CALORIMETRÍA Y CALOR ESPECÍFICO

RESUMEN: En el siguiente informe se presentan los resultados y análisis de la práctica realizada, la cual consistía en la determinación de algunas constantes de un calorímetro artesanal, un calorímetro de Lavoisier (elaborado artesanalmente), de la constante de reacción de un calorímetro digital, además del calor latente de fusión del hielo y de la capacidad calorífica de un metal de 5g, el cual era un trozo de cobre.

PALABRAS CLAVE: calor, equilibrio térmico, temperatura, fusión, metal, calorímetro.

ABSTRACT: The following report presents the results and analysis of carried out practice, which consisted in the determination of some artisanal calorimeter constants, a calorimeter of Lavoisier (handcrafted), of the reaction of a digital calorimeter constant, as well as the latent heat of fusion of ice and heat capacity of a metal of 5 g, which was a piece of copper.

KEYWORDS: heat, termal equilibrium, temperature, melting, metal, calorimeter.

ITRODUCCION

CALOR DE FUSIÓN

Al enfriar, a presión constante, un líquido puro experimenta un decrecimiento en la energía de traslación promedio de sus moléculas, y de aquí que su temperatura desciende hasta alcanzar el punto de congelamiento, en el cual las fuerzas de atracción vencen a la energía de traslación y las moléculas se ven obligadas a acomodarse en una configuración geométrica característica de cada sustancia.

Al calentar un sólido puro, incrementa su energía de vibración, hasta que en el punto de fusión algunas partículas vibran con suficiente energía para vencer las fuerzas de confinamiento, y entonces el sólido funde.

Se denomina calor de fusión a la cantidad absorbida necesaria para realizar la transición de un mol de estado sólido al líquido.

CAPACIDAD CALORÍFICA

Es la cantidad de calor requerida para producir un ascenso de temperatura de un grado, donde dq es una cantidad de calor muy pequeña, y dT es el ascenso de temperatura producido:

C=dTdq

Y C es así la capacidad calorífica del sistema. En términos más simples:

C= Q∆T

=c ∙m

Dónde:

•C es la capacidad calorífica del cuerpo o sistema

•c es el calor específico o capacidad calorífica específica

•m la masa de sustancia considerada

PROCESOS ISOTÉRMICOS Y ADIABÁTICOS

Las relaciones de energía y el estado de cualquier sistema durante un proceso dependen no solamente de la manera en que el trabajo se ha efectuado, sino también de ciertas condiciones experimentales impuestas sobre el sistema como un todo. Dos restricciones de importancia involucran procesos efectuados bajo condiciones isotérmicas o adiabáticas.

Un proceso isotérmico es cualquiera realizado de manera que la temperatura permanece constante durante toda la operación. Un proceso adiabático es aquel en el que no hay absorción ni desprendimiento de calor por parte del sistema.

MEDICIÓN DE LOS CAMBIOS TÉRMICOS

Para determinar directamente la variación de calor comprendida en una reacción, se usa el calorímetro, que consiste en un recipiente asilado lleno de agua en la cual se sumerge la cámara de reacción. Cuando la reacción es exotérmica el calor producido se transfiere al agua cuyo ascenso de temperatura se lee con precisión mediante un termómetro sumergido en ella. Conociendo la cantidad de agua, su calor específico y la variación de temperatura se calcula el calor de reacción después de tener en cuenta la velocidad de enfriamiento del calorímetro, aumento de temperatura etc. Estas correcciones se evitan al determinar la capacidad calorífica del calorímetro por combustión de cierta cantidad conocida de sustancia, cuyo calor de combustión se ha determinado con determinado con precisión.1

Un aparato análogo sirve también para las reacciones endotérmicas pero en este caso se medirán descensos de temperatura en lugar de aumentos.

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CALOR DE REACCIÓN A VOLÚMEN O PRESIÓN CONSTANTE

Hay dos condiciones generales bajo las cuales se efectúan las mediciones termoquímicas, una es a volumen constante y otra a presión constante. En la primera se mantiene constante el volumen del sistema cuyo cambio térmico se busca durante todo el curso de medición. En cambio al operar a presión constante, se mantiene el sistema bien sea abierto a la atmósfera, o confinado dentro de una vasija sobre la cual se ejerce una presión constante. En estas condiciones puede tener lugar cualquier cambio de volumen y el sistema es capaz de ajustarse a la presión externa constante.

Las magnitudes de los cambios térmicos obtenidos en estas dos condiciones difieren en general. A volumen constante cualquier cambio térmico que tiene lugar se debe únicamente a la diferencia entre la suma de las energías internas de los productos y la correspondiente a los reactivos. A presión constante, sin embargo, no sólo hay variación de energía interna, sino además un trabajo que modifica la proporción de calor observada en el calorímetro a volumen constante.

