CALORIMETRÍA

La Calorimetría es la medida de la cantidad de calor que cede o absorbe un cuerpo en el curso de un proceso físico o químico.

CALOREs la Energía Térmica que se transfiere de un objeto a otro cuando entran en contacto mutuo,

debido a una diferencia de temperaturas entre ellos.

La dirección de la transferencia de la Energía Térmica es siempre desde la sustancia de mayor temperatura hacia la de menor temperatura (o sea desde la más caliente a la más fría).

Cuando fluye calor entre dos objetos o sustancias que se encuentran unidas; se dice que están en CONTACTO TÉRMICO.

OBSERVACIÓN: Es común, pero erróneo, pensar que la materia contiene calor. La materia contiene energía en diversas formas (Energía Interna), pero no contiene calor, ya que el calor es la energía que pasa entre dos objetos que se encuentran en contacto térmico debido a una diferencia de temperatura.

Cuando dos objetos se encuentran en contacto térmico, la temperatura del más caliente disminuye y la del más frío aumenta, hasta llegar ambos a la misma temperatura, es decir, quedan en EQUILIBRIO TÉRMICO.

Al disminuir la temperatura de un cuerpo, la energía de sus moléculas también disminuye, y viceversa, si la temperatura aumenta, su Energía Interna también. El calor por lo tanto, antes de ser emitido es Energía Interna y después al ser transferido vuelve a ser Energía Interna.

Expresado en forma de ecuación, queda:

Q = calor transferido∆E  = cambio de energía interna

Como todo cambio ∆E es igual a la diferencia entre un estado final (E2) y uno inicial (E1), quedando:

PRINCIPIOS GENERALES DE LA CALORIMETRÍA

I. Siempre que entre varios cuerpos haya un intercambio de energía térmica, la cantidad de calor perdido por unos cuerpos es igual a la cantidad de calor ganada por los otros.

II. La cantidad de calor absorbida o desprendida por un cuerpo es directamente proporcional a su variación de temperatura. Así, para elevar la temperatura de un cuerpo de 20°C se requiere el doble de cantidad de energía térmica que para elevarla a 10°C.

III. La cantidad de calor absorbida o desprendida por un cuerpo es directamente proporcional a su masa.

IV. Cuando varios cuerpos a temperaturas diferentes se ponen en contacto, la energía térmica se desplaza hacia los cuerpos cuya temperatura es más baja. El equilibrio térmico ocurre cuando

todos los cuerpos quedan a la misma temperatura.

UNIDADES DE MEDIDA DEL CALOR

Siendo el calor una forma de energía, deben de medirse en las mismas unidades que ésta: joules, ergios, libras*pie ó Btu. Su relación de conversión es:

Sin embargo, en la práctica se manejan otras unidades más adecuadas:

CALORÍA (c)

Es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1°C. La relación entre calorías y joules es de:

Existe también la Kilocaloría, o sea 1000 calorías (cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de 1 Kg de agua). La Kilocaloría es la unidad en la que se mide el contenido energético de los alimentos y en la práctica se la llama usualmente Caloría, o Gran Caloría (con "C" mayúscula), para diferenciarla de la verdadera caloría (con "c" minúscula) llamada también

pequeña caloría.

NOTA: Recordar que la temperatura NO es una medida de la energía térmica total del cuerpo, es solo de su energía promedio. Es por esto que dos cuerpos pueden tener la misma

temperatura pero distinta cantidad de energía interna. Ejemplo: Si se quiere hervir 10 litros de agua, se requiere 10 veces más energía que en el caso de un sólo litro, y aunque al final las

temeperaturas sean las mismas (temperatura de ebullición del agua) debido a la diferencia de masas el consumo de energía es distinto.

CALOR ESPECÍFICO

Es la cantidad de calor que es necesario suministrarle a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en 1°C.

Cada sustancia tiene su propio valor de calor específico, por lo que cada uno requerirá distintas cantidades de calor para hacer que una misma cantidad de masa eleve su temperatura en 1°C.

Para comprender esta definición, el significado del calor específico, se lo puede considerar como la "inercia térmica", recordando que el término de inercia se usa en la mecánica para denotar la resistencia que opone un objeto a los cambios en su estado de movimiento. De igual modo, el calor específico representa la inercia térmica porque denota la resistencia que opone una sustancia a los cambios de temperatura:

Ejemplo: Si se calientan masas iguales de agua y de aluminio, el aluminio se calienta mucho más rapido que el agua; y si se les interrumpe el suministro de calor al mismo tiempo, el aluminio se enfría más rápido que el agua. En este caso, el agua presenta una mayor cantidad de calor específico que el aluminio, ya que requiere más calor para elevar su temperatura y se demora más tiempo en asimilar los cambios de temperatura (tiene más "inercia térmica").

FÓRMULA DEL CALOR ESPECÍFICO.

La cantidad de calor Q que es necesario darle a una masa m de una sustancia para elevar su

temperatura de T1 a T2 esta dada por la fórmula:

De donde "ç" representa la constante de calor específico de la sustancia. Este valor es propio de cada material y se mide en: cal/(g*°C).

PROPAGACIÓN DEL CALOR

La transmisión del calor de una región a otra se puede efectuar sólo por alguna de estas tres formas:

CONDUCCIÓN.

Transferencia de calor a través de un cuerpo o entre dos cuerpos en contacto, sin que se desplacen las moléculas de los mismos. Ocurre sólo en los materiales sólidos. Ejemplo: Una barra de metal cuyo extremo se lo acerca a una llama, permite que fluya calor hasta su extremo opuesto.

El desplazamiento de calor se realiza según la facilidad con lo que permita el material, de lo cual surge el concepto de Conductividad Térmica.

CONVECCIÓN.

Transferencia de calor entre dos partes de un cuerpo a causa del desplazamiento de sus moléculas. Ocurre sólo en los fluídos (líquidos y gases). El movimiento de las moléculas se origina por la diferencia de densidades que hay dentro de la sustancia, generando corrientes de convección desde las partes más calientes hacia las más frías en la masa del fluído. Ejemplo: Cuando se calienta un recipiente con agua, las moléculas del líquido que están en contacto con la zona caliente (llama) se mueven hacia la superficie donde se encuentran con el resto de moléculas más frías, haciendo que a su vez estas moléculas frías se desplacen hasta la zona de calor y comiencen el ciclo nuevamente. Este proceso dentro del líquido hace que el agua adquiera calor repetidamente, hasta alcanzar la temperatura suficiente de ebullición.

RADIACIÓN.

Transferencia de calor y energía de un cuerpo llamado foco a otro cuerpo distante, a través del VACÍO, es decir, sin la presencia de algún agente material o sustancia intermedia. Esta transferencia se logra gracias a que la energía se transporta por medio de Ondas Electromagnéticas las cuales pueden propagarse por el vacío sin ningún inconveniente. Ejemplo: Una bombilla emite luz y calor en forma de radiación. Esta radiación corresponde a: Ondas de Luz Visible (que nos permiten ver) y a las ondas infrarrojas (que nos dan la sensación de calor). Otras fuentes de luz como el Sol, aparte de las anteriores, también emite rayos X, microondas, ultravioleta, etc., las cuales no somos capaces de sentir, pero que sí lo pueden hacer aparatos e instrumentos apropiados.

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

El calor se propaga en los materiales según la facilidad que éstos permitan hacerlo. En general, los materiales sólidos son los mejores conductores del calor (especialmente los metales), luego le siguen los líquidos y finalmente los gases, siendo éstos pésimos conductores del calor. A las

sustancias que son malos conductores del calor se les llama aislantes térmicos, Ej: granito, madera, cueros, tejidos, etc.

La conductividad térmica de un material se halla por medio de la FÓRMULA DE FOURIER.

Si en una barra del material se tienen dos secciones iguales A1 y A2 (ambas de áreas A) a las temperaturas T1 y T2 respectivamente y separadas entre sí por una distancia d, entonces la cantidad de calor Q que pasa entre las dos secciones en un tiempo dado t, se obtiene por:

De donde "K" es la constante de conductividad térmica que es propia del material. Esta constante se mide en: cal/(m*seg*ºC).

Calorimetría

La calorimetría mide el calor en una reacción química o un cambio físico usando un instrumento llamado calorímetro. Pero también se puede emplear un modo indirecto calculando el calor que los organismos vivos producen a partir de la producción de dióxido de carbono y de nitrógeno (urea en organismos terrestres), y del consumo de oxígeno.

ΔU = cambio de energía interna

Como la presión no se mantiene constante, el calor medido no representa el cambio de entalpía.

Calorimetría a presión constante

El calor medido es igual al cambio en la energía interna del sistema menos el trabajo realizado:

Como la presión se mantiene constante, el calor medido representa el cambio de entalpía.

CALORIMETRIA

Concepto de calor

El calor es una forma de energia que puede transformarse en otras y viceversa. Consideramos dos cuerpos A y B a temperatura T1 y T2 suponemos que T1 es mayor que T2. al poner en contacto los dos cuerpos la experiencia nos demuestra que pasa de A a B una cierta energia que denominamos calor. En este caso decimos que el calor pasa del cuerpo caliente al frio por conducción. Las moléculas del cuerpo caliente estan muy excitadas y tienen una gran energia de vibracion. Estas chocan con las vecinas mas lentas del cuerpo frio y comparten con ellas algo de su energia de movimiento por tanto la energia de movimiento termico se transmite de una molécula a la siguiente aunque cada molécula permanece en su posición original.

