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DPTO. DE QUÍMICA

“El Calorímetro”

Nombre: Catalina Rivas Curso: 3° Medio B Fecha: 6 de Diciembre de 2011

INTRODUCCIÓN

La calorimetría es la medición de los cambios de calor en las reacciones químicas o en cambios físicos, de forma experimental y por medio de un calorímetro. El tema a tratar en el presente trabajo será acerca de este importantísimo instrumento, sus características y funciones. Los estudios de la termodinámica han sido determinantes para la vida del ser humano, para poder comprender los procesos que se llevan a cabo en el ambiente y así poder aplicarlos a la voluntad de la persona, industria, empresa y entidades comerciales. Por ejemplo, en la combustión de carbón o madera claramente se detecta liberación de energía que se manifiesta mediante la elevación de la temperatura, que luego puede ser utilizada en calefacción hogareña, por lo que resulta importante medir de alguna forma esta energía en forma de calor. Es aquí donde la calorimetría cumple su rol, y se ocupa de analizar características del sistema en estudio para que la medición sea exacta y confiable, ocupándose del material de que esté hecho el instrumento y de las propiedades térmicas de las sustancias en el experimento. Para poder comprender la relevancia del calorímetro en los estudios científicos y las características propias de este instrumento, se realizó una búsqueda de conceptos termoquímicos básicos en fuentes bibliográficas y en la web, sobre calorimetría, calor, procesos termodinámicos, entre otros.

EL CALORÍMETRO I. CONCEPTOS TERMOQUÍMICOS BÁSICOS. Antes de analizar la estructura y función del calorímetro, se debe manejar algunos conceptos relacionados con el tema. 1. Termoquímica: es el estudio de los cambios de calor en las reacciones químicas. En esta área es necesario saber: a) Calor: es energía de tipo térmica que fluye entre cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas, desde el de mayor T° al de menor, hasta alcanzar un equilibrio térmico. b) Temperatura: es una magnitud escalar correspondientes a nociones de energía cinética interna de las partículas de un sistema. Alta temperatura significa alto nivel de movimiento de las moléculas. c) Calorimetría: es la medición de los cambios de calor. Se utiliza un instrumento llamado calorímetro, que en palabras simples es un recipiente diseñado específicamente para medir los cambios de calor en un proceso. 2. Factores influyentes en la calorimetría: la calorimetría depende de ciertos factores, como por ejemplo: a) Calor específico (s): es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de 1 gramo de sustancia. La unidad de medida más usada es cal/g·°C. b) Capacidad calorífica (C): concepto similar y relacionado con el calor específico. Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de una determinada masa de sustancia. Su unidad de medida es cal/°C. “C” y “s” se pueden relacionar matemáticamente de la siguiente forma: C=m·s 3. Tipos de procesos térmicos: De acuerdo al flujo térmico se pueden definir tres tipos de procesos. a) Adiabático: Es un cambio que ocurre en el interior de un sistema, sin intercambiar calor con el medio externo (q=0). Si el sistema está rodeado por una pared adiabática, es decir aislante, esta impide el flujo de calor tanto hacia afuera como hacia adentro. b) Exotérmico: Es un proceso que cede calor, es decir, se transfiere energía térmica hacia los alrededores. c) Endotérmico: en este proceso los alrededores deben suministrar calor al sistema.

II. EL CALORÍMETRO Como se mencionó anteriormente, un calorímetro es un instrumento utilizado para medir los cambios de calor. Existen principalmente dos tipos de calorímetros. Estos son: 1. Calorímetro a Volumen Constante Este calorímetro se usa frecuentemente para medir el calor de combustión. Para hacer esto, se coloca una masa conocida de un compuesto en un recipiente de acero, denominado bomba calorimétrica a volumen constante, que se llena con oxígeno. La bomba cerrada se sumerge en una cantidad conocida de agua. La muestra se enciende eléctricamente y el calor producido por la reacción de combustión se puede calcular con exactitud al registrar el aumento en la T° del agua, debido a que acero es capaz de conducir el calor desde la reacción interior hacia la cantidad de agua. El calor liberado por la muestra es absorbido por el agua y por el calorímetro. El diseño de la bomba calorimétrica permite suponer que no hay pérdida de calor o de masa hacia los alrededores durante el tiempo en que se hacen las mediciones.

Con el termómetro se calcula la variación de temperatura (ΔT), valor que sirve para calcular el calor absorbido o cedido mediante la siguiente ecuación. Q = m · s · ΔT Como consecuencia, se puede decir que la bomba calorimétrica y el agua en la que se sumerge forman un sistema aislado, debido a que no entra ni sale calor del sistema durante este proceso; esto se puede escribir de la siguiente forma: Q sistema = Q agua + Q bomba + Q reacción dentro de la bomba Suponiendo que es un sistema aislado: Q sistema = 0. Y despejando se obtiene que: Q reacción= - (Q agua + Q bomba)

NOTA: El contenido energético de los alimentos y los energéticos en general se miden con calorímetros a volumen constante.

2. Calorímetro a Presión Constante: Un calorímetro a presión constante se puede construir con 2 vasos desechables de espuma de poliestireno o plumavit. Este dispositivo mide los efectos del calor en diversas reacciones como por ejemplo, neutralizaciones acido – base. Al igual que el calorímetro anterior se puede calcular los cambios de calor a través del ΔT por medio de las ecuaciones antes mencionadas.