El significado exacto de ambos tipos de medición, se obtiene mejor, al aplicar la primera ley termodinámica a la variación térmica que ocurre dentro del calorímetro. De acuerdo a ella, caulquier valor q agregado irá a incrementar la energía interna de éste, y a realizar un trabajo externo. Cuando hay volumen constante no se realiza trabajo, es decir, cualquier cambio térmico que ocurre en el calorímetro a volúmen constante debe ser una variación en la energía interna debida a la reacción o transformación física o química. Por lo que

(q)P=∆ E+P∆V

De acuerdo con la ecuación anterior el cambio térmico observado en el calorímetro a presión constante comprende no sólo una variación de la energía interna sino también el trabajo de cualquier expansión o contracción del sistema.

A volumen constante, el efecto térmico mide el cambio de energía interna, da a presión constante la variación de entalpía de los productos y reactivos. El calor de reacción a volumen constante es igual a la cantidad termodinámica ∆ E. Análogamente el calor de reacción a presión constante es igual a ∆H la reacción entre ambas es:

∆ H=∆ E+P∆V

Un valor positivo de ∆ H ó ∆ E muestra que el calor es absorbido durante el proceso, mientras que uno negativo enseña que se cede calor.

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

Establece que al tener dos sistemas o más en contacto térmico, el sistema alcanzará el equilibrio térmico si las paredes entre ellos es conductora.

Si se tienen tres sistemas A, B, y C; se encuentran en contacto térmico A con B y B con C, pero A y C no están en contacto, llegará un momento en el que los tres sistemas alcanzarán el equilibrio térmico.2

Esto sucede por que el A y B alcanzan el equilibrio, por otro lado B y C alcanzan también el equilibrio, por lo que se puede establecer que A y C también alcanzan el equilibrio térmico.

CALOR ESPECÍFICO

El calor específico, es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a una sustancia para elevar su temperatura en una unidad. En general, el valor del calor específico depende del valor de la temperatura inicial. 3 Se le representa con la letra c.

La capacidad calorífica es la cantidad de calor que se debe suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra C.

Por lo tanto, la el calor específico es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa, esto es:

c=Cm

Donde m es la masa de la sustancia.

También se puede expresar:

Q=mc∆ t

MATERIALES Y METODOS

MATERIALES

2 vasos de icopor Termòmetro Beaker 200 mL Tripode

2 http://fisicoquimica.wikidot.com/4-ley-cero-de-la-termodinamica3 Resnik, Halliday & Krane (2002). Física Volumen 1. Cecsa.

Malla de asbesto Mechero Cuchara de combustion Bloques metalicos Probeta de 100 mL Un vaso aislado térmicamente (vaso de icopor) Beaker de 400 mL Beaker de 1000 mL Probeta 250 mL

METODOS

a. Determinacion de la constante del calorimetro: inicialmente se midieron y pesaron 100 mL de agua, los cuales se introdujeron en el recipiente calorimetrico pesado con anticipacion con su respectiva tapa. Con especial cuidado se perforò la tapa del calorimetro para lograr introducir el termòmetro y tomar la temperatura del agua. Con ayuda de un beker se calentaron 50 mL de agua hasta alcanzar una temperatura cercana a los 60ºC , cuando dicha temperatura se ha alcanzado el agua se tranfirieron rapidamente al calorimetro el cual se tapo rapidamente y luego de agitar cuidadosamente se tomò de nuevo la temperatura, esta vez cuando el logrò el equilibrio termico.

b. Determinación de la capacidad calorífica de un metal: para determinar la capacidad calorífica de un trozo de un metal el primer paso fue poner a ebullición 100 mL de agua, con el fin de introducir en ella el trozo de metal previamente pesado durante 2 minutos; tiempo durante el cual se tomò un vaso de icopor al cual se le adicionaron 100 mL de agua y verifico su teperatura. Despues de trancurrido el tiempo oportuno se transfirio el metal al vaso de icopor que contenia el agua fria y se tapo rapidamente; por ultimo se espero entre 40 y 50 segundos, y se tomo la temperatura cuando se habia alcanzado el equilibrio termino. Con dichos datos y como se mostrarà mas adelante se logra determinar la capacidad calorifica del metal.

c. Determinación del calor latente de fusión del hielo: en un beaker se introdujo una pequeña cantidad de hielo al que se le agrego agua destilada hasta alcanzar una temperatura de -4ºC. en otro beaker se calentaron 50 mL de agua hasta alcanzar una temperatura de 50ºC que se introdujeron en el calorímetro tomando su temperatura después de unos segundos. Por último, se tomaron aproximadamente 50 g del hielo mencionado en la primera parte, agitando se logró que se fundiera totalmente y luego se tomó la temperatura de equilibrio.

