Calorimetría: medición de la transferencia de calor y la capacidad calorífica

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Introducción a la calorimetría

¿Alguna vez ha leído la etiqueta de los alimentos de su hamburguesa y ha visto cuántas calorías contiene? ¿Alguna vez se preguntó cómo saben esto? La técnica utilizada es la calorimetría . Ésta es la ciencia de medir la transferencia de calor cuando una sustancia absorbe o emite calor. Un calorímetro es un dispositivo que usamos para determinar experimentalmente el calor asociado con una reacción química. Discutiremos dos tipos de calorímetros más adelante en la lección.

Unidades de calor

Antes de comenzar a medir la transferencia de calor, permítame presentarle dos unidades comunes de calor o energía con las que se encontrará. En primer lugar, las calorías ; esto se define como la cantidad de energía, o calor, requerida para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius. La caloría es una unidad antigua, pero todavía se usa comúnmente en la actualidad. La caloría utilizada para describir la cantidad de energía en los alimentos es en realidad una kilocaloría (que son 1,000 calorías). Entonces, ¡nuestra hamburguesa de 500 calorías es realmente una hamburguesa de 500,000 calorías! La unidad SI para el calor se llama julio y se define en términos de la caloría: 1 cal = 4.184 J. Entonces, ¡ahora nuestra hamburguesa equivale a 500 kilocalorías, 500,000 calorías y más de 2 millones de julios! Es importante que pueda convertir fácilmente entre calorías y julios, así que hagamos un ejemplo ahora. Exprese 28,4 J de calor (o energía) en unidades de calorías. Nuestro factor de conversión es 1 cal = 4.184 J. Entonces, 28.4 J * 1 cal / 4.184 J = 6.79 cal. Observe que hemos configurado el cálculo para que podamos cancelar las unidades para dejarnos calorías. Y no olvide comprobar las cifras significativas.

Capacidad calorífica específica

En su vida diaria, probablemente sepa que las diferentes sustancias responden de manera diferente cuando se calientan. ¡Es importante saber cómo responden los materiales al calor! También debe pensar en la cantidad de material que tiene. ¿Cómo afecta la cantidad de sustancia a la energía necesaria para calentarla? Bueno, estoy seguro de que puedes ver que calentar una hamburguesa grande lleva más tiempo que calentar una pequeña. La cantidad de energía térmica necesaria para cambiar la temperatura de una sustancia depende de tres cosas:

1. La cantidad de sustancia que está calentando (que es la cantidad de gramos): la hamburguesa más grande tarda más en aumentar de temperatura en comparación con la pequeña.
2. La cantidad de cambio de temperatura (el número de grados): cuanto más alta desee que suba, más tiempo necesitará calentarla.
3. La identidad de la sustancia.

Ahora, ya hemos observado que diferentes sustancias reaccionan de manera diferente cuando se calientan. También es cierto que algunas sustancias requieren cantidades relativamente grandes de energía para cambiar sus temperaturas, mientras que otras requieren relativamente poca. A estas diferencias las llamamos «capacidad calorífica». La capacidad calorífica específica es la cantidad de energía necesaria para cambiar la temperatura de un gramo de una sustancia en un grado Celsius. Aquí, podemos ver una tabla de capacidades caloríficas específicas de sustancias comunes. Cuanto mayor sea el número, más energía se necesita para cambiar la temperatura de la sustancia:

Observe que el agua tiene una capacidad calorífica específica muy alta en comparación con las otras sustancias. Esto es muy importante y es la razón por la que los lagos y océanos responden relativamente lentamente al calentamiento o enfriamiento en comparación con la tierra que los rodea. Ahora tenemos los tres factores que afectan la cantidad de calor que se necesita para cambiar la temperatura. Podemos representar esto mediante la siguiente ecuación: Q = s * m * cambio de temperatura, donde Q = calor (o energía), s es la capacidad calorífica específica, m es la masa en gramos y delta T es el cambio de temperatura en grados Celsius. En la siguiente sección, usaremos esta ecuación para hacer algunos cálculos de calor.

Calorimetría y cálculos de calor

Volvamos a la forma en que medimos la transferencia de calor mediante calorimetría. Hay muchos tipos diferentes de calorímetros, pero solo voy a hablar de los dos que es más probable que te encuentres. El primero se llama «Calorímetro de bomba». Aquí, se realiza una reacción química dentro de un recipiente de metal que se sumerge en agua. Toda la energía liberada por la reacción se destina a calentar el agua. Nuestra ecuación de calor recién aprendida se utiliza para calcular el calor de reacción. Conocemos la capacidad calorífica específica del agua, sabemos cuánta agua tenemos y podemos medir el cambio de temperatura. Esta es exactamente la forma en que los nutricionistas calculan el contenido energético de los alimentos. La comida se quema en la cámara y se mide la temperatura del agua. Cuanto más sube la temperatura, más calor se emite y más calorías contiene la comida. El otro tipo de calorímetro que puede encontrar en el laboratorio de la escuela o la universidad es el ‘Calorímetro de taza de café’. La configuración es mucho más simple, con solo una taza de espuma de poliestireno aislada, un agitador y un termómetro. La reacción química tiene lugar en la taza de café y se pueden realizar los mismos cálculos. Entonces, terminemos con un par de cálculos de calor simples. Pregunta 1: ‘¿Cuánta energía se necesita para calentar 120 gramos de agua de 20 a 45 ° C?’ Aquí, simplemente podemos usar nuestra ecuación y poner los números. Entonces, Q = s * m * delta T, donde s es 4.184 J por grados Celsius por gramo multiplicado por 120 g multiplicado por el cambio de temperatura, que es 25 ° C. Y, si calcula esto, resulta en 13.000 J o 13 kJ. Pregunta 2: ‘Tiene una pepita de metal de 1,6 gramos y requiere 5,8 julios de calor para cambiar su temperatura de 23 a 41 ° C. ¿Es oro puro? Esto es un poco más complicado, pero sabemos que los materiales tienen capacidades térmicas específicas. Podemos usar esto como una herramienta de identificación. Simplemente podemos reorganizar nuestra ecuación anterior para calcular la capacidad calorífica específica y poner la información que se nos da. Una vez que lo tenemos, podemos compararlo con la capacidad calorífica específica conocida y ver si realmente es oro. Entonces, reordenando la ecuación: s es igual a Q dividido por masa multiplicada por el cambio de temperatura. Y, si se pone en los números que tenemos, la respuesta sale a s es igual a 0,20 J por gramo por grado Celsius. Entonces, mirando hacia atrás en la tabla, vemos que el calor específico del oro es en realidad 0.13, ¡y entonces esta pepita no es oro puro!

Resumen de la lección

En esta lección, ha aprendido que la calorimetría es la ciencia de medir la transferencia de calor cuando una sustancia absorbe o emite calor. Un calorímetro es un dispositivo que se utiliza para determinar experimentalmente el calor asociado con una reacción química. Hemos aprendido dos unidades de calor. La caloría se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius. Un julio se define en términos de la caloría: 1 cal = 4.184 J. Aprendimos que las sustancias tienen una capacidad calorífica específica , que es la cantidad de energía requerida para cambiar la temperatura de un gramo de una sustancia en un grado Celsius. Y, la ecuación simple Q = s * m * delta T se puede utilizar para realizar cálculos de calor.

Los resultados del aprendizaje

Mire y revise la lección en video, luego asegúrese de estar preparado para:

• Distinguir entre calorimetría, calorímetro, caloría y julio.
• Identificar dos tipos de calorímetros, discutir las dos unidades de calor y convertir entre julios y calorías.
• Expresar comprensión de la capacidad calorífica específica
• Realice cálculos de calor utilizando una ecuación y una tabla de capacidad calorífica específica.

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