Calorimetria

CALORIMETRÍA

I. OBJETIVOS

Determinar experimentalmente el equivalente en agua de un calorímetro.

Determinar experimentalmente el calor específico de una muestra metálica.

II. INFORMACIÓN TEÓRICA

Calorimetría

La calorimetría se encarga de medir el calor en una reacción química o un cambio físico usando un calorímetro. La calorimetría indirecta calcula 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.

Temperatura y Energía Interna

A cualquier temperatura sobre el cero absoluto, los átomos poseen distintas cantidades de energía cinética por la vibración. Ya que los átomos vecinos colisionan entre sí, esta energía se transfiere. Aunque la energía de los átomos individuales puede variar como resultado de estas colisiones, una serie de átomos aislados del mundo exterior tiene una cantidad de energía que no cambia porque va pasando de átomo a átomo. Conceptualmente, la energía promedio por átomo puede calcularse dividiendo la energía total por el número de átomos.

Aunque no conocemos la energía total de los átomos de un objeto, podemos medir el efecto de esa energía cinética promedio - se trata de la temperatura del objeto. Un aumento en la energía cinética promedio de los átomos del objeto se manifiesta como un aumento de temperatura y viceversa.

Si un objeto se aisla del resto del universo, su temperatura se mantendrá constante. Si la energía entra o sale, la temperatura deberá cambiar. La energía moviéndose de un lugar a otro se llama calor y la calorimetría usa las mediciones de los cambios de temperatura para registrar el movimiento de calor.

CALOR

En física, el calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre. El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes en mayor o menor grado.

El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.

CAPACIDAD CALORIFICA

La capacidad calorífica de una sustancia es la cantidad de energía necesaria para aumentar 1 ºC su temperatura. Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Se suele designar con las letras C o c.

Material Calor específico

Densidad Capacidad calorífica

kcal/kg.ºC kg/m³ kcal/m³.ºC

Agua

1 1000 1000

Acero

0,12 7850 950

Tierra seca 0,44 1500 660

Granito

0,2 2645 529

Madera de roble

0,57 750 430

Ladrillo

0,20 2000 400

Madera de pino

0,6 640 384

Piedra arenisca

0,17 2200 374

Hormigón

0,16 2300 350

Mortero de yeso

0,2 1440 288

Tejido de lana

0,32 111 35

Poliestireno expandido 0,4 25 10

Poliuretano expandido 0,38 24 9

Fibra de vidrio

0,19 15 2,8

Aire

0,24 1,2 0,29

EQUILIBRIO TERMICO

Se dice que los cuerpos en contacto térmico se encuentran en equilibrio térmico cuando no existe flujo de calor de uno hacia el otro. Esta definición requiere además que las propiedades físicas del sistema, que varían con la temperatura, no cambien con el tiempo. Algunas propiedades físicas que varían con la temperatura son el volumen, la densidad y la presión.

El parámetro termodinámico que caracteriza el equilibrio térmico es la temperatura. Cuando dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico, entonces estos cuerpos tienen la misma temperatura.

Dos sistemas (entiéndase por sistema a una parte del universo físico) que están en contacto mecánico directo o separados mediante una superficie que permite la transferencia de calor (también llamada superficie diatérmica), se dice que están en contacto térmico.

Consideremos entonces dos sistemas en contacto térmico, dispuestos de tal forma que no puedan mezclarse o reaccionar químicamente. Consideremos además que estos sistemas estan colocados en el interior de un recinto donde no es posible que intercambien calor con el exterior ni existan acciones desde el exterior capaces de ejercer trabajo sobre ellos. La experiencia indica que al cabo de un tiempo estos sistemas alcanzan un estado de equilibrio termodinámico que se denominará estado de equilibrio térmico recíproco o simplemente de equilibrio térmico.

El concepto de equilibrio térmico puede extenderse para hablar de un sistema o cuerpo en equilibrio térmico. Cuando dos porciones cualesquiera de un sistema se encuentran en equilibrio térmico se dice que el sistema mismo está en equilibrio térmico o que es térmicamente homogéneo. Experimentalmente se encuentra que, en un sistema en equilibrio térmico, la temperatura en cualquier punto del cuerpo es la misma.

III. PARTE EXPERIMENTAL

MATERIALES

-Frasco termo (Calorímetro de mezclas)

-Termómetro

-Agua

-Muestras metálicas

PROCEDIMIENTO

Primera Parte

MEDIDA DEL EQUIVALENTE EN AGUA DE UN CALORÍMETRO

1. Colocar 200ml de agua (M = 200ml), a temperatura ambiente, en el Frasco termo o calorímetro. Agitar y después de 3 minutos medir la temperatura To con el termómetro.

2. En un vaso de precipitados colocar 100ml de agua (m = 100ml) y calentarla (utilizando la cocinilla eléctrica). Luego de 6 minutos retirar la cocinilla el vaso de precipitados con el agua caliente.

3. Medir

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