¿Cómo medir los calores de reacción? Al calor de reacción, se le denomina también a la cantidad de energía liberada o absorbida en una reacción. Para determinar cuánto calor se libera en una reacción química se debe hacer uso de un calorímetro de paredes bien aisladas. Los cambios de energía producidos en las reacciones químicas, a presión constante (calorímetro a presión constante) se llaman cambios de entalpia, la cual es una función de estado, vale decir que solo depende de los estados inicial y final del sistema. Se simboliza con la letra “H”, pero al no depender del transcurso de la reacción, se calcula el ΔH. De esta forma se obtiene que: Si ΔH es negativo, el proceso es exotérmico (ΔH0). La unidad de medida de esta función de estado es cal/mol o Kcal/mol. Para calcular ΔH en función del calor calculado con los datos entregados por el calorímetro (Q) y el número de moles de sustancia (n), se utiliza la siguiente ecuación: ΔH = Q/n Así, la entalpia se relaciona con la primera ley de la termodinámica o ley de la conservación de la energía. Esta ley se basa, en que la energía se puede convertir de una forma a otra, pero no se crea ni se destruye. En química se puede demostrar la validez de esta ley midiendo el cambio de energía interna (ΔU) de un sistema considerando la siguiente ecuación: ΔU = ΔH + W La ecuación establece que el cambio de energía de un sistema es la suma del intercambio de calor entre el sistema y los alrededores a presión constante (ΔH), y el trabajo (W) realizado sobre o por el sistema. Ambas variables que se están sumando corresponden a formas de energía que se transmiten dentro del Universo, el cual no presenta variación en su energía total. Entonces se obtiene que: ΔU sistema + ΔU alrededores = 0 ΔU sistema = - ΔU alrededores

III. APLICACIONES DE LAS MEDICIONES CALORIMÉTRICAS Con las mediciones de los cambios de calor, se encuentran diferentes aplicaciones cotidianas que tienen su raíz en el calor de ciertas reacciones. Dentro de las más conocidas se tiene: 1. Combustión: generalmente los combustibles son hidrocarburos y sustancias inflamables. Esta reacción es altamente exotérmica, cuyo ΔH es específico según la cantidad de combustible y comburente (O2), y que han sido posibles conocer con pequeños experimentos en calorímetros a presión constante. La combustión es la que comúnmente se utiliza para la calefacción y para cocer alimentos, de forma que se sabrá cuánto calor se producirá al momento de realizar una combustión. 2. Formación de compuestos: los ΔH de formación de elementos y compuestos también se establece en calorímetros a presión constante. En la industria es fundamental conocer estos valores, ya que se podrá hacer uso de catalizadores que aceleren la reacción, disminuyendo finalmente la energía requerida o que se debe liberar. Esto economiza la producción industrial y la hace más eficiente. 3. Energía de enlace: los alimentos y energéticos contienen su energía (o más conocida como su contenido calorífico) en los enlaces de los compuestos que los forman. El calorímetro a volumen constante es el indicado para medir cuántas calorías poseen las comidas, y así poder darlas a conocer en forma expresa en la Información Nutricional escrita en el envase de los alimentos.

CONCLUSIÓN Mediante este trabajo se comprende la importancia que tienen para la termodinámica estos instrumentos llamados calorímetros, ya que sirven para entender los diversos procesos químicos, e incluso manipularlos. El ejemplo más común es el de la combustión, que se mide con el calorímetro a volumen constante en muestras pequeñas. Los cambios de energía producidos en las reacciones químicas, a presión constante (calorímetro a presión constante) se llaman cambios de entalpia, la cual es una función de estado, vale decir que solo depende de los estados inicial y final del sistema. Se simboliza con la letra “H”, pero al no depender del transcurso de la reacción, se calcula el ΔH. Con eso se puede concluir que ciertas funciones de estado, como lo es la entalpía, dependen de ciertos factores y variables de estado del propio sistema. La presión constante es una condición necesaria para medir la entalpía, y la calorimetría debe considerarla en el estudio. Además la calorimetría proporciona conocimientos esenciales aplicables en área biológica, como es el caso del agua, sustancia de la cual se sabe que posee un alto calor específico, siendo el termorregulador del cuerpo; y no tan sólo del cuerpo, sino también del clima. Es un compuesto que intercambia lentamente calor con el medio. También se sabe que es posee un alto calor de vaporización, por lo que al producirse el cambio físico líquido – gaseoso, se libera una gran cantidad de energía. Así, se puede conocer que el sudor es un mecanismo de regulación de la temperatura corporal y del calor del cuerpo, evitando déficit y excesos dentro del organismo. Por último, es importante añadir que los calorímetros son parte de un extenso conocimiento termodinámico que se tiene en la actualidad, conocimientos que aún siguen en aumento y mantienen a la comunidad científica en constante estudio acerca de las energías existentes en el universo. De esta forma, el calor, la termoquímica y la termodinámica (primera y segunda ley) son vitales en otras teorías esenciales que se están tratando de demostrar o que el futuro pudieran surgir.

BIBLIOGRAFÍA -

Texto para el estudiante Química 3° Medio, editorial Zig-Zag, edición especial para el Ministerio de Educación, Chile, año 2011. Pp. 200

LINKOGRAFÍA -

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor%C3%ADmetro http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Calor/calori metro.htm http://www.textoscientificos.com/fisica/calorimetro http://www.monografias.com/trabajos17/calorimetria/calorimetria.shtml...