CALORIMETRIA

INTRODUCCION

Laprctica decalorimetraes una introduccin a las tcnicas calorimtricas, que tienen como finalidad la medida del cambio de energa que acompaa a una transformacin qumica o fsica, expresado como calor absorbido o desprendido por el sistema (procesos endotrmicos o exotrmicos).Dada la variedad de procesos posibles, existen tambin diversas formas prcticas de realizar esta medida. En general, podemos hablar de un bao termosttico o calormetro, que se mantiene aislado trmicamente del exterior, y del que puede medirse la temperatura. Debido a que el calormetro absorbe parte del calor desprendido, es necesario realizar un calibrado que tenga en cuenta este efecto.Para procesos como las combustiones, se utiliza una bomba calorimtrica, cerrada hermticamente y de paredes conductoras, sumergida en un bao en el interior de un calormetro. El calor desprendido por la bomba eleva la temperatura del agua en el calormetro.

INDICE

ContenidoCALORIMETRIA1INTRODUCCION2INDICE3MARCO TEORICO4CALORIMETRIA41.CALORIMETRIA42.CALOR43.CALORMETRO54.LEY FUNDAMENTAL DE LA CALORIMETRA64.1.Unidades de calor64.2.CALORES ESPECFICOS Y LATENTES74.3.CALOR ESPECFICO Y CAPACIDAD CALORFICA95.CALORIMETRA A VOLUMEN CONSTANTE115.1.CALORIMETRA A PRESIN CONSTANTE13CONCLUSIONES17BIBLIOGRAFA18ANEXOS19

MARCO TEORICO

CALORIMETRIA1. CALORIMETRIAMediante la calorimetra se puede medir elcaloren unareaccin qumicao un cambio fsico usando un instrumento llamado calormetro. Pero tambin se puede emplear un modo indirecto calculando el calor que los organismos vivos producen a partir de la produccin de dixido de carbono y de nitrgeno (urea en organismos terrestres), y del consumo de oxgeno.DondeU= cambio deenerga internaComo lapresinno se mantiene constante, el calor medido no representa el cambio deentalpa.Calorimetra a presin constanteEl calor medido es igual al cambio en la energa interna del sistema menos el trabajo realizado:

Como la presin se mantiene constante, el calor medido representa el cambio de entalpa.

2. CALOREl calor es la transferencia de energa de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de nivel energtico. El calor es energa en trnsito; siempre fluye de una zona de mayor nivel energtico a una zona de menor nivel energtico, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energa no fluye desde un objeto de nivel energtico bajo a un objeto de nivel energtico alto si no se realiza trabajo.

Q = m.ce. T

El calor, igual que el trabajo, corresponde aenerga en trnsito(proceso de intercambio de energa), el calor es una transferencia de energa y puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el trabajo. La energa mecnica puede convertirse en calor a travs delrozamiento, y el trabajo mecnico necesario para producir 1 calora se conoce como equivalente mecnico del calor. Segn la ley de conservacin de la energa, todo el trabajo mecnico realizado para producir calor por rozamiento aparece en forma de energa en los objetos sobre los que se realiza el trabajo. James Prescott Joule fue el primero en demostrarlo de forma fehaciente en un experimento clsico: calent agua en un recipiente cerrado haciendo girar unas ruedas de paletas y hall que el aumento de nivel energtico del agua era proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas.

Cuando el calor se convierte en energa mecnica, como en un motor de combustin interna, la ley de conservacin de la energa tambin es vlida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energa en forma de calor porque ningn motor tiene una eficiencia perfecta.

3. CALORMETROCiencia que mide la cantidad de energa generada en procesos de intercambio de calor. El calormetro es el instrumento que mide dicha energa. El tipo de calormetro de uso ms extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termmetro. Se coloca una fuente de calor en el calormetro,se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de nivel energtico se comprueba con el termmetro. Si se conoce la capacidad calorfica del calormetro (que tambin puede medirse utilizando una fuente corriente de calor),la cantidad de energa liberada puede calcularse fcilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de nivel energtico conocida, el calor especfico y el calor latente pueden ir midindose segn se va enfriando el objeto. El calor latente, que no est relacionado con un cambio de nivel energtico, es la energa trmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de lquido a slido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reaccin qumica, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calormetro y la reaccin se provoca por ignicin,con ayuda de una chispa elctrica.

