ELABORACIÓN Y DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORIMÉTRICA DE UNCALORÍMETRO

INTRODUCCION La calorimetría es una de las técnicas más empleadas en termodinámica como una herramienta de utilidad para la caracterización de los sistemas que absorben ó liberan energía térmica. Debido a la diversidad de sistemas y a la manera como se generan los efectos térmicos, se presentan diversidad de equipos calorimétricos. El recipiente utilizado para efectuar las medidas de calor se denomina calorímetro, que en su forma más sencilla es una vasija de paredes aisladas (adiabaticamente) que aloja en su interior el termómetro y agitador. Además contiene un líquido calorimétrico que generalmente es el agua. La capacidad calórica del calorimetro es la suma de las capacidades calóricas de sus partes (el agua, lasparedes, el termometro y el artefacto de agitación). El valor de la capacidad calórica de cada parte depende del material y del tamaño. En la determinacion del calor de un proceso (reacción química), se habla de la capacidad calórica global del calorimetro, que, a su vez, se determina como un todo experimentalmente. En la práctica se presenta la construcción de un calorímetro adiabático a presión constante y se muestracada uno de sus elementos constituyentes, haciendo énfasis en el sistema que se utiliza para detectar el flujo de calor. Posteriormente se determina la capacidad calorimétrica de este, usando como líquido calorimétrico el agua. La mayor parte de los calorímetros son diseñados de forma que se minimice la perdida de calor entre elsistema y los alrededores. El cambio de temperatura experimentado por un objeto cuando absorbe cierta cantidad de energía está controlado por su capacidad calorífica.Cuando un sistema con una masa m1, se pone en contacto con un sistema con una masa m2, donde m1> m2, y que están a diferente temperatura, se puede determinar el flujo calor entre ellos hasta alcanzar una temperatura de equilibrio (próxima a la del sistema de masa mayor, m1); se dice entonces que una cantidad de calor (q) se transfiere desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura y se concluye que:

La cantidad de calor transferida (q) es proporcional al cambio de temperatura ΔT. La constante de proporcionalidad C, se denomina capacidad calorífica del sistema. La determinación de los cambios térmicos que acompañan a los procesos termodinámicos se realiza con los dispositivos reconocidos con el nombre de Calorímetros. Esquemáticamente un calorímetro consta de los siguientes elementos: 1.- Recipiente en el que tiene lugar el proceso. Este recipiente está integrado en un sistema de aislamiento mediante el cuál se trata de evitar las pérdidas de calor por radiación o convección. 2.- Dispositivo para la medida de cambios de temperatura (termometro de mercurio contrastado, termopar, termómetro de resistencia,...).

3.- Dispositivo para el calentamiento controlado del sistema (resistencia eléctrica conectada a una fuente de alimentación con voltaje estabilizado). 4.- Dispositivo de mezcla de componentes y de agitación para asegurar la uniformidad de la temperatura en la mezcla.

MATERIALES (estudiante) MATERIALES (laboratorio)

1 tarro vacio de leche con su tapa de 400g 1 termometro½ metro de lana de poliester o aislamiento de icopor 1 plancha de calentamiento y agitación1 metro y medio de alambre dulce 1 agitador magnetico1 bisturi 1 frasco lavador con agua destilada1 frasco pequeño de pegante (colbon) 2 beaker de 100 mL1 regla de 30 cm 1 embudo de vidrio30 cm de piola o cuerda

PROCEDIMIENTO: Construcción del calorimetro

1) tome el tarro pequeño de leche, quitele la tapa y la etiqueta2) con una regla determine la altura del tarro y con una cuerda determine su perímetro3) con el bisturí, corte el material de aislamiento según las dimensiones del tarro de leche. Hágalo tantoexternamente como internamente4) adicione pegante en el lado externo del tarro de leche y ubique alrededor el material de aislamiento(hágalo con mucho cuidado para que quede bien adherido) y asegurelo con el alambre dulce5) haga lo mismo (paso 4) para el lado interno del tarro6) hacer un par de agujeros redondos a una distancia de 2 cm en la tapa del tarro7) recorte con el bisturí un circulo del material aislante para colocar en la tapa del tarro (lado interno)dejando espacio (perímetro mas pequeño) para que la tapa cierre bien (recuerde antes de hacer esto,abrir un par de huecos al circulo recortado del material aislante de manera que coincidan con los de latapa (estos se usaran para introducir el termómetro y la solución o la agitación al calorimetro.8) recorte un circulo del materia aislante para colocarlo como fondo del calorimetro.

Figura 1: Calorímetro construido en los laboratorios de Química de la Universidad del Cauca.

PROCEDIMIENTO: Determinación de la capacidad calorífica

La calibración del calorímetro consiste en determinar la capacidad calorífica que presenta el conjunto de materiales que forman las distintas partes del calorímetro (vaso calorimétrico, sistema de agitación, dispositivos de medida de temperatura, recipientes contenedores de reactivos, etc.) y que van a absorber una parte de la energía térmica suministrada al sistema. Aceptando que las partes físicas del calorímetro son siempre las mismas, la capacidad calorífica del calorímetro será una constante propia de cada instrumento.

En general, el calibrado del calorímetro es una operación necesaria para poder evaluar los cambios energéticos de un proceso ó las capacidades caloríficas de los sistemas, toda vez que los cambios de temperatura asociados a los procesos vendrán determinados por la naturaleza y cantidad de materia.

1) Se miden en el vaso de 100 mL, un volumen inicial de agua de 30 mL se pesa y se introducen en el calorímetro a temperatura ambiente, se tapa el calorimetro sin olvidar introducir el termómetro. Manteniendo una agitación constante se observa la temperatura durante un período de tiempo suficiente(5min), esta temperatura se reportó como Ti ambiente. 2) Posteriormente se calienta un volumen de agua en otro vaso de 100 mL, hasta una temperatura de aproximadamente de 45-50 ºC (T2). Entonces se añaden 30 mL del agua caliente al calorímetro, mediante el embudo de vidrio (el vaso ya contiene 30 mL de agua a T ambiente) y se mide la temperatura cada 10 s en un rango amplio donde se observa que llega a un equilibrio (esta temperatura de equilibrio se reporta como Tf). Se saca el beaker y se pesa.

3) Para la determinación de las masas de agua (tanto la de temperatura ambiente m1 como la de agua caliente m2) utilizadas durante la experiencia, se mide inicialmente la masa del beaker y por diferencia del beaker lleno menos el vacio se obtiene cada una de las masas de agua respectivas.

4) Repetir la experiencia aumentando la temperatura cada vez 10°C hasta que llegue a 80 o C.(Recuerde mantener siempre un vaso con 30 mL de agua en el calorímetro a la temperaturaambiente)

C= capacidad calorífica del calorímetro (cal/ºC) Cp H2O = 1 cal/g. oC m1 = masa agua a T ambiente (g) m2 = masa agua a temperatura caliente (g) Ti = temperatura ambiente (oC) T2 = temperatura agua caliente (oC) Tf = temperatura final (oC)