CALORIMETRÍA

ELEMENTOS De ELEMENTOS De TERMOMETRÍA Y TERMOMETRÍA Y CALORIMETRÍACALORIMETRÍA::

TEMPERATURA. ESCALAS TERMOMÉTRICAS. ESCALA

ABSOLUTA. CERO ABSOLUTO. TERMÓMETROS. CALORIMETRÍA. CALOR. EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR. CALOR ESPECÍFICO.

CAPACIDAD CALORÍFICA. CAMBIO DE FASE. CALOR LATENTE.

CALORÍMETROS.

La compresa ha estado en el congelador, por lo tanto se encuentra fría´, entre 0°C y unos 4°C .

La compresa se coloca sobre la pierna del paciente, ésta debe estar a unos 36 o 37°C.

Al cabo de cierto tiempo, la compresa ya no está "fría", y la pierna del paciente ya no está a la temperatura inicial.

La compresa ganó calor y que este calor fue cedido por la pierna del paciente

Si analizamos la situación desde el punto de vista termodinámico, podemos pensar que:

el clavo es el sistema y al agua es el entorno, diremos que el calor liberado por el sistema (qsistema<0), ha sido absorbido por el entorno (qentorno>0)

Si para realizar el experimento del clavo empleamos un calorímetro. Teniendo en cuenta que un calorímetro es un recipiente adiabático (sistema aislado, que no permite la entrada ni salida de calor),  en donde el q=0,podremos concluir:

                                                      -q liberado = q absorbido

Lo que es lo mismo que pensar que:                                                             

q liberado + q absorbido =0

El calor de una reacción se mide en un calorímetro, recipiente adiabático en donde se determina el calor absorbido o desprendido durante la reacción. Hay dos clases de calorímetros, cada uno de ellos emplea un proceso diferente y han sido diseñados para situaciones diferentes también.

CALOR Y TEMPERATURACALOR Y TEMPERATURA

Temperatura de una sustancia: Temperatura de una sustancia: es una magnitud física que depende su valor del estado de movimiento de las moléculas de la sustancia ( en particular, está en función de la velocidad de dichas moléculas).

Calor (Q):Calor (Q): Es la energía transferida de un objeto a otro debido a una diferencia de temperatura. (Energía en tránsito)

Q = c. m. t

TERMÓMETROSTERMÓMETROSDispositivo utilizado para medir la temperatura. Se basan en la propiedad de expansión térmica que poseen ciertas sustancias.Los termómetros más utilizados son a base de mercurio o alcohol.

ESCALAS TERMOMÉTRICASESCALAS TERMOMÉTRICAS CELSIUS:

Su unidad: grado Celcius0 º C: …….100 º C: …….

ABSOLUTASu unidad: Kelvin, es la 1/273,16 partes de la temperatura del punto

triple del agua (en ese momento, es posible cambiar el estado de toda la sustancia a hielo, agua o vapor arbitrariamente haciendo pequeños cambios en la presión y la temperatura.

0 K: es el denominado cero absoluto, que se corresponde con el −273,15 ° C

Sólo admite valores positivos ( por ello se la denomina escala absoluta )Temperaturas en la escala absoluta se indican con T

FAHRENHEITSu unidad: º F0º F: determinado al introducir el termómetro en una mezcla de hielo,

agua y cloruro de amonio. Éste es un tipo de mezcla frigorífica, que se estabiliza a una temperatura de 0 ° F.

32 º F: determinado al introducir el termómetro en una mezcla de agua y hielo, esta vez sin sal.

Relación entre las escalas de temperatura Relación entre las escalas de temperatura CELSIUS Y FAHRENHEITCELSIUS Y FAHRENHEIT

De Fahrenheit a Celsius: tf=9/5 tc +32

De Celsius a Fahrenheit:tc=5/9 (tf -32)

Relación entre las escalas de temperatura Relación entre las escalas de temperatura CELSIUS Y ABSOLUTACELSIUS Y ABSOLUTA

De Kelvin a Celsius:Tc= Tk – 273,15

De Celsius a Kelvin:Tk= Tc + 273,15

Caloría ( cal): cantidad necesaria de calor para elevar la temperatura de 1g de agua de 14,4 º C a 15,5 ° C.