d. Determinación del calor especifico del calorímetro: se tomaron 50 mL de agua destilada y se añadieron al recipiente calorimetrico previamente pesado (con tapa y termomètro) se tomò la temperatura del agua, abriendo un pequeño

orificio en la parte superior de la tapa del recipiente. Se midieron 100 mL de agua (determinar masa) y con ayuda de una placa de calentamiento se aumento su temperatura hasta aprximadamente 50ºC y luego se pasaron rapidamente al calorimetro tapandose rapidamente, por ultimo se determino la temperatura a la cual se logrò el equilibrio termico.

e. Determinación de la constante del calor de reacción: Inicialmente se pesó ,18g de carbón con el cual se realizó una pastilla que posteriormente fue introducida en un recipiente (parte del calorímetro), al cual se le colocó un hilo con el fin de que este al quemarse, hiciera quemar al carbón. Finalmente se insertó en la máquina y se cerró. Después de unos minutos, el calorímetro nos proporcionó un valor de H y unas temperaturas; con estos valores fue posible determinar la constante.

RESULTADOS Y DISCUSIÒN

1. DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DEL CALORÍMETRO

Tabla nº1. datos y resultados en determinación del calor específico del calorímetro de icopor:

Dato Valormaguacaliente ac 50° 100g

maguafría 25° 50gTeq 42°C

T caliente 50°CT fría 25°C

Calor especifico del agua 1 cal/g°C∆T -25°C

Calor especifico del vidrio 0,2 cal/g°CMasa del calorímetro 37,23gMasa del termómetro 23,30g

Q ganado=−Qcedido

mTCpT (T eq−T a . fría )+mKCpK (T eq−T a . fría )+ma . fríaCpaguafría (T eq−T a .fría )

¿−maguaCpagua (T eq−T a. caliente )

(T eq−Ta . fría ) (mT∗CpT+mK ¿CpK+ma . fría ¿Cp aguafría )=−magua∗Cpagua (T eq−T a .caliente )

(mT ¿CpT+mK∗CpK+ma . fría∗Cp aguafría )=−magua¿Cpagua∗(T eq−T a . caliente)

(T eq−T a . fría )

mKCpK=−maguaCpagua (T eq−T a .caliente )−mTCpT−ma . fríaCpaguafría

(T eq−T a . fría )

CpK=−magua¿Cpagua∗(T eq−T a . caliente)−mT∗CpT−ma . fría∗Cp aguafría

(T eq−T a. fría )∗mK

CpK=(−100g∗1,0 cal

g℃∗(42−50 )℃)−(23,30 g∗0,2 calg℃ )−(50 g∗1,0 cal

g℃ )(42℃−25℃ )∗37,23 g

CpK=(800 cal )−(4,66 cal℃ )−(50 cal℃ )

(17℃ )∗37,23 g

CpK=(800 cal )−(4,66 cal℃ )−(50 cal℃ )

(17℃ )∗37,23 g

CpK=745,34cal632,91g℃

CpK=1,177calg℃

2. DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DE UN METAL:

Tabla nº2. datos de la determinación de la capacidad calorífica de un metal.Dato Valormmetal 5g

maguafría 25° 50gTeq 28°C

T caliente 90°C

Q ganado=−Qcedido

mTCpT (T eq−T a. fría )+mKCpK (T eq−T a . fría )+ma . fríaCpaguafría (T eq−T a .fría )

¿−mmetalCpmetal (Teq−T a .caliente )

Cpmetal=(T eq−T a . fría ) (mT∗CpT+mK ¿CpK+ma .fría ¿Cpaguafría )

−mmetal∗(T eq−T a .caliente )

Cpmetal=

(42−25 )℃∗((23,30 g∗0,2 calg℃ )+(37,23 g∗1,117 cal

g℃ )+(50 g∗1,0 calg℃ ))

−5g∗(28−90 )℃

Cpmetal=

17℃∗((4,66 cal℃ )+(41,69 cal

℃ )+(50 cal℃ ))−5g∗(−62℃)

Cpmetal=17℃∗(96,35 cal

℃ )310g℃

Cpmetal=5,26calg℃

3. DETERMINACIÓN DEL CALOR LATENTE DE FUSIÓN DEL HIELO

Tabla nº3. datos de la determinación del calor latente de fusión del hielo.Dato ValorMhielo 23,600g

Mcaliente 50gTeq 10°C

T caliente 44°C

mhielo∗∆ H fusión+mhielo∗Cpagua∗(T eq−0 )℃=− [mT∗CpT∗(T eq−T cal .)+maguacal .∗Cpagua∗(T eq−T cal .)+mK∗CpK∗(T eq−T cal . ) ]

∆H fusión=−(T eq−T cal .) (−mT∗CpT−maguacal .∗Cpagua−mK∗CpK )−mhielo∗Cpagua∗(T eq−0℃ )

mhielo

∆H fusión=−(10−44 )℃ [−(23,30g∗0,2 cal

g℃ )−(50g∗1,0 calg℃ )−(37,23g∗1,117 cal

g℃ )]−(23,600 g∗1,0 calg℃∗(10−0 )℃)

23,600g

∆ H fusión=−34℃ [−(4,66 cal

℃ )−(50 cal℃ )−(41,58 cal

℃ )]−236cal23,600g

∆H fusión=−34℃ [−96,24 cal

℃ ]−236 cal23,600g

∆H fusión=3272,16 cal−236 cal

23,600g

∆ H fusión=3036,16 cal23,600g

∆ H fusión=128,6 cal /g

4. DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECIFICO DEL CALORÍMETRO DE LAVOISIER.

Tabla nº4. datos de la determinación del calor específico del calorímetro de Lavoisier.

Dato ValorMhielo 30g

Mcaliente 50gTeq 4ºC

T caliente 50°C

k=mhieloderretido

maguacal .∗∆T=

Cpagua

∆ H fusión

k=1,0 cal

g℃128,6 cal

gk=7,77∗10−3℃−1

5. DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DEL CALOR DE REACCIÓN

T Inicial H T Final26,17ºC 15071J/g 24,99ºC

TABLA N°5. Datos obtenidos del calorímetro.

C k=H∆T

C k=15071 J

g(26,17−24,99 )℃

C k=12772,03 J℃ /g

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Se encuentra principalmente que el calor específico del calorímetro corresponde a

1,177 calg℃ este valor comparado con el del agua es ligeramente mayor (Cagua = 1cal/

g°C) mientras que la capacidad calorífica del metal, en nuestro caso, cobre, fue mucho

mayor 5,26calg℃ . Esto nos indica que la energía que debe suministrársele al material

para elevar su temperatura en un grado, se comporta de la siguiente manera según lo observado: Cobre > Calorímetro > Agua. Sin embargo se observa en la bibliografía que

el calor específico del cobre es menor al del agua, presentando un valor de 0.092calg℃ lo

que nos permite afirmar que el cobre requiere de menos energía para aumentar su temperatura

Se sabe que el calor latente de fusión es la energía necesaria para que una cantidad de sustancia pase de estado sólido a estado líquido, se encontró experimentalmente que este valor para el agua es de 128,6 cal / g, sin embargo este valor es casi el doble al que se encuentra en los libros sugeridos, en ellos el calor latente de fusión corresponde a 79cal / g. Esto nos permite afirmar que el calorímetro que empleamos no aislaba adecuadamente térmicamente el sistema del entorno, por lo que requirió de una mayor energía para pasar de sólido a líquido.

En la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro de Lavoisier, en los cálculos no se tuvo en cuenta la masa del termómetro ni su masa, por esta razón, las

unidades varían de calg℃ . A °C-1. El valor encontrado experimentalmente 7,77∗10−3℃−1

fue mayor al esperado de manera teórica 0,0125ºC-1. Lo que permite indicar que el calorímetro realizado por Lavoisier tenía una mayor capacidad para aislar el sistema de su entorno, reduciendo la cantidad de energía que entraba a él

El calor de reacción de la masa de carbón fue de 12772,03 J℃ /g, es decir, esta fue la energía que absorbió el calorímetro y que se generó al quemar el carbón.

CONCLUSIONES

1. La ley cero de la termodinámica, la cual habla de que, si dos o más cuerpos que se encuentran a diferente temperatura son puestos en contacto, pasado un

tiempo, estos alcanzarán la misma temperatura. Fue posible comprobar esta ley cuando se adicionaba agua caliente o hielo en el calorímetro junto con agua a temperatura ambiente y el sistema, después de un tiempo, alcanzaba una temperatura estable.

2. Dos especies de igual masa, pero de diferente naturaleza y a igual temperatura, almacenan diferente cantidad de energía (calor), esto se pudo comprender a partir del concepto de calor específico.

3. Si se somete agua y cobre a una misma fuente de energía, el agua tendrá una menor temperatura debido a su mayor valor de calor específico.

4. El calor de reacción nos permite conocer la energía absorbida por un sistema cuando los productos de una reacción se llevan a la misma temperatura de los reactantes.

BIBLIOGRAFÍA

MARON y PRUTTON. Fundamentos de Fisicoquímica. Editorial Limusa. México. 1996

CASTELLAN G.W., Fisicoquímica, Addison Wesley Longman, segunda edición, México, 1998.

JARAMILLO S. O. A., Notas del curso termodinámica para ingeniería, UNAM, Centro de Investigación en Energía , México, Mayo 3, 2008

RESNIK, HALLIDAY & KRANE (2002). Física Volumen 1. Cecsa.