La unidad de calor es la caloria (cal) o tambien cal-gr que es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1ºC la temperatura de 1 g de H2O, tambien se utiliza la Kcal que es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1ºC la temperatura de 1 Kg de H2O.

Calorimetria

Es la parte de la termología que estudia la medida del calor de los cuerpos. Todos los calculos de la calorimetria se fundamentan en los siguientes principios:

cuando se ponen en contacto dos cuerpos a temperaturas distintas el mas caliente cede calor al frio hasta que ambos quedan a una temperatura intermedia de las que tenian al principio.

el calor ganado por un cuerpo es exactamente igual al cedido por el otro.

Si tenemos un cuerpo de masa m1, calor especifico c1 y que esta a una temperatura t1 y otro de masa m2, calor especifico c2 y que esta a una temperatura t2 y suponemos que t1>t2 al ponerlos en contacto ambos quedaran a una temperatura intermedia te cumpliendose que t1>te>t2. el calor perdido por el cuerpo caliente sera Qp=m1 c1 (t1-te)

El calor ganado por el cuerpo frio sera Qg=m2 c2 (te-t2)

Qp = Qg

Determinación de valor en agua de un calorimetro

Los accesorios del interior del calorimetro incluso del mismo vaso absorben una cantidad de calor que ha de ser tenida en cuenta a la hora de determinar el calor especifico de un cuerpo. El valor en agua se determina de la siguiente manera:

se llena aproximadamente hasta la mitad del calorimetro con agua a unos 50ºC anotando su masa m1.

Se agita durante unos minutos y se anota la temperatura exacta señalada por el termómetro del calorimetro.

Se vierte en el calorimetro una masa de H2O m2 a la temperatura a que este en el laboratorio t2.

Se agita hasta que la temperatura se estabilice en el termómetro y se anota te, entonces aplicando el metodo de las mezclas sabemos que Qp=Qg.

El valor en H2O A nos lo pueden dar en gramos cuando indican el numero de gramos de agua que absorberian la misma cantidad de calor que el vaso y los accesorios tambien nos lo pueden dar como capacidad calorifica del calorimetro C= m ce= gr cal/gr ºC= J/K

propagacion del calor

el calor pasa de unos cuerpos a otros y siempre del mas caliente al mas frio, su propagacion puede hacerse por conduccion, conveccion y radiaccion.

Conducción el calor se transmite de un cuerpo a otro por transferencia de cantidad de movimiento entre sus moléculas a atomos. Por ejemplo el calentamiento de la cubierta metalica de una caldera, transmisión de calor de los ladrillos de un horno.

Conveccion cuando el calor se trasmite por mezcla de las partes calientes con las frias de un mismo material se dice que se ha trasmitido por conveccion. Este medio de trasmisión esta restringido exclusivamente al aso de los fluidos (liquidos o gases) se produce debido a que los fluidos calientes tienen menos densidad que los frios y tienden a subir y los frios mas pesados tienen a bajar.

En el caso de los fluidos la transmisión tambien se realiza por conducción, ambos fenómenos van unidos.

Radiacciones la transmisión de energia a traves del espacio mediante ondas electromagneticas. Cuando el calor pasa de un cuerpo a otro por radiaccion no necesita la intervención de un medio transmisor. Si la radiaccion atraviesa el espacio vacio no se transforma en calor ni en ninguna otra forma de energia y no es desviada de su camino. Solamente cuando encuentra materia en su camino la radiaccion sera transmitida, reflejada o absorbida. Unicamente la energia absorbida es la que se transforma en calor. La radiaccion de calor, es decir, la cantidad de calor que cede un cuerpo caliente depende de su temperatura, siendo proporcional la radiación a la cuarta potencia de su temperatura absoluta T4. por ejemplo el cuarzo fundido transmite toda la radiaccion que le alcanza. Una superficie pulida o bien un espejo va a reflejar prácticamente la mayor parte de la radiaccion que le alcanza. Una superficie negra o mate absorbe la mayor parte de la radiaccion y la transforma en calor

El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.

El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica.

Los calorímetros suelen incluir su equivalente, para facilitar cálculos. El equivalente en agua del calorímetro es la masa de agua que se comportaría igual que el calorímetro y que perdería igual calor en las mismas circunstancias. De esta forma, sólo hay que sumar al agua la cantidad de equivalentes.