Equivalente mecánico del calor (relaciona el trabajo mecánico con calor):

1 cal = 4.186 J

UNIDAD DE CALORUNIDAD DE CALOR

La calorimetría se refiere a la medición de flujo de calor en un sistema. Los cambios calor se miden en un calorímetro.

Bomba calorimétrica(V = cte)

Calorímetro(P = cte)

Reacciones• Combustión

• Neutralización

• Hidrogenación

• Halogenación

• Disolución

• Dilución

• Mezclas

• Cambio de fases

Requisitos para que las reacciones puedan estudiarse por calorimetría

• Completas

• Sin productos secundarios

• Rápidas

Leyes de la Termoquímica•Ley de Hess. El cambio térmico a P o V constante, de una reacción química es el mismo tanto si se lleva a cabo en una o en varia etapas

•Ley de Lavoisier-Laplace. El cambio térmico a P o V constante, de una reacción química dada en una dirección es de igual magnitud y de signo contrario al de la reacción en sentido inverso.

Entalpía de IonizaciónEs la entalpía asociada a la formación de

iones en solución acuosa. Como es imposible calcular la contribución de un ion particular en ausencia del ion de carga opuesta, se establece por convención que HfºH+,ac = 0 , y a partir de aquí es posible calcular el Hfº de todos los iones a partir de las entalpías de dilución infinita.

Entalpía de Enlace

Es la entalpía asociada a la reacción de ruptura del enlace.

Se obtiene como el promedio del valor de entalpías de ruptura de enlace de una serie de compuestos relacionados.

Entalpía de AtomizaciónEs el Hº al romper una molécula en sus átomos constituyentes

Entalpía de Cambio de FaseEs la entalpía asociada al cambio de estado de agregación de una sustancia. A presión normal, se conoce como calor latente.

Se denomina Calor Latente al que intervienen en un cambio de fase, calor referido por unidad de masa.

m= masa de la sustancia Unidades: (Joule/kilogramo)Calor latente de fusión: cambio fase sólida a líquidoCalor latente de vaporización: fase líquido a gas

Si fluye calor hacia(+) o desde(-) el objeto o sistema

CALOR LATENTE (L)CALOR LATENTE (L)

m

QL LmQ .

La capacidad calorífica (C) de una sustancia es la cantidad de calor requerido para elevar en un grado Celsius la temperatura de una cantidad dada de la sustancia. Se expresa en J/°C. La capacidad calorífica de 1 mol de una sustancia se denomina capacidad calorífica molar y se expresa en J/mol-°C.

Ejercicio nº 1Para calcular la capacidad calorífica de 60 g de

agua si su calor específico es 4.184 J/gr°C. Si se conocen el calor específico (s) y la cantidad de sustancia (m) , entonces el cambio en la temperatura (Δ T) de la muestra, indicará la cantidad de calor (q) que se absorbe en un proceso:

Q= m s ΔT = C Δ T

donde:Δ T = Tfinal – Tinicial

2. Calcula la cantidad de calor absorbido por una muestra de agua de 466 g, cuando se calienta de 8.50 a 74.60 °C. El calor específico del agua es 4.184 J/g°C.

Q= m s ΔT = C Δ T Δ T = Tfinal – Tinicial

¡ CONSIDERAR SIEMPRE! :

Calor (-q) perdido por un objeto =calor (+q) ganado por el agua u otro objeto

Ejercicio 3

Una muestra de 35,20 gr de un metal calentado a 100°C se coloca en un calorímetro que contiene 42,5 gr de agua a una temperatura inicial de 19,2°C. Si la temperatura final del metal y del agua es 29,5°C, ¿cuál es el calor específico del sólido, si supone que todo el calor se transfiere al agua? Resp: 0,737 J/ gr °C

Resolución ej 3• Datos dados

y deseados C del metal (J/gr°C)

Objeto desconocido Agua

Masa (m) = 35,20 gr Masa (m) = 42,5 gr

Temperatura inicial=100°C Temperatura inicial= 19,2°C

Temperatura final= 29,6°C Temperatura final= 29, 5°C

C del agua= 4,184 J/gr°C

Ejerc 3∆T agua = Tf - Ti = 29,5 °C – 19,2 °C = 10,3 °C∆T sólido = Tf - Ti = 29,5°C – 100°C = ― 70,5°C

Q agua= m x ∆T x s

Q agua = 42,5 gr x (10,3°C) x 4,184 J/gr °C = 1830J

Q ganado por el agua ( Q=1830J) = Q perdido por el sólido (―Q = ― 1830 J)

Cont ejerc 3 se reordena la ecuación de calor para

resover el calor específico del metal:

Q metal= m x ∆T x s

s metal= Q / (m x ∆T )

s metal= ― 1830 / [(35,20 gr) x( ―70,5°C)]s metal = 0,737 J/ gr °C

Ejerc 4Una pieza de granito que masa 250 gr se

calienta en agua hirviendo a 100°C. cuando el granito se coloca en un calorímetro que contiene 400 gr de agua, la tempertura del agua aumenta de 20°C a 28,5°C.¿Cuál es el calor específico del granito, si supone que todo el calor se transfiere al agua?

Como calcular el valor energético de una comida

Tipo de alimento

Masa Valor energético Energia

Carbohidrato

34 gr ▪ 17 Kj/gr ( 4 Kcal/gr)

(578 Kj =136 Kcal

Grasa 10 gr ▪ 38 Kj/gr ( 9 Kcal/gr)

380 Kj= 90 Kcal

Proteína 5 gr ▪ 17 Kj/gr (4 Kcal/gr)

85 Kj= 20 Kcal

Contenido de energía total

1043 Kj= 246 Kcal

La medición de los cambios de calor que ocurren en las reacciones químicas puede realizarse a volumen constante, en cuyo caso se utiliza una bomba calorimétrica, o a presión constante, utilizando un calorímetro a presión constante.

A volumen constante Las determinaciones de calor a volumen

constante se realizan en sistemas aislados y se determina el calor liberado por una cierta cantidad de masa cuando ésta se quema en una bomba cerrada que se sumerge en una cantidad de agua conocida. El calor liberado por la muestra es absorbido por el agua y el calorímetro, por lo que el calor total de sistema es:

qsistema = qagua + qbomba + qreacción

qsistema = 0

donde:

qagua, qbomba y qreacción son los cambios de calor del agua, de la bomba y de la reacción, respectivamente, por lo que el calor de la reacción es:

qreacción = – (qagua + qbomba)donde:

qagua = m s Δ T = (magua) (4.184 J/g-°C) Δ T

y

qbomba = m s Δ T = C Δ T

5.1,435 g de naftaleno (C10H8) se queman en una bomba calorimétrica a volumen constante, registrándose un aumento en la temperatura del agua de 20,17 a 25,84 °C. Si la cantidad de agua que rodea al calorímetro es exactamente 2 000 g y la capacidad calorífica de la bomba calorimétrica es de 1,80 kJ/°C, calcular el calor molar de combustión del naftaleno.

Resol ej 5qreacción = – (qagua + qbomba)

qagua = m s Δ T = (2000 a) (4,186 J/g-°C) (5,67°C)

qagua = 47.469,24 J

qbomba = m s Δ T = C Δ T

qbomba = 1.800 J/°C x 5,67 °C = 10.206 J

Cont resol ejerc 5qreacción = – (qagua + qbomba)

qreacción = – (47.469,24 J + 10.206 J )

qreacción = – 57.675,24 J

Qreacción molar = – 57.675,24 J 1,435 gr / 128 gr /mol

Qreacción molar = 5146,00 Kj/mol

Ejrc 6 cambio de energía de hielo a vapor de agua

¿cuánta energia (KJ) se necesita ´para transformar 10 gr de hielo a - 10°C en vapor a 100°C?

Hay cambios de fase:Paso 1. se debe calcular la energía necesaria

para elevar la temperatura de 10 gr de hielo de – 10°C a 0°C, un cambio de 10°C. el calor específico del hielo es 2,09 J/gr°C

10 gr x 10°C x 2,09 J/gr°C = 209 J

Cont ejerc 6Paso 2: energía necesaria para fundir la masa

dada de hielo a 0°C, con base en el calor de fusión del agua (334 J/gr)

10 gr x 334 J/gr = 3340 J

Paso 3: calcular el calor necesario para elevar la temperatura del agua en 100°C (esto es 100°C=°C).

10gr x 100°C x 4,186 J/gr°C = 4186 J

Cont ejerc 6Paso 4 : calcular la cantidad de calor

necesario para transformar el agua a 100°C en vapor a 100°C. el calor de vaporización del agua es de 40,7 KJ/ mol 0 2,26 KJ/gr

10 gr x 2,26 KJ/gr = 22,6 KJ

Celsius vs Fahrenheit

TF = 1,8(TC) + 32 °

TC= (TF – 32 ° ) / 1,8

Guía ejercicios1. Una muestra de magnesio sólido de 0.1375

g se quema en una bomba calorimétrica a volumen constante, cuya capacidad calorífica es de 1 769 J/°C. El calorímetro contiene exactamente 300 g de agua y el incremento de temperatura es de 1.126 °C. Calcula el calor liberado en la combustión del magnesio en kJ/g y en kJ/mol. R: - 24,77 Kj/gr; - 595 J/mol

Soluc ej. 1qreacción = – (qagua + qbomba)

qagua = m ٠ s ٠∆ T

qagua = 300 gr٠ qreacción = – (qagu4,186 J/gr ªC ٠ 1,126ªC

qagua = 1414,03 J

qbomba = C ٠∆ T

qbomba = 1769 J/ªC ٠ 1,126ªC

qbomba = 1991,89 JX

a + qbomba)

= - (1414,03 J + 1991,89 J) = - 3405,924 J/1000 : 0,1375

gr= - 24,77 KJ/gr

= - ( 3405,924 J/1000 : 5,72 x 10 -3

= - 595,44 J/mol

2. La entalpía de combustión del ácido benzoico (C7H2O2) se utiliza comúnmente como estándar para calibrar la bomba calorimétrica a volumen constante; su valor se ha determinado exactamente y es – 3 226.7 kJ/mol. Cuando se queman 1.9862 g de ácido benzoico, la temperatura aumenta de 21.84 a 25.67 °C. Calcula la capacidad calorífica del calorímetro, considerando que la cantidad de agua que rodea al calorímetro es exactamente 2 000 g.

Resol ejer 2Qreac= - 3226,7 kj/molm ácido= 1,9862 grMasa molar: 118 gr/mol C7H2O2Moles= 0,016 molesQreac= - 3226,7 kj/mol x 0,016 moles = - 54,31= -

54310 JQ H2O = 2000 gr x 4,186 J/gr°C x 3,81 °C=

31897,32 J

Q bomba= - (q reac + q H2O)C x ∆T= 22412,68 J C= 5882,593 J/°C

3. Una muestra de 0,5565 g de ácido láctico (C3H6O3) se quema en una bomba calorimétrica cuya capacidad calorífica es 4, 812 kJ/°C, registrándose un incremento en la temperatura de 1 000 g de agua de 23,10 a 24,95 °C. Calcula el calor liberado por gramo y por mol de ácido láctico

Resol ejer 3M ácido= 0,5565 gr C3H6O3

Capac calorif bomba= e 4, 812 kJ/°C

M agua= 1000 gr∆T= 1,85°C

qreacción = – (qagua + qbomba)

= - (7,7441 Kj + 8,9022 Kj)- 16,6463Kj / 0,5565 gr = - 29,9124 Kj/gr

- = - 16,6463 / 6,18 x 10 -3 = - 2693,57 Kj/mol

4. Una muestra de 1,8 g de octano (C8H18) se quemó en una bomba calorimétrica con una capacidad calorífica de 11,66 kJ/°C, obteniéndose un incremento en la temperatura de 2 000 g de agua de 21,36 a 28,78 °C. Calcula el calor de combustión de esta reacción por gramo de octano.

Resol ejerc. 4M= 1,8 grBomba=11,66 Kj/°CM agua= 2000 gr∆T= 7,4°Cqreacción = – (qagua + qbomba)

qreacción = - ( 148,2368 Kj) / 1,8 gr = - 82,35 Kg /gr

6. Indica la cantidad de energía térmica se tiene que eliminar de una muestra de 451 g de aluminio sólido para disminuir su temperatura de 27,6 a 5,2 °C. El calor específico del aluminio es 0,90 J/gr°C y permanece constante en este intervalo de temperatura.

Resol. Ejerc 6Q= m c x ∆T= 1,8 kcal = 150 gr x c x (T2 – 25°C)

c= 0,107 cal/gr °CT2= 112,1495 x 25°C

T2= 137,1495°C

7. Calcula la cantidad de energía térmica que debe adicionarse a una muestra de 7.92 g de etanol (CH3CH2OH) para elevar su temperatura de 6.8 a 75.2 °C.

Resol. Ejerc. 7∆T= xm=3200 gr de cobreQ= 24 kcalc Cobre= 0,0924 cal/gr °C

Q=m c x ∆T24000 cal = 3200 gr x 0,0924 cal/ gr °C x ∆T∆T=Q/ m c ∆T= 81,1688°C

En un calorimetro con 500 gr de agua a 18°C, se introduce 150 gr de cobre a 100°C. Si la temperatura final es de 20,2°C. ¿Cuál es el calor específico del cobre?

Resol. Ejerc. 8Calorímetro 500 gr de agua a 18°Cm cobre: 150 gr a 100 °CTf= 20,2°C c Cobre: XQr= 150 gr x c x (20,2°C-100°C)Qagua= 500 x 4,186 J/gr °C x (20,2°C-18°C)

Qr= - QH2Oc= -QH2O / m x ∆T

C= 0,09 cal/gr °C

9. Calcular la cantidad de calor absorbido por 500 gr de plomo que esta a 20°C para fundirse totalmente.

Resol. Ejerc. 9P fusión del plomo = 327,5∆T=327,5°C – 20 °C c: 130 J/kg KL: 22,5 x 103J/kgQ=m x c ∆T + L x m

Q= 7,497 kcal 1kJ=0,24 cal

1cal= 4,186 J

Se colocan 200 gr de agua a 20°C en un congelador y se obtienen cubitos de hielo a -8°C. ¿Qué cantidad de calor cedió el agua?

Resol. Ejerc. 10Como hay un cambio de estado:

1. enfriamiento del agua desde 20°C a 0°C = Q1

2. Solidificación del agua es igual a Q2.

3. Enfriamiento del hielo desde 0°C hasta –8°C

Q1= m x c x ∆T = 1 cal/gr °C x 200gr x -20°C

Q1= -4000 cal

Solidificacion: Q2= Lf x m

Q2= 80 cal/gr x 200 gr

Q2= 16000 cal

Enfriamiento de los cubitos: Q3= c del hielo x m x ∆TQ3= 0,5 cal/gr°C x 200 gr x -8 °CQ3= -800 cal

Nota: para calcular el total de calor, no se cuenta el signo.

Q1+Q2+Q3 = 20800 cal --> 20,8kcal