4. LEY FUNDAMENTAL DE LA CALORIMETRA

Un sistema aislado compuesto porncuerpos, a diferentes temperaturas, evoluciona espontneamente hacia un estado de equilibrio en el que todos los cuerpos tienen la misma temperatura. Los calores intercambiados sumados con sus signos dancero: Qi= 04.1. Unidades de calorEn fsicas, la cantidad de calor se expresa en las mismas unidades que la energa y el trabajo, es decir, en joules (J).La calora es otra unidad que sirve para medir las cantidades de calor. La calora pequea, o calora-gramo (cal), suele definirse en ciencia e ingeniera como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua de 14,5 a 15,5 C. A veces se especifica otro intervalo de temperaturas.1 cal = 4,1840 JEn ingeniera se emplea una calora algo diferente, la calora internacional, que equivale a 1/860 watt .hora:1 kcal = 4,1868 JUna calora grande o kilocalora (Cal), muchas veces denominada tambin calora, es igual a 1.000 caloras-gramo,y se emplea en diettica para indicar el valor energtico de los alimentos.

4.2. CALORES ESPECFICOS Y LATENTESSe designa con el nombre de calor (Q) a la energa en trnsito que fluye desde una parte de un sistema a otra o de un sistema a otro, en virtud nicamente de una diferencia de temperatura. Por convencin se considera que Q es positivo cuando es absorbido por el sistema y negativo en caso contrario. El calor Q no es funcin de las variables termodinmicas sino que depende de la trayectoria. Es decir que el calor intercambiado en un proceso infinitesimal es un diferencial inexacto.Cuando un sistema absorbe (o cede) una determinada cantidad de calor puede ocurrir que:a) experimente un cambio en su temperaturab) experimente un cambio de fase a temperatura constante.

1.1- Caso en que el intercambio de calor ocasiona cambio de temperatura

Si durante la absorcin de Q unidades de calor, un sistema experimenta un cambio de temperatura de ti a tf , se define como capacidad calorfica media del sistema a la razn:

Si tanto Q como tf - ti se hacen cada vez menores, esta razn tiende hacia la capacidad calorfica instantnea o, simplemente, capacidad calorfica:

Se denomina capacidad calorfica especfica o calor especfico de un sistema a su capacidad calorfica por unidad de masa o mol y se la designa con c, de modo que C = m c. El calor especfico de una sustancia puede ser negativo, positivo, nulo o infinito, dependiendo del proceso que experimente el sistema durante la transferencia de calor. Slo tiene un valor definido para un proceso determinado. Por lo tanto, la capacidad calorfica de un sistema depende tanto de la naturaleza del sistema, como del proceso particular que el sistema experimenta.La capacidad calorfica en un proceso durante el cual el sistema se somete a una presin hidrosttica externa constante, se denomina capacidad calorfica a presin constante y se representa por Cp. El valor de Cp para un sistema determinado depende de la presin y de la temperatura. Si el sistema se mantiene a volumen constante mientras se le suministra calor, la capacidad calorfica correspondiente se denomina capacidad calorfica a volumen constante y se representa por Cv. Debido a las grandes tensiones que se producen cuando se calienta un slido o un lquido al que se le impide su expansin, las determinaciones experimentales de Cv en slidos y lquidos son difciles y por ello se mide generalmente la magnitud Cp. La cantidad total que fluye en un sistema en cualquier proceso viene dado por :

Dentro de un intervalo de temperaturas en el cual C puede considerarse constante:

Cuanto mayor es la capacidad calorfica del sistema, menor es la variacin de temperatura para un flujo determinado y, en realidad, haciendo la capacidad calorfica lo suficientemente grande, la variacin de temperatura puede hacerse tan pequea como se desee. Un sistema cuya capacidad calorfica es muy grande se denomina fuente trmica y se caracteriza por el hecho de que se le puede entregar o quitar cualquier cantidad de calor sin que se produzca en l una variacin de temperatura apreciable. Una forma de obtener una fuente trmica es tomar una gran masa de sustancia (por ejemplo, el mar o un ro pueden considerarse como tal).

