CALORÍMETRO DIFERENCIAL DE VARRIMENTO Projecto Faculdade de Ciências da Universidade do Porto MONTAGEM E TESTE DE UM CALORÍMETRO DIFERENCIAL DE VARRIMENTO CONSTRUCTION AND TEST OF HOME MADE DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETER PAULA CRISTINA DE JESUS OLIVEIRA Supervisor: Luís M. N. B. F. Santos

Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Projecto Objectivo Desenho, montagem e teste de um DSC especialmente vocacionado para medição de capacidades caloríficas à temperatura de 298 K pelo método de salto de temperatura. Criar um sistema de calorimetria diferencial de varrimento de baixo custo e para tal foram usados dois sensores de fluxo de calor comerciais baseados no efeito Peltier. O objectivo geral deste projecto foi o desenho, montagem e teste de um calorímetro diferencial de varrimento, de baixo custo, especialmente vocacionado para a medição de capacidades caloríficas á temperatura ambiente pelo método de salto de temperatura. Este sistema foi criado com base na ideia de se utilizarem dois sensores de fluxo de calor comerciais do tipo Peltier

Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Projecto Esquema geral Célula de DSC R M Aqui surge um esquema geral de todo o sistema do DSC. Existe uma representação da célula de medição, onde se podem visionar as duas cavidades principais do bloco calorimétrico (para referência e para amostra) onde são colocados os Peltier. De notar que as cavidades são simétricas, assim como os tubos por onde deverá circular o líquido refrigerador. Neste bloco calorimétrico circula um liquido refrigerador cuja temperatura é regulada pelo banho termostático, o datalogger foi utilizado como sistema de aquisição de dados e o computador onde se tratam os dados adquiridos. R – Referência ; M - Medição

Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Projecto Imagem Geral Esta é uma imagem real do resultado final da montagem do DSC, onde se podem ver praticamente todos os componentes do sistema: o datalogger, o banho termostático, o bloco calorimétrico, os cadinhos utilizados nas medições e até mesmo o computador que estaria mais á direita na imagem.

Projecto e construção do DSC - 1 Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Projecto Projecto e construção do DSC - 1 Vista de topo do bloco calorimétrico Vista do corte longitudinal do bloco calorimétrico Vista do corte lateral do bloco calorimétrico A primeira parte do projecto baseou-se no desenho à escala do bloco calorimétrico. Nesta imagem observa-se a vista de um corte do bloco calorimétrico, cujo corte atravessa-se a meio as cavidades principais do bloco. Nesta imagem de notar especialmente as cavidades principais e nos tubos para a circulação do líquido refrigerador e na simetria de ambos no bloco.

Projecto e construção do DSC - 2 Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Projecto Projecto e construção do DSC - 2 Esta aqui apresentada a imagem do bloco de alumínio das tampas e conectores necessários para a criação do bloco calorimétrico. Nesta segunda imagem surge o bloco calorimétrico. O bloco de alumínio foi trabalhado na oficina de física desta faculdade e posteriormente foi anodizado por nós para que este se torna-se mais resistente principalmente á corrosão. Na terceira imagem vê-se o resultado praticamente final da montagem do bloco calorimétrico, este já se encontra revestido por corticite já se encontram ligados os tubos de teflon e em circulação o líquido refrigerador que será responsável pela termostatização do bloco calorimétrico.

Ensaios preliminares - Brancos Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Projecto Ensaios preliminares - Brancos 0.01 0C Depois ter-mos terminado a montagem do calorímetro iniciamos os ensaios para teste do mesmo. Após deixar-mos o DSC em funcionamento aproximadamente 24 horas, notamos que o sinal da temperatura era muito estável tendo em conta que as suas variações seriam á centésima de grau nesta imagem e que o sistema ficou em funcionamento durante um longo período. O comportamento dos peltier em ambas as cavidades é muito semelhante e que por sua vez o sinal diferencial possui um ruído cerca de 10 vezes menor do que o sinal individual de cada peltier . Também se observa que os sinais individuais apresentam um certo decaimento e que não é visível no sinal diferencial pelo facto da diferença dos sinais se compensar. Estas características tornam o uso do sinal diferencial favorável para este tipo de sistemas, como aliás já suspeitávamos atendendo ás referências bibliográficas consultadas. 5,00 µV

Ensaios preliminares – Utilização de um cadinho Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Projecto Ensaios preliminares – Utilização de um cadinho Nível da linha de base quase inalterado Nível da linha de base com grande dependência da temperatura Instante da colocação das tampas

Aquisição de dados Linha de base Ácido Benzóico Antraceno Tiantreno Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Projecto Aquisição de dados Linha de base Ácido Benzóico Antraceno Tiantreno Safira Aqui são apresentados os resultados qualitativos para cada composto. A figura da linha de base mantêm-se pela sua importância, pois o valor da área da curva do sinal diferencial é subtraído ao valor da área da curva do diferencial de todos os compostos utilizados, uma vez que a magnitude dos sinais brancos é quase da mesma ordem que os sinais da linha de base (que possuem apenas mais os dois cadinhos vazios) e cerca de 2/3 do sinal da linha de base é devido aos brancos.

Equações utilizadas E = Cp referência (Safira) x n (Safira) Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Projecto Equações utilizadas E = Cp referência (Safira) x n (Safira) [(Área/DT)Safira – (Área/DT)Linha de base] S = E [(Área/DT)Composto – (Área/DT)Linha de base] n (composto) x S Cp (composto) =

Resultados Finais Composto Cp médio (J.K-1.mol-1) Cp Referência Erro Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Projecto Resultados Finais Composto Cp médio (J.K-1.mol-1) Cp Referência Erro (%) Ácido Benzóico 147.5 146.65 + 0.6 Antraceno 208.0 211.70 - 1.8 Tiantreno 217.0 220.17 - 1.4

Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Projecto Considerações Finais Foram concluidas com sucesso a marioria das tarefas programas no projecto. “Desenho, montagem e teste de um DSC especialmente vocacionado para medição de capacidades caloríficas à temperatura de 298 K pelo método de salto de temperatura” O nível de ruído do sinal diferencial é cerca de uma ordem de grandeza inferior ao ruído do sinal individual obtido em cada um dos sensores Peltier. A magnitude dos sinais em branco é quase da mesma ordem dos valores da linha de base e representa aproximadamente 2/3 do sinal de calibração ou com os compostos. Há uma excelente concordância com os resultados da literatura para todos os compostos teste. Os desvios dos resultados obtidos variam entre 1.5% a 3% em relação aos resultados tomados como de referência.