Calorimetria

Mediante la calorimetría se puede medir el calor en una reacción química o en un cambio físico usando un instrumento llamado calorímetro.

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 microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto esta ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre (no exista flujo de calor de un cuerpo al otro). El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convicción, aunque en la mayoría de los procesos reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes en mayor o menos grado.
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 diferentes temperaturas.
La temperatura es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, mas específicamente la energía cinética. A medida que la energía de un sistema es mayor, su temperatura es mayor.
El calor especifico de una sustancia es la cantidad de energía necesaria que hay que suministrar a la unidad de masa para aumentar su temperatura en una unidad. Se representa con la letra c (minúscula) como caloría.
De forma análoga se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad. Se representa con la letra C (mayúscula)
Por lo tanto, el calor especifico es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa. c = C / m


La cantidad de calor recibido o cedido por un cuerpo se calcula mediante la siguiente formula:

Q=c*m*ΔT

Donde

Q=Calor

c=Calor especifico

m=Masa

ΔT=Diferencia de temperatura (Tf-To)

*Esta formula solo puede ser utilizada si la sustancia NO cambia de estado.

Calorímetro virtual

TEMPERATURA FINAL DE UNA MEZCLA

Supongamos que tiro un hierro a 80 ºC en una olla con agua. Pregunto:

 ¿ Cuál será la temperatura final del agua con el hierro ?.

Para explicarte como se calcula esto, dejame primero comentarte la idea de PARED ADIABATICA. Una superficie es adiabática si es aislante del calor, es decir, el calor no la puede atravesar. O sea, si vos consiguieras un recipiente total y absolutamente adiabático, cualquier cosa caliente que pusieras adentro no se enfriaría nunca. ( nunca ).

Esto es teórico. Los recipientes adiabáticos no existen en la realidad. Lo más parecido es un termo, pero como sabés, el agua caliente puesta en un termo a la larga se enfría. En realidad, en un recipiente adiabático no puede salir calor de adentro, pero tampoco puede entrar el calor de afuera. Quiere decir que si ponés algo frío en un recipiente perfectamente adiabático, seguirá frío por los siglos de los siglos. ( Repito, esto es teórico ).

Entonces, pongamos 1 kg de agua a 20 ºC  en un recipiente adiabático.

Ahora agreguemos 1 kg de hierro a 80 ºC. Después de un tiempo van a estar a la misma temperatura. ( T_f tendrá que estar entre 20 y 80 ºC ). Fijate como se calcula esa temperatura final. ( importante ).

Digo:

El fe se va a enfriar ( cede calor ) y el agua se va a calentar ( recibe calor ). Como no puede salir calor del recipiente porque es adiabático, el calor que pierde el agua tiene que ser el calor que gana el fe. Entonces puedo poner :

 

                          Q _{ganado por el H2O} =  -  Q _{cedido por el Fe}

Le puse un signo menos al calor cedido por el hierro porque para el fe T_f  es menor que T_i  y me va a dar negativo. Pasando al mismo miembro :

                          Q _{ganado por el H2O}  + Q _{cedido por el Fe}   = 0

Conclusión:  si me dan 2 substancias cualquiera que inicialmente están a distinta temperatura, las ponen en un recipiente adiabático y me piden calcular la temperatura final, tengo que plantear siempre :

Ecuación para calcular la temperatura final Q ganado + Q cedido = 0

Entonces, si pongo juntos  1 kg  de fe a 80 ºC y 1 kg de agua a 20 ºC la T_f  será :

          

Aclaraciones:

·         La fórmula  Q _ganado + Q _cedido  = 0  sirve cuando ponés juntos 2 cuerpos. Si te dieran 3, la ecuación quedaría  Q ₁ + Q ₂ + Q ₃ = 0.  (Idem si te dieran 4)

·         Si el calor específico de un cuerpo es por ejemplo  0,5 cal / g ºC  y vos lo    querés pasar a  kcal / kg ºC , directamente te queda  0,5 kcal / kg ºC. Esto es porque 1 kg son justo 1000 g  y  1 kcal son justo 1000 cal. Así que el asunto se compensa  y queda igual.

CALOR DE FUSION Y DE VAPORIZACION

Vos tenés hielo. Para derretirlo tenés que entregarle calor. La cantidad de calor que hay que darle a una substancia para derretirla ( fundirla ) se llama calor latente de fusión. Para el hielo vale 80 Kcal / Kg ( u 80 cal / g ). Lo mismo si querés evaporar agua. El calor latente de de vaporización para el agua es Lv = 540 cal / g ( o kcal / kg ). Estos valores de Lv y L_f significan lo siguiente: Para derretir 1 kg de hielo hay que entregar 80 kcalorias. ( o lo que es lo mismo, para congelar 1 kg de agua hay que quitarle 80 kcal ). Para evaporar un kg de agua hay que entregarle 540 kcal. ( y para condensar 1 kg de vapor hay que quitarle 540 kcal ).

La fórmula que se usa para calcular la cantidad de calor que hay que entregarle a una cierta masa para que se derrita, se congele, se evapore o se condense es:

Atención !. Esta fórmula vale sólo si el cuerpo cambia de estado. ( Es decir, si pasa de sólido a líquido, de líquido a vapor, etc ).

También acordate que mientras una substancia cambia de estado, la temperatura se mantiene constante. No aumenta ni disminuye.

Ejemplo: Calcular la cantidad de calor que hay que entregarle a un cubito de hielo de 50 g que está a  - 30 ºC para derretirlo y obtener agua a 0 ºC.

Veamos. Primero tengo que llevarlo de –30 ºC a 0 ºC.

La cantidad de calor a entregar es:

Para derretir el hielo se necesitará :  Q =  m. L = 80 cal / g . 50 g

                           

                                           Q = 4000 cal                     

Entonces la cantidad de calor total que necesito es 750 cal + 4000 cal .

Qtot = 4750 cal

Falta agregar en este apunte:

* Explicacion de Pared Adiabatica - Calorimetro.

* Diagramas de temperatura.

* 3 problemas: Uno de calcular la cant de calor necesaria para llevar 2 kg

de hielo a -20 ºC hasta vapor a 100 ºC

* Otro donde se ponen 1 kg de agua a 0 ºC y 1 kg de vapor a 100 ºC. Averiguar la T_final

* Otro donde donde la T_final de equilibrio sea cero grados

* Hablar del L_vap del agua y la traspiración del cuerpo humano.