CALORIMETRÍA I. OBJETIVOS: -
Determinar las propiedades de absorción de energía de los sólidos. Determinar el calor específico y peso Atómico de una muestra de elemento metálico.
II. PRINCIPIOS TEÓRICOS: Siempre que existe una diferencia de temperatura en el universo, la energía se transfiere de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura. De acuerdo con los conceptos de la termodinámica, esta energía transmitida se denomina calor . El calor es una forma de energía. Para el estudio termodinámico, entendemos por calor aquella energía en tránsito, que es transferida por radiación, como resultado de una diferencia de temperatura.
CALORIMETRO: Es un instrumento que sirve para la determinación experimental de los intercambios de calor en un proceso determinado. Se trata de un recipiente que contiene el líquido en el que se va a estudiar la variación del calor y cuyas paredes y tapa deben aislarlo al máximo del exterior, es decir no permite el intercambio de calor con el medio ambiente. La capacidad calorífica del calorímetro es la cantidad de calor necesaria para variar la temperatura del calorímetro en 1ºC.
Generalmente en el diseño de un calorímetro se necesita de tres cosas: 1. Un recipiente de material conocido que absorba calor eficientemente. 2. Un medidor de temperatura (termómetro o sensor de temperatura). 3. Un aislante térmico entre el recipiente y su entorno (atmósfera, ambiente) y así evitar intercambios de calor (recipiente - entorno o entorno recipiente). Calorímetros bien adaptados incluyen; agitadores, que aseguran una temperatura constante en todo el sistema, termómetros de alta precisión, material aislante térmico altamente efectivo y un contenedor. Para iniciar una medida calorimétrica, es necesario calibrar el calorímetro, es decir, determinar exactamente la cantidad de calor adicionado que provoca un determinado aumento de su temperatura. Usualmente se usa agua como medio que transfiere el calor ya que es económica, fácil de trabajar y tiene calor específico conocido desde hace mucho tiempo. El conocimiento de la variación térmica que tiene lugar en una reacción química tiene muchas aplicaciones prácticas, por ejemplo, puede calcularse cuantitativamente el efecto de la temperatura en un equilibrio químico cuando se conoce la entalpía de reacción.
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 dif erencia 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 l os 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).
Capacidad Calorífica: Es la cantidad de calor requerido para incrementar la temperatura de una sustancia en 1 grado Celsius (cal /ºC). Desde que el calor específico del agua es conocido (1 cal/gºC) la cantidad de calor absorbido por el agua en el calorímetro es fácilmente calculado. Sin embargo algo de calor es absorbido también por el calorímetro por consiguiente la capacidad calorífica de éste debe ser determinado experimentalmente. Este valor es usualmente expresado como un “equivalente en agua”, que es el peso de agua igual al peso del calorímetro en términos de capacidad calorífica.
La Ley de Dulong y Petit: "Los calores específicos molares de todas las sustancias son iguales" Fueron precisamente Dulong y Petit quienes a partir de sus resultados experimentales se dieron cuenta de que si en lugar de un gramo se toman muestras de cuerpos distintos con el mismo número de átomos, entonces los calores específicos de todos ellos son iguales. En los experimentos de Dulong y
Petit, se encontró que el calor específico de un sólido (a temperatura ambiente) es muy similar para muchos materiales: aproximadamente 6,3 cal/mol-K.
III. PARTE EXPERIMENTAL a) Materiales -
Vasos de precipitado Termómetro Calorímetro con agitador ( termo de 100 ml aprox ) Probeta Tubo de ensayo
b) Reactivos: -
c)
Muestra de un metal Agua destilada Agua caliente
Procedimiento: 1.Determinación de la Capacidad Calorífica del Calorímetro
En un calorímetro poner exactamente 50 mL de agua destilada fría. Realice la lectura con el termómetro y anótela como t1. En un vaso de precipitado calentar hasta ebullición aproximadamente 55 mL de agua potable. Medir y anotar su temperatura como t 2. Enfríe el termómetro con chorros de agua de caño y colocarlo en el calorímetro. Rápidamente agregue el agua caliente (t2) al agua fría (t1) y agite cuidadosamente con el termómetro. Anote la temperatura máxima de mezcla como tm.
