Segunda unidad (calorimetría)

Diseño, construcción de un calorímetro

 Cuando Nuestro ya mencionado autor J. Black comienza a estudiar el fenómeno de la equilibración térmica (1760), se pensaba que la cantidad de calor necesaria para que un cuerpo alcanzara el equilibrio con otros dependía de su cantidad de materia; sin embargo, Black encuentra que la proporción entre cantidad de materia y calor no es tal.

Entonces ¿Los análisis anteriores relacionados con la proporcionalidad de las sustancias y sus cantidades de calor pierden validez?

Veamos:

 Black realiza un procedimiento inspirado en Farenheit, donde estudia cómo son los cambios de temperatura de dos cantidades de mercurio y agua que se ponen a interactuar inicialmente con temperaturas diferentes. Este método, conocido como el método de las mezclas, permitía calcular la cantidad de calor que necesita una determinada sustancia para cambiar su temperatura en un grado, el calor específico.

 Algunas de las dificultades que se encontraron en este procedimiento eran referidas a las transferencias de calor por conducción o por radicación, es decir al mezclarse el agua y el mercurio también podían estar interactuando los recipientes que las contenían, el termómetro que indicaba los cambios, y el aire. Para tener “control” sobre las variables del experimento y para conseguir que el equilibrio alcanzado fuera entre las dos sustancias que se mezclaban se necesitaba “aislarlas”, definir cuál era el sistema en interacción. 

Apartado tomado del modulo de la organización de los fenómenos térmicos

¿Necesitamos hablar entonces de un sistema cerrado?

Cómo diseñar un calorímetro 

 Qué aspectos tiener en cuenta para definir las características de 

un calorímetro. 

Se debe tener en cuenta los materiales que se usen para construir el calorímetro en tanto se reduzca la pérdida de calor con el medio. Es decir, que el calorímetro funcione como un sistema cerrado en el que se establezcan flujos de energía en términos de calor y no de materia.

En ese orden de ideas ¿Para qué usar el calorímetro?

Pensemos entonces en el  calorímetro como un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.

¿Cómo se mide dicha cantidad de calor?

Según el autor Ganot, Se miden directamente las cantidades de calor, no en unidades absolutas, sino en unidades secundarias que se denominan calorías.  La caloría es la cantidad de calor necesario para elevar de 0º a 1º la temperatura de 1 kilogramo de agua pura.

¿Cómo entendemos el calor específico?

 Se llama calor especifico, o capacidad calorífica de un cuerpo, a la cantidad de calor necesaria para elevar de 0º a 1º la temperatura de 1 kilogramo de este cuerpo. 

Debemos tener en cuenta que no todos los cuerpos o sustancias presentan la misma capacidad para retener o liberar calor. Es decir, presentan diferente calor específico.

Veamos una experiencia:

Tomado del modulo del componente: La organización de los fenómenos térmicos del programa MDCN

Tyndall afirma lo siguiente:

Fúndese en un molde una torta de cera amarilla, de 15 a 20 centímetros de diámetro y de 12 milímetros de grueso aproximadamente, y cuando esté fría se la coloca encima de una peana anular (fig. 430).  Caliéntense entonces, en un baño de aceite a 180º, varias bolas, una de hierro, otra de cobre, de estaño, plomo, bismuto, etc., todas del mismo peso; y cuando hayan tomado la temperatura del baño se las retira y se las pone sobre la torta. Todas funden la cera, pero con distintas velocidades. El hierro se hunde en ella vivamente y pasa pronto al otro lado; luego viene el cobre; el estaño hace un agujero en la torta, pero no la atraviesa; por último, el plomo y el bismuto ni siquiera se introducen hasta la mitad del grueso del pan de cera. De donde se deduce que, bajo igual peso e idéntica temperatura, la bola de hierro contiene más calor que la de cobre, esta más que la de estaño, y así sucesivamente. 

Referencias

Ganot, A. (1885) Calorimetría. En: Tratado elemental de Física. 19° ed. Librería de Ch. Bouret, París. Citado en el modulo del componente Organización de los fenómenos térmicos.

Construcción del calorímetro

Materiales que se usaron:

Recipientes de icopor

lata de aluminio (por su naturaleza facilita la transferencia de calor entre las sustancias)

algodón

pegamento

termómetro

agitador de vidrio 

embudo

algunos de los materiales usados en la construcción del calorímetro y la práctica

                                      

Parte intermedia del calorímetro entre la lata de aluminio y el icopor

se utilizaron materiales que sirvieran como aislantes térmicos como icopor y algodón, esto con el fin de reducir la transferencia de calor entre el interior del calorímetro y el ambiente externo.

Ensamble de la lata de aluminio y el material aislante

Cierre del calorímetro, procurando que sea lo mas hermético posible cuidando dejar un agujero para introducir el termómetro y un agitador 

 Experiencia con el calorímetro

Antes de empezar tengamos en cuenta lo siguiente:

¿qué es la capacidad calorífica?

