Material Didáctico

Calorimetría

Ésta área de la física se encarga de la medición de los cambios de calor y las constantes térmicas. De allí la importancia de conocer, y diferenciar, los conceptos de calor específico y capacidad calorífica.

El calor específico es la cantidad de calor que requiere un gramo de una sustancia para elevar su temperatura un grado Celsius, y se denota con la letra s. Por otro lado, la capacidad calorífica es la cantidad de calor requerido para elevar la temperatura de cierta cantidad de sustancia en un grado Celsius, es identificada por la letra C. La diferencia fundamental entre ambos conceptos es que la capacidad calorífica es una propiedad extensiva, es decir, depende de la cantidad de masa mientras que el calor específico representa una propiedad intensiva, ambos son directamente proporcionales y se relacionan a través de la ecuación que me muestra a continuación:

Donde m es la masa de la sustancia. Las unidades del calor específico son  y  las unidades de la capacidad calorífica son [energía]/[°C].

Ambos conceptos se encuentran relacionados con la cantidad de calor absorbido o liberado durante un proceso, por lo que la relación entre la temperatura y el calor también pueden relacionarse a través de la siguiente ecuación:

Ilustración 1Donde q representa el calor (absorbido o liberado, esto dependerá del signo) y ∆t el cambio de temperatura de la muestra de sustancia.

Existen dispositivos, muy comunes en los laboratorios de física, utilizados para medir el calor, unos a volumen constante y otros a presión constante.

Para medir el calor a volumen constante, por lo general, se utiliza una bomba calorimétrica, que se muestra en la Ilustración 1 y muy común en las medidas de calor de combustión en los laboratorios.

¿Cómo funciona la bomba calorimétrica? es llenada con una muestra de interés y un exceso de oxígeno a altas presiones, luego es cerrada y sumergida en un recipiente con agua, cuya temperatura es medida en cada punto del proceso a través de un termómetro, la muestra se enciende haciendo uso de los cables de ignición y finalmente se toma nota del registro del aumento de la temperatura.

Está bomba es diseñada de tal manera que es despreciable el intercambio de masa o calor con los alrededores, es decir, es un sistema aislado. Esto implica que el calor liberado del sistema a los alrededores es igual a cero.

Viniendo el calor de la bomba dado por la expresión:

Por todo lo que hemos venido hablando sabemos que el calor absorbido por el agua y el calor de la bomba viene dados por las expresiones:

 

 

 

Este calor es medido a volumen constante, el volumen del recipiente no cambia a lo largo del proceso, por ende el calor calculado no corresponde con el ∆H de la reacción.

Ahora bien, si el calor fuese medido a presión constante este valor si coincidiría con la entalpia de reacción.

Los calorímetros a presión constante son dispositivos aún más sencillos que los dispositivos a volumen constante. En la Ilustración 2, se muestra la simplicidad de éste tipo de calorímetros.

Mientras el calorímetro a volumen constante es utilizado para medir los cambios de calor en reacciones de combustión, el calorímetro a presión constante mide estos cambios para una mayor cantidad de reacciones como: reacciones de neutralización y calores de dilución y disolución.

¿Cómo funciona? En el vaso interno se mezclan cuidadosamente volúmenes conocidos de las dos disoluciones a reaccionar, se coloca un vaso exterior que aislará la mezcla reaccionante de los alrededores y los cambios te temperatura se miden con el termómetro.

 Ejercicios Resueltos

  1. Una muestra de 1.922 gramos de metanol ( ) se quemó en una bomba calorimétrica a volumen constante. Como consecuencia, la temperatura del agua se elevó 4.20°C. Si la cantidad de agua que rodea al calorímetro es exactamente igual a 2000 gramos, la capacidad calorífica del calorímetro es y el calor específico del agua , calcule el calor molar de combustión del metanol.

Solución. Partiendo del balance de energía, y por tratarse de un sistema aislado, se tiene que:

Si despejamos el calor de la reacción de esta ecuación, tenemos:

Iniciemos calculando el calor absorbido por el agua partiendo que se conocen todas las variables necesarias.

De aquí se tiene entonces que el calor de la reacción es:

Sabiendo que el peso molecular del metanol es  se tiene entonces que el calor de combustión molar será entonces:

2. Una muestra de 200 mL de 862 M se mezcla con 200 mL de  0.431 M en un calorímetro a presión constante que tiene una capacidad calorífica de 453 . La temperatura inicial de las disoluciones de  y  es la misma, 20.48°C. Para el proceso

El calor de neutralización es -56.2kJ. ¿Cuál es la temperatura final de la disolución mezclada? Suponga que los valores de densidad y calor específico de las disoluciones iguales a los del agua (1.00  y 4.184 , respectivamente).

Solución. El primer recurso al que se debe recurrir es a realizar el balance de calor del sistema, que por tratarse de un sistema aislado (suposición) quedará de la siguiente manera:

La expresión para calcular el calor de la disolución es la siguiente:

La masa de disolución se podrá calcular haciendo uso del volumen y la densidad:

Reemplazando este valor y el valor del calor específico en la ecuación tenemos:

El calor del calorímetro vendrá dado por la expresión:

Si reemplazamos las expresiones de los calores en la ecuación, se tiene que:

Esta ecuación queda en función de una sola incógnita de nuestro interés, y es la temperatura final de la disolución mezclada. Si aplicamos agrupación de términos, nos queda:

 

 

 

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