l'agitatore.
Vi è poi un vaso calorimetrico che è di ottone della capacità di circa 4 litri e destinato a contenere l'acqua. Inoltre è presente un vaso cilindrico a doppia parete nella cui intercapedine è posta acqua a temperatura ambiente ed ha lo scopo di isolare il calorimetro riducendo al minimo gli scambi di calore con l'ambiente esterno.
Vi è poi un termometro di Beckmann tramite il quale è letta la variazione di temperatura che si verifica nel bagno termostatato a seguito della combustione. La quantità di sostanza adoperata nell'esperimento deve essere tale che la temperatura del bagno si innalzi di un grado o poco più al fine di evitare errori dovuti alla dispersione.
Quando tutto è pronto si inizia la lettura ad intervalli regolari di tempo ( ad es. 30 secondi) della temperatura segnata dal termometro. Nel cosiddetto periodo iniziale si nota un piccolo e regolare incremento della temperatura dovuto al calore prodotto dall'agitazione meccanica del bagno a mezzo dell'elica. Quando è chiuso il circuito elettrico la sostanza brucia e la temperatura aumenta rapidamente nel corso del cosiddetto periodo principale quindi decresce lentamente durante il periodo finale.
Calore di combustione
Il calore di combustione può essere calcolato dalla formula:
Xx + Yy + Zz = K(Tc – Tb + Σv)
Dove x, y e z sono rispettivamente il peso in grammi della sostanza sottoposta a misura, il peso in grammi della porzione di filo che si è bruciata e il numero di millimoli di acido nitrico formatosi per ossidazione di eventuali tracce di azoto presenti nella bomba.
X, Y e Z sono rispettivamente il calore di combustione in cal/g della sostanza, quello del filo e il calore di formazione di una millimole di acido nitrico.
K è la costante del calorimetro che è determinata attraverso un'esperienza preliminare da eseguirsi su una sostanza di cui sia noto il calore di combustione
Tc e Tb rispettivamente la temperatura massima letta nel periodo principale e la temperatura iniziale del periodo iniziale.
Σv è il calore di irraggiamento.
Il calore di combustione così calcolato è un calore di combustione specifico ovvero riferito a 1 grammo di sostanza e a volume costante e da esso si può risalire a ΔHcomb.