Es la capacidad que tienen los cuerpos para absorber energía en forma de calor, así por ejemplo, si añadimos la misma cantidad de calor a dos sustancias diferentes con la misma cantidad de masa durante un determinado tiempo, al finalizar observaremos que las dos tienen temperaturas diferentes, debido a que una presenta mayor capacidad calorífica, es decir absorbe mayor cantidad de calor con relación a la otra sustancia.

En ese sentido, lo primero que debemos hacer es pensar nuestro calorímetro como un sistema (Vaso-lata-algodon-agitador-termómetro) que debe tener una capacidad calorífica, para esto es necesario conocer cual es esa capacidad calorífica, para esto es necesario calibrar el calorímetro.

"...Para realizar el calibrado, se mezclan cierta cantidad de agua fría con agua caliente y se mide la temperatura de equilibrio. Durante este proceso una parte de la energía cedida por el agua caliente es absorbida por el vaso Dewar del calorímetro que eleva su temperatura desde T2 a Te. En consecuencia, como en el calorímetro no se producen pérdidas de energía hacia el exterior, la variación del conjunto formado por el calorímetro y las cantidades de agua será nula."

(módulo organización de los fenómenos térmicos, p.90)

Sin embargo inicialmente antes de desarrollar la experiencia se plantea la hipótesis: En el calorímetro si hay una trasferencia de calor hacia el exterior

Paso 1: Utilizamos 50 Ml de agua a 21°C y 50 Ml de agua a 50°C

Teniendo esos datos utilizamos la siguiente fórmula:

m1(Te – T1) + Ck(Te – T2) + m2(Te – T1) = 0

Donde: m1= sustancia 1 (21°C)

           m2= sustancia 2 (50°C)

           Ck=  calorímetro

después de determinado tiempo el termómetro se detuvo en 33°C

Paso 2: situación hielo - agua

hielo: 41.4g a 4°C (M1)   Ti=4°C y Tf=2°c
agua: 41g a 21°C  (M2)   Ti=21°C y Tf=33°c

Paso 3: situación agua - aceite

agua: 50g a 50°C     
aceite: 54.3g a 22°C

agua Ti=50°C  Tf=39°C           (M1)
aceite Ti=22°C  Tf= 39°C         (M2)
Calorímetro Ti=50°C  Tf=33°C  (Ck)

Con estos datos intentemos determinar la capacidad calorífica del calorímetro y el calor específico del aceite.

Reemplazando en la fórmula:

50g ( 39°C-50°C) + Ck (33°C-50°C)+ 54.3g (39°C-22°C)
-550+Ck (-17)+923.1=0
Ck=-373.1/-17
Ck=22.94 g

Tenemos entonces que la capacidad calorífica de nuestro calorímetro es de 22.94g.

recordando que La influencia del calorímetro también se acostumbra a identificar como equivalente en agua (K), que se define como la cantidad de agua cuya capacidad calorífica es CK. Por ser el calor específico del agua 1 cal.g-1K-1, el equivalente en agua es la capacidad calorífica del calorímetro pero expresada en gramos.

Ahora:

Q= M.Ce.(Tf-Ti)
Q1=Q2

Q1= Agua
Q2= Aceite

Q1=50g.1cal/g.°C (50-°C-39°C)
Q1=550 cal


Q2=54.3g . Ce . (22°C-39°C)
Q2=54.3g. Ce.(-17°C)
Ce=550cal/54.3g.(-17°C)
Ce=0.595

decimos entonces que el calor específico del aceite es igual a 0.595 cal/g.°c

Algunas conclusiones

La capacidad calorífica es una propiedad de cada sustancia o cuerpo y siempre será una magnitud positiva por lo tanto:

si Tf ˃ Ti Q˃0 el sistema absorbe calor 

si Ti˃Tf  Q˃0 el sistema cede calor

Entre las variables que afectan la capacidad calorífica se encuentran la temperatura, la composición y el estado de las sustancias.

Haciendo revisión de la literatura fue posible darnos cuenta que el calor específico del aceite giraba al rededor de 0.4 cal/g.°C.

teniendo en cuenta nuestra hipótesis En el calorímetro si hay una trasferencia de calor hacia el exterior podríamos decir que con los cálculos con los que se obtuvo el Ce en este caso fue de 0.595. Es decir, es mayor la cantidad de energía en términos de cantidad de calor que se necesita para subir la temperatura del aceite, pues afirmamos la hipótesis de que si hay un cierto porcentaje de calor en el transito interior y exterior del calorímetro.

También es necesario tener en cuenta que algunos factores pudieron intervenir durante la experiencia, como por ejemplo errores en la lectura del termómetro, no dejar pasar el suficiente tiempo para que alcanzarán el punto de equilibrio térmico, o que el termómetro haya tocado el vaso interno del calorímetro o su agitador en la lectura.