Nota.- Para conocer el volumen exacto del agua hervida a t 2, restar 50 mL al volumen total de agua del calorímetro. Considere la densidad del agua igual a 1g/mL
Q 1 = calor perdido por el agua caliente Q 1 = w * Ce (tm – t2) = V2 * Ce (tm – t2)
Q 2 = calor ganado por el agua fría Q 2 = w * Ce (tm – t1) = V1 * Ce (tm – t1)
Q 3 = calor ganado por el calorímetro Q 3 = Cc (tm – t1) Cc = Capacidad calorífica del calorímetro
Q 1 = Q 2 + Q 3
2.Calor Específico de un Metal:
Colocar 50 mL de agua potable en el calorímetro seco y limpio. Use el termómetro y registre el valor como t1. Pesar y colocar aproximadamente 25 gramos de la muestra del metal en un tubo de ensayo. Poner el tubo con el metal, dentro de un vaso con agua potable y calentar hasta ebullición (en baño maría). Dejar el tubo en el agua hirviendo (5 minutos) hasta que el metal haya alcanzado la temperatura del agua. Mida y anote esta temperatura como t 2. Sin dejar de calentar, retire el termómetro y enfríelo con agua de caño. Transferir rápidamente el metal caliente al calorímetro. Agite suavemente con el termómetro y anote la temperatura máxima de mezcla como tm.
Q 1 = calor perdido por el metal caliente Q 1 = w * Ce (tm – t2)
Ce = Calor específico del metal
Q 2 = calor ganado por el agua en el calorímetro Q 2 = V1 * Ce (tm – t1)
Ce = Calor específico del agua
Q 3 = calor ganado por el calorímetro Q 3 = Cc (tm – t1)
Q 1 = Q 2 + Q 3
IV. TABLAS DE RESULTADOS: Reporte los resultados de su experiencia en las siguientes tablas:
Capacidad Calorífica del calorímetro: Volumen (mL)
Temperatura (°C)
Calor (cal) Cc (cal/ºC)
V1
V2
Vtotal
t1
t2
tm
Q 1
Q 2
Q 3
50
50
100
20
82
40
2100
1000
3100
155
Calor Específico de un metal: Temperatura (°C)
a r t s e u m
Masa del metal (g)
V1 (mL)
1
20
50
t1
t2
tm
20
45
25
Q 1
Calor
Ce
Ce
(cal)
cal/gº C
cal/gº C
Q 2
Q 3
Práctic Teóric o o
37.2 250 287.2 0.093
V. CALCULOS CAPACIDAD CALORIFICA DEL CALORIMETRO: Q1 = V2.Ce(tm – t2) = 50(1)(40 - 82) = 2100 cal
% ERROR
0.093
0.0%
Q2 = V2.Ce(tm – t1) = 50(1)(40 – 20) = 1000 cal Q3 = Cc(tm – t1) = 155(40 – 20) = 3100 cal Q1 + Q2 + Q3 = 0 2100 + 1000 Cc(20) = 0 Cc = 3100/20 = 155 Cc = 155 cal/°c
CALOR ESPECIFICO DE UN METAL : Q1 = W.Ce(tm – t2) = 20(0.093)(25 - 45) = 37.2 cal Q2 = V.Ce(tm – t1) = 50(1)(25 – 20) = 250 cal Q3 = Cc(tm – t1) = 57.44(25 – 20) = 287.2 cal Q1 + Q2 + Q3 = 0 37.2 + 250 + Cc(5) = 0 Cc = 287.2/5 = 57.44 Cc = 57.44 cal/°c Q1 = W.Ce(tm – t2) 37.2 = 20(Ce)(20) Ce metal = 0.093 cal/g°c
VI. CUESTIONARIO o
1. Un calorímetro de cobre de 154 g contiene 210 g de agua a 12 C; se calientan 54 g o de municiones a 98 C y se echan en el calorímetro adquiriendo la mezcla una o temperatura de 12,6 C. ¿Cuál es el calor específico de las municiones?