1.2- Caso en que el intercambio de calor ocasiona un cambio de fase sin cambio de temperaturaSe han considerado anteriormente los cambios de fase correspondientes a sustancias puras; pero no se ha hecho hasta el momento, ninguna referencia al trabajo o calor que acompaan a dichos procesos.Considrese un tramo de la curva pV de un proceso isotrmico en la regin slido-lquido, en la lquido-vapor o en la slido-vapor. Si se entrega calor al sistema, esta energa se utilizar en el cambio de fase, sin que el sistema experimente un cambio de temperatura. La razn entre el calor absorbido Q y la masa m del sistema que experimenta el cambio de fase se denomina calor latente de transformacin l Es decir que:

4.3. CALOR ESPECFICO Y CAPACIDAD CALORFICAEl calor especfico (s) de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la sustancia. La capacidad calorfica (C) de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius la temperatura de una cantidad determinada de sustancia. El calor especfico es unapropiedadintensiva, en tanto que la capacidad calorfica es una propiedad extensiva. La relacin entre la capacidad calorfica y el calor especfico de una sustancia es:C = msDonde m es la masa de la sustancia en gramos. Por ejemplo el calor especfico del agua es 4.184 J/g . C y la capacidad calorfica de 60 gramos de agua es:(60.0 g)(4.184 J/g . C) = 251 J/CSUSTANCIACALOR ESPECFICO (J/g.C)

Aluminio0.900

Oro0.129

C(grafito)0.720

C(diamante)0.502

Cobre0.385

Hierro0.444

Mercurio0.139

Agua4.184

Etanol2.46

Tabla 1. Calor especfico de algunas sustanciasSi se conoce el calor especfico y la cantidad de una sustancia, entonces el cambio en la temperatura de unamuestra(t) indicara la cantidad de calor (q) que se ha absorbido o liberado en un proceso en particular. La ecuacin para calcular el cambio de calor esta dad por:

Donde m es la masa de la muestra y t es el cambio de la temperatura:

El signo convencional de q es igual que para el cambio de entalpa; que es positivo para procesos endotrmicos y negativo para procesos exotrmicos.5. CALORIMETRA A VOLUMEN CONSTANTE

Figura 1diagramade bomba calorimtricaPara medir el calor de combustin se coloca una masa conocida de un compuesto en un recipiente deacero, denominado bomba calorimtrica a volumen constante, que se llena con oxgeno, a ms o menos 30 atm de presin. La bomba cerrada se sumerge en una cantidad conocida de agua. La muestra se enciende elctricamente y el calor producido por la reaccin de combustin se puede calcular con exactitud al registrar el aumento en la temperatura del agua. El calor liberado por la muestra es absorbido por el agua y por el calormetro. Eldiseoespecial de la bomba calorimtrica permite suponer que no hay prdida de calor (o de masa) hacia los alrededores durante eltiempoen que se hacen las mediciones.Como consecuencia, se puede decir que la bomba calorimtrica y el agua en que se sumerge constituyen un sistema aislado. Debido a que no entra ni sale calor del sistema durante el proceso, se puede escribir:

donde qagua, qbomba y qreaccin son los cambios de calor del agua, de la bomba y de la reaccin, respectivamente. As:

La cantidad qagua se obtiene por:

Elproductode la masa de la bomba por su calor especfico es la capacidad calorfica de la bomba, que permanece constante para todos los experimentosefectuados en dicha bomba calorimtrica:De aqu

Como es una bomba calorimtrica las reacciones ocurren bajo condiciones de volumen constante y no de presin constante, los cambios de calor no corresponden al cambio de entalpa H. Es posible corregir las mediciones en los cambios de calor de forma que correspondan alos valoresde H, pero debido que la correccin es muy pequea.

5.1. CALORIMETRA A PRESIN CONSTANTESabemos que DH se define como la cantidad de calor transferida a presin constante,(DH = qp), entonces un calormetro para medir ello tendr el siguiente esquema:

Figura 2 diagrama de un calormetroEl regulador de presin puede ser simplemente un agujero que permita que la presin sea la misma que la presin atmosfrica Para aquellas reacciones que se hacen en agua en disoluciones diluidas, el calor especfico de la disolucin ser aproximadamente igual al del agua, esto es, 4.18 J g-1 K-1 El calor absorbido por una disolucin acuosa es igual al calor liberado por la reaccin de los solutos:qdisolucin = -qrxnSi la reaccin libera calor, es una reaccin exotrmica y el DH esnegativa. La entalpa de los productos es menor que la de los reactivosDH =H productos-HreactivosEn un calormetro con una disolucin acuosa, si la reaccin de los solutos es exotrmica, la disolucin absorber el calor producido por la reaccin y se observar un incremento en la temperatura.De manera que para una reaccin exotrmica: Los solutos tienen una entalpa final menor despus de la reaccin (DH negativa) La disolucin tiene una entalpa final mayor despus de la reaccin (DH positiva)De manera que para determinar elvalorde DHrxn debemos invertir el signo de DHsoln (es decir el valor medido)CALOR LATENTE DE FUSINEl calor latente defusines el calor absorbido en la fusin de 1 g de sustancia a temperatura constante.Los calores de fusin de las sustancias son muy inferiores a sus calores de vaporizacin. Para el hielo es igual a 79,7 caloras por gramo.La temperatura de fusin varia, aunque muy poco, con la presin aplicada a la sustancia; en general, en los slidos ms densos que el lquido la temperatura de fusin aumenta al elevar la presin, mientras que el caso contrario tal como el hielo, la temperatura de fusin disminuye al elevar la presin.CALOR DE SUBLIMACINEl calor de sublimacin es la cantidad de calor necesario para sublimar a temperatura constante 1 g de sustancia en estado slido.El calor de sublimacin de una sustancia es igual a la suma del calor de fusin ms el calor de vaporizacin, ya que el paso directo de slido-vapor puede realizarse en las dos etapas equivalentes slido-liquido y liquido-vapor.CALOR DE VAPORIZACIONCuando un lquido se encuentra a la temperatura de ebullicin, para pasarlo a estado de vapor hay necesidad de aplicarle una cantidad de calor adicional, para romper las fuerzas atractivas intermoleculares, a este calor necesario para evaporar cierta cantidad de sustancia se le conoce con el nombre de calor de vaporizacin.El calor de vaporizacin se conoce como calor latente de vaporizacin puesto que al aplicarlo, no hay cambio en la temperatura del sistema.

Donde m es la cantidad de sustancia a evaporar y Hv es el calor de vaporizacin.

Ejemplo 1:Si se entrega calor a cierta masa de hielo cuya temperatura es menor a 0oC a presin p = 1 atm, permanecer en estado slido hasta que su temperatura alcance los 0oC. En este punto el hielo permanece a temperatura constante y comienza a fundirse. La fusin es una transicin de fase, una transformacin desde la fase slida ordenada a la fase lquida desordenada. Esta transicin ocurre cuando el calor "rompe" algunas de las ligaduras qumicas de las molculas de agua permitiendo as que stas se muevan ms libremente. El hielo se transforma en agua, perdiendo su forma, su rigidez y su estructura cristalina. La temperatura de fusin del hielo es 0oC a 1 atm.La mezcla de hielo y agua contina a 0oC hasta que todo el hielo se haya fundido. Cuando slo hay agua el calor entregado produce aumento de la temperatura. Las ligaduras entre las molculas de agua son relativamente fuertes, de manera que el calor latente de fusin del agua es grande: se necesitan alrededor de 333 000 J de calor para convertir 1kg de hielo a 0oC en 1kg de agua a 0oC. Esta misma cantidad de calor es suficiente para elevar la temperatura de 1kg de agua lquida en 80oC; de manera que se necesita casi la misma cantidad de calor para fundir un trozo de hielo que para calentar el agua resultante casi hasta la temperatura de ebullicin.El calor latente de solidificacin1 reaparece cuando se enfra agua a su temperatura de fusin y comienza a solidificar. A medida que se extrae calor del agua, sta se solidifica en hielo y su temperatura no desciende. El calor que se libera cuando cierta masa de agua se transforma en hielo, sin cambiar su temperatura, es tambin el calor latente de fusin. Este enorme calor latente de fusin es lo que mantiene una mezcla de agua y hielo a 0oC.Si se transfiere suficiente cantidad de calor al agua (o al hielo), sta puede vaporizarse (o sublimarse). La cantidad de calor necesaria para transformar cierta masa de lquido o de slido en gas, sin cambiar su temperatura, se denomina calor latente de vaporizacin o de sublimacin respectivamente. El calor latente de vaporizacin del agua es sorprendentemente alto debido a que sus molculas son difciles de separar. Se necesitan alrededor de 2 300 000 J de calor para convertir 1 kg de agua a 100oC en 1 kg de vapor de agua a 100oC. Esta misma cantidad de calor elevara la temperatura de 1 kg de agua en ms de 500oC! An ms cantidad de calor se necesita para convertir directamente hielo en vapor de agua. Aplicacin 1: Cmo proteger las plantas de las heladas.Cuando se esperan temperaturas nocturnas inferiores a los 0C, los fruticultores protegen sus cosechas rocindolas con agua. Si bien algunas frutas como las fresas pueden soportar temperaturas por debajo del 0C sin daarse, cuando las temperaturas estn por debajo del punto de fusin del agua, el riesgo de perder la cosecha crece considerablemente. Al rociar agua sobre las fresas, sta se congela y forma una cubierta de hielo, produciendo un doble beneficio. Por un lado, al congelarse el agua libera calor y parte de l es utilizado para calentar la planta. Adems tanto el hielo como el agua tienen baja conductividad trmica y protegen las cosechas ya que actan como aislante trmico. De esta manera se reduce el calor perdido por las plantas.Se ha visto que el calor es una diferencial inexacta, por lo que Q no es funcin de las variables termodinmicas sino que depende de la trayectoria. Si uno se limita a considerar procesos a presin constante (isobricos) reversibles, en los que queda individualizado el camino, el calor absorbido es igual a la variacin de entalpa. Se tiene entonces que: Qp = DH. Esto permite representar cantidades de calor en un eje, y realizar diagramas temperatura-energa para estudiar diversos procesos. El siguiente es un ejemplo de aplicacin de estos conceptos.

CONCLUSIONES

Gracias a este trabajo aprendimos al fin lo que es la calorimetra, y tambin 3 conceptos bsicos para entender esta materia. Realizamos ejercicios y ejemplos de la vida diaria que nos ayudaron a entender este concepto. A pesar de lo difcil de esta materia logramos hallar un concepto comn de calorimetra que es: la medida del calor que absorbe o cede un cuerpo. La calorimetra se encarga de medir el calor en una reaccin qumica o un cambio fsico usando un calormetro. La calorimetra indirecta calcula el calor que los organismos vivos producen a partir de la produccin de dixido de carbono y de nitrgeno (urea en organismos terrestres), y del consumo de oxgeno

BIBLIOGRAFA

www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap10_calorimetria.php es.wikibooks.org/wiki/Fsica/Calorimetra/ Capacidad_ calorfica www.todoexpertos.com/categorias/ciencias-e-ingenieria/fisica/respuestas/ www.fisicabiologica.com.ar/Members/scampi/trabajo-practico-de-calorimetria - 28k - Guas de laboratorio. TIPLER Pal A, Editorial Reverte, S.A. Barcelona, Bogota, Buenos Aires,Caracas, Mjico. 1995. Paginas 595. HALLIDAY Resnick, Editorial Continental S.A. Mjico 1977. paginas 922. Ciencias aprendiendo, educacin media. Editorial Santillana Enciclopedia Mentor. Editorial Ocano.

ANEXOS