Calorímetro de bomba: definición, ecuación y ejemplo

¿Qué son las calorías?

¿Alguna vez se ha preguntado cómo se determina la cantidad de calorías en la parte posterior de los paquetes de alimentos? Esto se hace mediante calorimetría de bomba, pero antes de que podamos entenderlo completamente, necesitamos definir una caloría. Una caloría es la unidad científica que se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius. En los Estados Unidos, el empaque de alimentos enumera las calorías, pero estas calorías de los alimentos son en realidad kilocalorías, o 1000 calorías. En la mayoría de los demás países, verá envases de alimentos con kcal en la lista. Kcal es la abreviatura de kilocaloría.

¿Por qué la comida tiene calorías?

La comida tiene calorías porque nuestro cuerpo procesa la comida en una reacción química, llamada combustión, que descompone la comida y emite calor. Es esta energía térmica, o calorías, la que nuestro cuerpo usa o almacena como energía para seguir adelante. Muchas otras reacciones químicas también emiten calor. Estas son reacciones exotérmicas . Las reacciones que absorben calor del entorno se denominan reacciones endotérmicas .

¿Qué es un calorímetro de bomba?

Un calorímetro de bomba es un dispositivo diseñado para medir la cantidad de calor que emite o absorbe una reacción. Está diseñado para aislarse del entorno, lo que significa que no puede entrar ni salir calor del dispositivo. Para lograr esto, la pared exterior del calorímetro es una pared sellada al vacío similar a una taza aislada en la que podrías llevar café. Dentro del calorímetro hay un recipiente en el que ocurre la reacción rodeado por un baño de agua. La temperatura del baño de agua se puede controlar mediante un termómetro.

Cuando tiene lugar una reacción en el calorímetro, la temperatura del baño de agua cambia. Si ocurre una reacción exotérmica, la temperatura del baño de agua aumenta. Si se produce una reacción endotérmica, la temperatura del baño de agua desciende.

En un calorímetro ideal, todo el intercambio de calor se produciría con el agua. Sin embargo, en la vida real, los materiales del propio calorímetro, el acero inoxidable, el termómetro, etc., también intercambian calor con el sistema. Podemos corregir esto usando una capacidad de calor para el calorímetro en nuestros cálculos.

Debido a que todo el calor se intercambia dentro del calorímetro, podemos establecer el calor total en cero. Tenemos tres términos para las tres partes de nuestro calorímetro: el calorímetro en sí, el baño de agua y la reacción química, que puede ver en la siguiente ecuación:

Sustituyendo las ecuaciones por el calor del agua y el calor del calorímetro, obtenemos esta ecuación mucho más detallada:

Al observar esta ecuación, debe tener en cuenta que el término para q cal no tiene masa. Esto se debe a que se supone que la masa del calorímetro es constante y, por lo tanto, se puede incluir en C cal .

También tenga en cuenta que ΔT siempre debe calcularse como T f (temperatura final) – T i (temperatura inicial). Esto significa que si la temperatura de ese objeto baja, ΔT será negativo. C p es la capacidad calorífica específica del agua y es 1 cal / g ° C.

Si observa la siguiente ecuación, puede ver cómo resolvemos para q rxn :

Ejemplo

Echemos un vistazo a un ejemplo. Primero, aquí está nuestro problema:

Una muestra de 30 g de patatas fritas se quema en un calorímetro de bomba que eleva la temperatura de un baño de agua de 10,0 kg de 25 ° C a 36 ° C. La C cal de este calorímetro es 909 cal / ° C. ¿Cuántas calorías tiene esta porción de papas fritas?

Ahora esta es nuestra solución:

Necesitamos comenzar con la ecuación para q rxn que obtuvimos hace un segundo.

En este problema, se da C cal , m es la masa del agua, que generalmente expresamos en gramos, y ΔT es el mismo para el baño de agua y el calorímetro.

Podemos suponer que comenzaron y terminaron a la misma temperatura. Esto significa que 30 g es, por ahora, información extra que no es necesaria. Está ahí porque una vez que se conoce q , se puede determinar la cantidad de calorías para una muestra de cualquier tamaño. Al insertar esta información en la ecuación anterior, obtenemos esta larga ecuación:

El signo negativo en q rxn significa que la reacción es exotérmica. Si hubiéramos medido una reacción endotérmica en el calorímetro de la bomba, q rxn sería positivo y se agregaría calor a la reacción.

Así, una muestra de 30 g de patatas fritas produce 120.000 calorías, o 120 kcal. En los Estados Unidos, recuerde que esto estaría escrito en un paquete como 120 calorías porque las calorías de los alimentos son en realidad kilocalorías. El número de calorías por gramo se podría calcular dividiendo el número obtenido por 30 g. Luego, la cantidad de calorías de una muestra de cualquier tamaño podría calcularse mediante simple división y multiplicación. Como se puede ver:

Resumen de la lección

Tomémonos unos momentos para repasar lo que hemos aprendido sobre los calorímetros de bomba. Primero, es importante recordar que una caloría es la unidad científica que se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius. Una bomba calorimétrica es un dispositivo que mide el calor desprendido o absorbido por una reacción. Dentro del calorímetro hay un recipiente en el que se produce la reacción rodeado por un baño de agua. La temperatura del baño de agua se puede controlar mediante un termómetro.

Tanto las reacciones endotérmicas como las exotérmicas se pueden ejecutar dentro de una bomba calorimétrica, y podemos usar esta ecuación general a continuación para describir el comportamiento en calorimetría:

Tenga en cuenta que habrá términos adicionales si se producen reacciones de varios pasos o si hay otros componentes dentro del calorímetro. Si el calorímetro se considera ideal, C cal será cero, eliminando este término.