La calorimetría mide el calor en una reacción química o un cambio de estado usando un instrumento llamado calorimetría. Pero también se puede emplear un modo indirecto calculando 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.

ΔU = cambio de energía interna

Como la presión no se mantiene constante, el calor medido no representa el cambio de entalpía.

La Calorimetría es la parte de la física que se encarga de medir la cantidad de calor generada en ciertos procesos físicos o químicos.
El aparato que se encarga de medir esas cantidades es el calorímetro. Consta de un termómetro que esta en contacto con el medio que esta midiendo. En el cual se encuentran las sustancias que dan y reciben calor. Las paredes deben estar lo más aisladas posible ya que hay que evitar al máximo el intercambio de calor con el exterior. De lo contrario las mediciones serían totalmente erróneas.
También hay una varilla como agitador para mezclar bien antes de comenzar a medir. Básicamente hay dos tipos de calorímetros. Los que trabajan a volumen constante y los de presión constante.

La cantidad de calor que recibe o transmite un cuerpo está determinada por la siguiente fórmula:

Q = m x Ce x (Tf – Ti)

Donde Q es el calor, m es la masa del cuerpo, Ce es el calor específico del cuerpo, que está determinada por el material que lo compone. Y la variación de temperatura se representa por la diferencia entre Tf y Ti (temperatura final e inicial).

Cuando un cuerpo transmite el calor hay otro que lo recibe. Este es el principio del calorímetro. Ya que el termómetro determinara la temperatura final o también llamada de equilibrio. El líquido más usado es el agua que actúa como receptor de las calorías que transmite el cuerpo. El calor específico del agua es de 1cal /grs °C. Cuando el agua hierve o se congela este valor cambia a otros. Pero por ahora daremos ejemplos mientras este como agua líquida. Las unidades pueden variar. A veces podemos ver otras unidades como J/grs°C donde J es el joule en lugar de caloría. Ambas son unidades en las que se mide el calor.

Por ejemplo, si introducimos un trozo de cobre de 60 gramos a 100°C en 260 ml de agua a 18°C y tenemos que determinar la temperatura final del equilibrio podemos calcularla de la siguiente manera:

El calor que cede del cobre será igual al calor que recibe el agua.

Por lo tanto:

- Q Cu = + Q H2O

El signo menos se le coloca al que desprende calor y el signo más al que absorbe.

- masa Cu x Cecu x (Tf – 100°C) = masa H2O x CeH2O x (Tf – 18°C)

- 60 ~~grs~~ x (0,093 cal/°c.gr) x (Tf – 100°C) = 260 ~~grs~~ x (1 cal/°c.gr) x (Tf – 18°C)

Solo queda despejar la Tf.

-5.58 cal/°C x (Tf – 100°C) = 260 cal/°C x (Tf – 18°C)

Aplicamos la propiedad distributiva:

-5.58 cal/°C Tf + 558 cal = 260 cal/°C Tf – 4680 cal

558 cal + 4680 cal = 260 cal/°C Tf + 5.58 cal/°C Tf

5238 cal = 265.58 cal/°C Tf

5238 ~~cal~~ / 265.18 ~~cal~~/°C = Tf

19.72°C = Tf

En otros problemas a veces nos piden averiguar el calor específico de un cierto material.

Por ejemplo:

Se introducen 20 gramos de aluminio a 90°C dentro de un calorímetro donde hay 106 grs de agua a 38°C. La temperatura final del equilibrio es de 40°C. Se desea saber el calor específico del aluminio.

El calor entregado por el cuerpo mas caliente (Aluminio) es igual al calor recibido por el mas frió (agua).

- Q aluminio = + Q agua

- masa Al x CeAl x (Tf – Ti) = masa agua x Ce agua x (Tf – Ti)

- 20 grs x CeAl x (40°C – 90°C) = 106 ~~grs~~ x 1 cal/~~grs~~°C x (40°C – 38°C)

- 20 grs x (-50°C) x CeAl = 106 cal/ °C x (2°C)

1000 grs °C x CeAl = 212 cal

Ce Al = 212 cal / 1000 grs °C

CeAl = 0,212 cal/grs°C

En otros el calorímetro participa.

Por ejemplo:

Se introducen 30 grs de Aluminio a 120°C en un calorímetro de cobre de 360 grs donde hay 200 grs de agua a 20°C. Calcular la temperatura final del equilibrio.

El calor que pierde el aluminio es igual al que gana el calorímetro y el agua.

- QAl = + Q agua + Q calorímetro

- 30 grs x 0,212 cal/gr°C x (Tf – 120°C) = 200grs x 1 cal/gr°C x (Tf – 20°C) + 360 grs x 0,093 cal/gr°C x (Tf – 20°C)

6,36 cal/°C Tf + 763,2 cal = 200 cal/°C Tf - 4000 cal + 33,48 cal/°C Tf - 669,6 cal

6,36 cal/°C Tf - 200 cal/°C Tf - 33,48 cal/°C Tf = – 4000 cal – 669,6 cal – 763,2 cal

-227,12 cal/°C Tf = – 5432,8 cal

Tf = – 5432,8 cal / – 227,12 cal/°C

Tf = + 23,92 °C

Ejemplo:

Los alimentos, fuentes de calorías para el ser humano.

Unidades de medida del calor

El calor es una forma de energía, y sus unidades de medida son el Joule (J) y la caloría (cal) (1 cal = 4,186 J) que fue definida en su momento para el calor cuando no se había establecido que era una forma de energía.

Caloría: Es la cantidad de calor que debe extraerse o transferirse a un gramo de agua para cambiar su temperatura en 1º C (cambiar su temperatura significa aumentarla en 1º C o disminuirla en lº C). Se abrevia “cal”.

Junto con la caloría se usa también la kilocaloría para medir el calor.

Kilocaloría: Es la cantidad de calor que debe extraerse o transferirse a 1 kilogramo de agua para cambiar su temperatura en 1º C. Se abrevia kcal.

Ejemplos:

325 calorías son 325.000 kilocalorías porque se debe multiplicar 325 · 1.000

1.500 kilocalorías son 1,5 calorías porque se debe dividir 1.500 por 1.000

CALOR ESPECÍFICO

Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la unidad de masa de un elemento o compuesto en un grado. En el sistema internacional sus unidades serán por tanto J·kg^-1·K^-1

El calor específico del agua es de 4180 J·kg^-1·K^-1.

Teniendo en cuenta esta definición de calor específico propio de un cuerpo o un sistema C_e podemos deducir que el calor absorbido o cedido por un cuerpo de masa m cuando su temperatura varía desde una temperatura T₁ hasta otra T₂ (ΔT = T₂ - T₁) vendrá dado por la expresión:

Q = m·C_e·ΔT

Cuando dos cuerpos que están a distinta temperatura se ponen en contacto se produce un flujo de calor desde el que está a mayor temperatura hacia el que está a menor temperatura hasta que ambas temperaturas se igualan. Se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico:

Esto puede aplicarse al cálculo del calor específico de un material conociendo el calor específico de otro, la masa de ambos, la temperatura inicial de ambos y la temperatura de equilibrio en la práctica que se propone.

Calor específico molar

El calor específico de una sustancia está relacionado su constitución molecular interna, y a menudo da información valiosa de los detalles de su ordenación molecular y de las fuerzas intermoleculares. A altas temperaturas la mayoría de sólidos tienen capacidades caloríficas molares del orden de

(ver Ley de Dulong-Petit, siendo la constante universal de los gases ideales) mientras que la de los gases monoatómicos tiende a

y difiere de la de gases diatómicos

En este sentido, con frecuencia es muy útil hablar de calor específico molar denotado por c_m, y definido como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un mol de una sustancia en 1 grado es decir, está definida por:

Donde n indica la cantidad de moles en la sustancia presente. Esta capacidad usualmente es función de la temperatura

Ejercicio:

calor especifico de una sustancia

Determinación del calor específico del sólido

Se pesa con una balanza una pieza de material sólido de calor específico c desconocido, resultando m su masa. Se pone la pieza en agua casi hirviendo a la temperatura T.
Se ponen M gramos de agua en el calorímetro, se agita y después de poco de tiempo, se mide su temperatura T₀.
Se deposita rápidamente la pieza de sólido en el calorímetro. Se agita, y después de un cierto tiempo se alcanza la temperatura de equilibrio T_e.

Se apuntan los datos y se despeja c de la fórmula que hemos deducido en el primer apartado.

La experiencia real se debe hacer con mucho cuidado, para que la medida del calor específico sea suficientemente precisa. Tenemos que tener en cuenta el intercambio de calor entre el calorímetro y la atmósfera que viene expresadas por la denominada ley del enfriamiento de Newton.

Ejemplo:

Agua: M=150 g, T₀=18ºC
Sólido: aluminio, m=70 g, y T=80ºC
La temperatura final de equilibrio es T_e=22ºC

Capacidad calorífica

La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma más rigurosa, es la energía necesaria para aumentar la temperatura de una determinada sustancia en una unidad de temperatura. Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular.

Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión.

La capacidad calorífica no debe ser confundida con la capacidad calorífica específica o calor específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un cuerpo «para almacenar calor» y es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa del objeto. El calor específico es una propiedad característica de las sustancias y depende de las mismas variables que la capacidad calorífica.

Medida de la capacidad calorífica

Para medir la capacidad calorífica bajo unas determinadas condiciones es necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o un sistema) con el incremento de temperatura resultante. La capacidad calorífica viene dada por:

Donde:

C es la capacidad calorífica, que en general será función de las variables de estado.

Q es el calor absorbido por el sistema.

la variación de temperatura

Se mide en unidades del SI julios por kelvin (J/K) (o también en cal/°C).

La capacidad calorífica (C) de un sistema físico depende de la cantidad de sustancia o masa de dicho sistema. Para un sistema formado por una sola sustancia homogénea se define además el calor específico o capacidad calorífica específica c a partir de la relación:

Donde:

C es la capacidad calorífica del cuerpo o sistema
c es el calor específico o capacidad calorífica específica
m la masa de sustancia considerada

De las anteriores relaciones es fácil inferir que al aumentar la masa de una sustancia, se aumenta su capacidad calorífica ya que aumenta la inercia térmica, y con ello aumenta la dificultad de la sustancia para variar su temperatura. Un ejemplo de esto se puede apreciar en las ciudades costeras donde el mar actúa como un gran termostato regulando las variaciones de temperatura.

Experimento:

Calor de combustión

El calor de combustión es la energía liberada en forma de calor cuando un compuesto se somete a combustión completa con el oxígeno bajo condiciones estándar. La reacción química es típicamente un hidrocarburo reaccionar con el oxígeno para formar dióxido de carbono, agua y calor. Puede expresarse con las cantidades:

energía/mol de combustible

energía/masa de combustible

energía/volumen de combustible

El calor de combustión se mide convencionalmente con un calorímetro de bomba. También se puede calcular como la diferencia entre el calor de formación de los productos y reactivos.

Explicación: