Medición de calor de unidades y sustancias calorimétricas

Unidad de medición de calor

Un error común es creer que el calor se mide en grados. Dicho correctamente, la temperatura es una medida de la energía cinética promedio de una sustancia. En realidad, el calor describe la cantidad de energía transferida de una sustancia a otra. Las unidades de medida de calor se pueden expresar en unidades térmicas británicas, BTU, calorías, o con la unidad SI, julio, J.

Conocer las definiciones de estas unidades permite realizar conversiones fáciles entre ellas. Un BTU es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 libra de agua 1 grado Fahrenheit. Una BTU equivale aproximadamente a 1055 J. De manera similar, las calorías se refieren a la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua 1 grado Celsius, equivalente a 4,184 J. En el primer ejemplo a continuación, 10 BTU se convierten a J:

{eq}10 BTU/1 x 1055 julios/1 BTU = 10 550 J {/eq}

A continuación, 100 calorías se convierten a J:

{eq}100 calorias/1 x 4,184 J/1 caloria = 418,4 J {/eq}

Calorimetría: ¿Cómo se mide el calor?

¿Cómo se mide el calor? La calorimetría es el método experimental para medir el calor. Los calorímetros son dispositivos que representan un sistema en el que se produce la transferencia de calor. El agua rodea el sistema y es la sustancia que absorbe el calor desprendido por la sustancia de prueba en el calorímetro. Los dispositivos utilizados en los laboratorios industriales se denominan bombas calorimétricas y están diseñados para soportar altas presiones y temperaturas de las reacciones internas. Sin embargo, se pueden obtener buenos resultados en entornos educativos con un dispositivo mucho más sencillo llamado calorímetro de taza de café, que no es más que una taza de espuma llena de agua. Ambos dispositivos funcionan según el concepto clave de que la cantidad de calor transferida de una sustancia es igual a la cantidad de calor absorbida por el agua. Cuando la sustancia problema se calienta en un calorímetro, la temperatura del agua que rodea el dispositivo aumentará hasta alcanzar el equilibrio térmico. Es decir, la temperatura de la sustancia problema es igual a la temperatura del agua. Para realizar un experimento, el investigador debe conocer la masa del agua y la sustancia de prueba, así como las temperaturas inicial y final del agua y la sustancia de prueba.

Calorimetría de la taza de café y capacidad calorífica específica (C)

Para poder calcular la cantidad de calor transferido se necesita un dato más: la capacidad calorífica específica. La capacidad calorífica es una medida de cuánta energía se necesita para producir un cambio de temperatura. Las sustancias pueden describirse como de alta o baja capacidad calorífica. Las sustancias con baja capacidad calorífica se calientan y enfrían rápidamente. Los metales tienen baja capacidad calorífica; por ejemplo, las bobinas de una tostadora se calientan tan rápido que brillan en solo unos segundos. Cuando terminan las tostadas, rápidamente pierden el brillo. El agua es un excelente ejemplo de sustancia con una alta capacidad calorífica. Se necesita una cantidad relativamente grande de energía para calentar agua, pero ese calor se retiene durante más tiempo. Esta propiedad del agua es en realidad el factor determinante detrás de los patrones climáticos globales.

Los valores reales de la capacidad calorífica de estas sustancias se denominan capacidad calorífica específica. Se sabe que la capacidad calorífica específica, C, del agua es 4,184 J/g grados Celsius. Algunas fuentes informan que la capacidad calorífica específica del agua es de 4,184 J/g Kelvin. Dado que un grado Kelvin y un grado Celsius son incrementos del mismo tamaño, el valor numérico no cambia.

¿Cómo encontrar la capacidad calorífica de un calorímetro? La capacidad calorífica específica se puede calcular mediante calorimetría para identificar muestras desconocidas comparando los resultados experimentales con los resultados publicados.

Para determinar el calor específico de un calorímetro, en una taza de café, vierta una masa medida de agua en la taza. Toma la temperatura inicial del agua. Mientras tanto, coloque en un tubo de ensayo una masa conocida de una muestra y caliente el tubo de ensayo en un baño de agua hirviendo aparte. Después de varios minutos, toma la temperatura del agua hirviendo. Suponga que la temperatura inicial de la sustancia problema es igual a la temperatura del agua hirviendo. Transfiera rápidamente la muestra del tubo de ensayo directamente a la taza de café. Tome medidas de temperatura con frecuencia, hasta que la temperatura del agua de la taza de café haya dejado de subir. Registre esta temperatura como la temperatura final tanto para la muestra como para el agua.

Los siguientes datos se utilizarán para calcular la capacidad calorífica específica, C, de una sustancia desconocida, en este caso, un metal.

Masa de metal: 10,5g

Masa de agua en calorímetro: 30g

Temperatura inicial del agua en el calorímetro: 22 grados C

Temperatura inicial del aluminio: 100 grados C

Temperatura final del agua en el calorímetro: 27,5 grados C

Temperatura final del metal: 27,5 grados C

Para determinar la cantidad de calor transferido del metal al agua, use esta ecuación

{eq}Q = masa x C x delta T {/eq}

• Q es la cantidad de calor
• C es la capacidad calorífica específica
• delta T es la diferencia de temperatura (temperatura final – temperatura inicial).

Paso 1: Determinar la cantidad de calor absorbido por el agua. Q será un valor positivo.

{eq}Q_{agua} = 30 g x 4,184 J/g grado C x (27,5 grados C – 22 grados C) Q= +690,36 J absorbidos {/eq}

Paso 2: La cantidad de calor absorbida por el agua es igual a la cantidad de calor liberada por el metal. Sin embargo, el signo de Q será negativo, ya que se libera calor.

{eq}Q_{metal} =-690,36 J liberado {/eq}

Paso 3: Luego se reorganiza la ecuación para resolver la capacidad calorífica específica, C, del metal. Utilice la masa y la temperatura del metal para calcular.

{eq}C = Q/(mx delta T) C = -690,36 J/ 10,5 gx (27,5 grados C – 100 grados C) C = 0,91 J/g grado C {/eq}

Es probable que el metal desconocido sea aluminio porque la capacidad calorífica específica del aluminio es 0,90 J/g grados C. Se espera algún error experimental porque inevitablemente se perderá una cantidad de calor hacia el entorno.

Bomba calorimétrica y capacidad calorífica de un calorímetro

El calorímetro de bomba más sofisticado se utiliza en muchos campos, incluidas las industrias del carbón y los combustibles, las pruebas de explosivos y la determinación del contenido calórico de los alimentos. Los calorímetros de bomba suelen ser recipientes metálicos de volumen constante con un recipiente para muestras y cableado que permitirá la detonación remota de la muestra.

El propio calorímetro absorberá una cierta cantidad de calor, por lo que esto debe tenerse en cuenta al calcular. Esta es la capacidad calorífica del calorímetro. La forma más sencilla de encontrar experimentalmente la capacidad calorífica de un calorímetro es mezclar cantidades iguales de agua fría y caliente en el calorímetro. Una vez alcanzado el equilibrio térmico, se toma la temperatura. El agua caliente perderá parte de su energía en el calorímetro, por lo que la temperatura en equilibrio térmico no será un promedio de las temperaturas iniciales del agua fría y caliente. La transferencia de calor se puede describir con esta ecuación:

{eq}Calor perdido por el agua caliente = calor ganado por el agua fría + calor ganado por el calorímetro {/eq}

{eq}Q_{caliente} = Q_{frío} + Q_{cal} {/eq}.

Siga este ejemplo para calcular la capacidad calorífica de un calorímetro.

Se mezclan 50 g de agua a 23 grados C con 50 g a 88 grados C en el calorímetro. La temperatura final en equilibrio es de 53 grados C.

Paso 1: Calcula el Q del agua caliente:

{eq}Q = masa x C x delta T {/eq}

{eq}Q = 50 gx 4,184 J/g grado C x (53 grados C – 88 grados C) {/eq}

{eq}Q_{hot}=-7322 J {/eq}

Paso 2: Calcula la Q del agua fría.

{eq}Q = 50 g x 4,184 J/g grado C x (53 grados – 23 grados) {/eq}

{eq}Q_{frío} = 6276 J {/eq}

Paso 3: Resuelva

{eq}Q_{cal} {/eq} reordenando la ecuación

{eq}-Q_{caliente} – Q_{frío) = Q_{cal} 7322 J -6276 J = + 1046 J {/eq}

Este valor representa la cantidad de calor perdido por el calorímetro, pero no la capacidad calorífica en sí. Eso requiere más pasos.

Paso 4: divide la cantidad de calor, Q, por el cambio de temperatura.

{eq}C_{cal} = Q_{cal}/delta T 1046 J/30 grados C =34,87 J/C {/eq}

Paso 5: Dado que el calorímetro contiene 100 g de agua, agregue el producto de la capacidad calorífica específica del agua y la masa de agua en el calorímetro.

{eq}34,87 J/C + (4,184 J/gramo grado C x 100 g) {/eq}

El calor total del calorímetro es 453,27 J/grado C. El calor específico de un calorímetro varía de un dispositivo a otro.

Resumen de la lección

La calorimetría es la ciencia que determina cuánto calor se transfiere entre sustancias en reacciones. Se lleva a cabo en un dispositivo conocido como calorímetro. El calor se expresa en unidades de julios, calorías o BTU. La capacidad calorífica, C, sin embargo, se refiere a la cantidad específica de calor que puede elevar la temperatura de una sustancia 1 grado C. El agua tiene una alta capacidad calorífica de 4,184 J/g grado C. Esto explica cómo los cuerpos de agua retienen su calor y afectan los patrones climáticos. Si se desconoce la identidad de una sustancia, los datos de calorimetría se pueden utilizar para calcular la capacidad calorífica específica. Al experimentar, ya sea en un calorímetro de taza de café o en un calorímetro de bomba, se deben medir la masa y las temperaturas. Los cálculos se basan en la fórmula.

{eq}Q=masa de sustancia x C x cambio de temperatura {/eq}

Por ejemplo, si la temperatura de 50 gramos de agua se elevara de 22 grados Celsius a 47 grados Celsius, la cantidad de energía sería

{eq}50 gx 4,184 J / g grado C x (47 grados C – 22 grados C) = 5230 J. {/eq}

Los calorímetros de bomba absorberán parte del calor de reacción, por lo que se debe utilizar la capacidad calorífica del calorímetro en los cálculos. Los usos de los calorímetros de bomba incluyen determinar el contenido calórico de los alimentos.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador