VI VI.1
CALORÍMETROS Descripción y Usos del Calorímetro de las Mezclas
En la Figura 1 se ha esquematizado un calorímetro del tipo común, llamado generalmente el calorímetro calorímetro de las mezclas. En esta figura se puede apreciar el vaso interno (1) llamado el calorímetro propiamente dicho, que generalmente es de aluminio. Este vaso está aislado del cuerpo externo del calorímetro (2) mediante apoyos apoyos de material aislante (corcho, telgopor, etc.) etc.) en la base base y los costados (3). El cuerpo externo está formado por una doble pared (2) de aluminio dentro de la cual se coloca aislante térmico para aumentar el aislamiento total del calorímetro; este material inserto entre las paredes (4) es generalmente generalmente una plancha de telgopor. telgopor. El vaso interno tiene una una tapa de aluminio (5) con dos orificios, para permitir el ingreso del termómetro (6) y del agitador (7). El cuerpo externo también tiene una tapa (8) con dos orificios. Para lograr que el aire dentro del calorímetro actúe como un aislante extra, es que se lo cierra con estas tapas. En los orificios se colocan burletes burletes de goma (9) para aumentar aumentar la aislamiento con el exterior.
Figura 1 Esquema de un calorímetro común metálico
Existen otros tipos de calorímetros, tales como los de vidrio en forma de cilindro, construido como los termos comunes. El aislamiento en estos casos es mucho mejor que en los del tipo metálico. Cada calorímetro tiene una capacidad calorífica que le es propia . Esta puede imaginarse como la suma de las capacidades caloríficas de sus materiales componentes (agitador, termómetro y calorímetro propiamente dicho).
Esto es,
CC = Ca + Ct + Cv = ma ca + mt ct + mv cv
siendo: a (agitador), t (termómetro) (termómetro) y v (vaso)
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Ecuación VII
VIII.2
Marcha de un calorímetro
Ya se mencionó que se realiza el supuesto de que el aislamiento es perfecto, cuando se obtuvo la expresión entre los calores absorbidos y el cedido por el cuerpo. Sin embargo, tal cosa no es así pues no existe calorímetro perfecto. Esto implica que por mucho y bien que se aísle el calorímetro, es inevitable que este intercambie calor con el medio ambiente. Así, el cuerpo más caliente cede calor al agua y la calienta, calentando a su vez al vaso interno (calorímetro propiamente dicho). Este vaso se supone aislado, pero en realidad tiene puntos de contacto donde apoya, tiene el aire que lo rodea y que inevitablemente circula, por los orificios que nunca se cierran del todo. Entonces, algo de calor se traslada del calorímetro al medio ambiente y la temperatura final de equilibrio que se lee T f, es en realidad menor que la que se obtendría si el calorímetro estuviese perfectamente aislado, la que se suele llamar:
Temperatura final verdadera T f *.
Esto indica , que si no se corrige el valor de la temperatura final leída, se cometerá un error de tipo sistemático en la medición. Para evaluar esta corrección es que se realiza la llamada marcha del calorímetro. Esta se realiza colocando agua en el calorímetro y se va leyendo, cada 30 segundos la temperatura, durante un período de 10 a 20 minutos de manera de registrar la disminución de la misma. La agitación debe ser permanente para mantener uniforme la temperatura del sistema y para simular las condiciones de trabajo normales. Cuando se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura, se intercambia calor, y esto es lo que ocurrirá al colocar el agua a 80 ºC en el calorímetro a la temperatura ambiente. La velocidad de variación de la temperatura se puede expresar como el cociente entre variaciones pequeñas de temperatura (dT) y del tiempo (dt) dT dt
= e (Tc – Ta)
Ecuación VIII
(Tc – Ta) es la diferencia de temperaturas entre la temperatura del calorímetro y la del ambiente , y el valor “e” es una constante propia de cada calorímetro llamada: constante de enfriamiento. Si se grafican las lecturas realizadas como se muestra en la Figura 2, se puede ver la variación de la temperatura en el donde,
tiempo. Comenzando por la temperatura T0´ en el instante inicial, se observa un rápido decaimiento hasta que se torna asintótica con la temperatura del medio T a. Es suficiente con lograr que la curva se transforme en casi horizontal para terminar de hacer las lecturas, como se muestra en el gráfico. Considerando el área bajo la curva (A) puede notarse que multiplicándola por el coeficiente de enfriamiento, tendría que dar el salto de temperatura, lo que se puede aprovechar para calcular este coeficiente como:
e = (T´0 – Tm) / A T m
∫ dT
T ´ 0
Ecuación IX
t n
= - e
∫
(Tc – Ta) dt
t 0
A
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Figura 2 Variación de la temperatura en el tiempo, en una marcha del calorímetro
El área A se puede obtener en forma aproximada, dividiéndola en “m” trapecios, de altura ∆t = (ti - ti-1); Mientras que las bases vienen dadas por los saltos de temperatura medidos al hacer la marcha. Por ejemplo, el área del primer trapecio será: A0 = 0,5 (BASE MAYOR + BASE MENOR) * ALTURA = 0,5 T 0´ − T a + T 1 ´−T a (t1 – t0) Entonces el área total bajo la curva será la sumatoria siguiente:
A
m ´ ≅ ∑ T j − (T 0´ + T m´ + 2 m T a ) 0,5 ∆t j = 0
Una vez calculada el área con la Ecuación anterior y se puede calcular el coeficiente de enfriamiento e
Ecuación X
X se aplica Ecuación IX
VIII.3 Corrección de la temperatura final (T f *) Cuando se efectúa el experimento se lleva el cuerpo a 100 ºC y se lo pone dentro del vaso del calorímetro, comenzando a leer la temperatura a intervalos regulares. Si se supone que la temperatura inicial del agua dentro del calorímetro es T i ≠ Ta, entonces esta agua se comienza a calentar, pues el cuerpo le cede calor. La variación de la temperatura del agua dentro del calorímetro, en el tiempo se muestra en la Figura 3. Allí, se ha supuesto que la T i es menor que la del ambiente T a; puede verse que la temperatura aumenta, supera a la ambiental, para finalmente quedar casi constante (paralela al eje de abscisas) en un valor que es la temperatura final de la experiencia Tf .
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Figura 3 Temperatura leída en función del tiempo
Sin embargo, como ningún calorímetro es perfecto, se debe pensar que una pérdida de calor se ha producido. Esta pérdida de calor del calorímetro con el ambiente, hace que la temperatura final leída Tf sea menor que la temperatura final ideal * Tf ; es decir, la temperatura a que se hubiese llegado si el calorímetro fuese perfecto. Esto significa que si no se realiza una corrección del valor T f para usarlo en la Ecuación V se cometerá un error de tipo sistemático. La corrección puede ser obtenida a través de la siguiente ecuación: *
Tf = Tf + e (S1 – S2) = Tf + ∆T
Ecuación IX
Donde A* = (S1 – S2) por analogía.
y entonces
Ecuación XI ∆T = e . A*
que se reduce a la
Debe tenerse en cuenta que a veces no será necesario efectuar esta corrección. Todo depende de su valor en comparación con el error de apreciación del termómetro que se está usando. De allí, que conviene tener presente esta regla:
La corrección de temperatura final debe hacerse, sólo cuando el valor de ∆T es mayor que el error de apreciación del termómetro que se usó en el experimento.
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