Q 1 = Calor perdido por las municiones. 0
0
Q 1 = W2 * Ce2 (t2 – tm) = 54g * Ce2 * 85.4 C = 4611.6 Ce2 g C Q 2 = Calor ganado por el agua en el calorímetro. 0
0
Q 2 = W1 * Ce1 (tm – t1) = 210g * 1Cal/g C * 0.6 C = 126 Cal
Q 3 = Calor ganado por el calorímetro. 0
0
Q 3 = Cc (tm – t1) = 14.322Cal/ C * 0.6 C = 8.5932 Cal 0
Q 1 = Q 2 +Q 3 → 4611.6Ce2 g C = 134.5932 Cal 0
Ce2 = 0.029 Cal/g C
2. Describa brevemente los tipos de calorímetro existentes.
Calorímetro adiabático: No permite el intercambio de calor con el exterior. Por tanto, si en su interior se produce una reacción el desprendimiento o absorción de energía se traducirá en una variación de la temperatura del sistema.
Microcalorímetro: Es el tipo de calorímetro más usado. Estrictamente hablando, no es un medidor de potencia pero es un instrumento para determinar la eficiencia efectiva de un montaje bolométrico. Fue originalmente inventado para la calibración de metal wire bolometers, pero termistores y películas bolométricas también pueden ser calibrados por este método.
Calorímetro de flujo: La potencia es medida a través del calor de un fluido que fluye a través de la carga. Una indicación de la potencia es dada por la subida en la temperatura del fluido pasando del orificio de entrada al de salida.
Dry load calorimeter : Precisión en cargas y conectores desarrollados en los años 60 llevaron a una nueva generación de calorímetros coaxiales con mejor performance e incertidumbres debajo de 0.5% para frecuencias arriba de los 8 ghz. Los calorímetros operan a niveles de potencia entre 100 mw y 10 w respectivamente.
La carga de un calorímetro es un elemento crítico. Es deseable que esta pueda ser acoplada eléctricamente y que tenga un muy pequeño error de equivalencia, que es igual a la rf disipada y a la potencia dc que pueden producir la misma lectura de temperatura.
3. ¿Por qué es recomendable mantener el sensor de temperatura dentro del calorímetro durante toda la práctica? Revidando alguno experimentos por Internet podemos llegar a una conclusión que cuando realizamos el experimento de la medición de calor el termómetro también tiene que estar aislado de la temperatura del exterior por que esta temperatura cambiaría la exactitud de los resultados. Por ello el termómetro no debe ser expuesto durante el experimento ya que esto causaría que la temperatura marcada en el termómetro sea la incorrecta porque estaría interviniendo la temperatura del ambiente que nos rodea. 4. Se sabe que el vidrio es un mal conductor del calor, por lo tanto, cualquier vaso de precipitado se puede usar como calorímetro sin cubrirlo con papel platinado. ¿Es correcta esta apreciación?
El vidrio es un mal conductor del calor pero NO ES UN AISLANTE, por ese motivo no se puede usar un vaso de precipitación sin un aislante que en este caso sería EL PAPEL PLATINO. Si pensamos que en hecho de ser un mal conductor no quiere decir que sea aislante porque siempre abra un contacto aunque sea pequeño con el medio que lo rodea.
VII.
OBSERVACIONES Y/O CONCLUSIONES
En el primer experimento “ determinación de la capacidad calorífica de un calorímetro”, observamos que luego de realizar las mezclas de agua indicadas, con una proporción determinada de cada una, esta cumplió el principio de conservación de la cantidad de calor. Ya que el calorímetro es un sistema aislado que no emite ni absorbe calor.
En el segundo experimento “ determinación del calor específico de un metal ”, se utilizó una pequeña barra de plomo, observamos que el plomo al ser calentado junto con el agua, este va a adquirir una temperatura alta pero no va a igualar a la temperatura del agua, y que al mover el plomo caliente al calorímetro ( en donde se encontraba agua a temperatura ambiente) , la temperatura de este (agua a temperatura ambiente) varia en pequeña proporción.
VIII. BIBLIOGRAFIA -
Tins de química 1
-
recursostic.educacion.es/newton/web/materiales.../calorimetria.tml.
-
es.wikipedia.org/wiki/Calorimetría.
-
www.quimicayalgomas.com/fisica/que-es-la-calorimetria
