CALOR ESPECIFICO Y CALORIMETRÍA

Jorge Enrique Reyes ForeroCódigo: 070150652015

Materia: BiofisicaPrograma: Biología

Facultad: Ciencias Básicas Universidad del Tolima

CALOR

• El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo. Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale, enfriamiento. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están moviendo.

TEMPERATURA• La temperatura es la medida del calor

de un cuerpo (y no la cantidad de calor que este contiene o puede rendir).

Al aplicar calor, sube la temperatura

DIFERENCIAS ENTRE CALOR Y TEMPERATURA

•  El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes.

Misma temperatura, distinta cantidad de calor.

CALOR ESPECÍFICO Y CAPACIDAD CALORÍFICA• El calor específico (s) de una sustancia es la cantidad de calor que

se requiere para elevar un °C la T° de un gramo de la sustancia. Sus unidades son J/g. °C

• La capacidad calorífica (C) de una sustancia es la cantidad de calor que se requiere para elevar un °C la T° de determinada cantidad de la sustancia. Sus unida des son J/C.

• El calor específico es una propiedad intensiva, en tanto que la capacidad calorífica es una propiedad extensiva. La relación entre capacidad calorífica y calor específico de una sustancia suele ser.

C = ms

• Por ejemplo, el calor específico del agua es 4.184 J/g · ºC, y la capacidad calorífica de 60.0 g de agua es:

(60.0 g) (4.184 J/g ⋅ °C) = 251 J/°CSi conocemos el calor específico y la cantidad de una

sustancia, entonces el cambio en la temperatura de la muestra (∆t) indicará la cantidad de calor (q) que se ha absorbido o liberado en un proceso en particular. Las ecuaciones para calcular el cambio de calor están dadas por

C = ms

q = ms∆t

q = C∆t

• Ejemplo 1

• Una muestra de 466 g de agua se calienta desde 8.50 hasta 74.60ºC. Calcule la cantidad de calor (en kilojoules) absorbido por el agua.

= 129 kJ

= 1,29 x 10^5 j x 1kJ/1000J

= ⋅ (466 g) (4.184 J/g °C ) (74.60 °C - 8.50°C)

∆q = ms∆t

• Ejemplo 2

• 1

• 2

• 3

• 4

CALORIMETRÍA A VOLUMEN CONSTANTE• El calor de combustión por lo general se mide colocando una masa conocida de un

compuesto en un recipiente de acero, llamado bomba calorimétrica a volumen constante, que se llena con oxígeno aproximadamente a 30 atm de presión. La bomba cerrada se sumerge en una cantidad conocida de agua, como se muestra en la figura. La muestra se enciende eléctricamente y el calor producido por la reacción de combustión se calcula con exactitud registrando el aumento en la temperatura del agua. El calor liberado por la muestra es absorbido por el agua y por el calorímetro. El diseño especial de la bomba calorimétrica permite suponer que no hay pérdida de calor (o de masa) hacia los alrededores durante el tiempo en que se realizan las mediciones. Como consecuencia, se dice que la bomba calorimétrica y el agua en la cual se sumerge constituyen un sistema aislado. Debido a que no entra ni sale calor del sistema durante el proceso, el cambio de calor del sistema (sistema) debe ser cero y podemos escribir

qsistema = qcal + qreac = 0

donde qcal y qreac son los cambios de calor del calorímetro y la reacción, respectivamente. Así,

Para calcular qcal necesitamos conocer la capacidad calorífica del calorímetro (Ccal) y el aumento en la temperatura, que es

La cantidad Ccal se calibra mediante la combustión de una sustancia cuyo calor de combustión se conoce con exactitud. Por ejemplo, se sabe que la combustión de 1 g de ácido benzoico (C6H5COOH) libera 26.42 kJ de calor. Si el aumento en la temperatura es de 4.673ºC, entonces la capacidad calorífica del calorímetro está dada por

qreac = –qcal

qcal = Ccal∆t

Ccal = qcal/t Ccal = 26,42

kJ/4,673 °C = 5,654k J/°C

• Ejemplo 3

• Una vez que se ha determinado Ccal, el calorímetro se puede utilizar para medir el calor de la combustión de otras sustancias. Como en una bomba calorimétrica las reacciones ocurren en condiciones de volumen constante y no de presión constante, los cambios de calor no corresponden al cambio de entalpía ∆H. Es posible corregir los cambios de calor medidos de forma que correspondan a los valores de ∆H, pero debido a que en general la corrección es muy peque- ña, no analizaremos los detalles del procedimiento de corrección. Finalmente, es interesante observar que el contenido energético de los alimentos y de los combustibles (usualmente expresados en calorías, donde 1 cal = 4.184 J) se miden con calorímetros a volumen constante.

• Ejemplo 4

Una muestra de 1.435 g de naftaleno (C10H8), una sustancia de olor penetrante que se utiliza en los repelentes contra polillas, se quema en una bomba calorimétrica a volumen constante. Como consecuencia, la temperatura del agua se eleva de 20.28 a 25.95ºC. Si la capacidad calorífica de la bomba más el agua fue de 10.17 kJ/ºC, calcule el calor de combustión del naftaleno sobre una base molar; es decir, encuentre el calor de combustión molar.

Debido a que qsist = qcal + qreac = 0, qcal = –qreac. El cambio de calor de la reacción es de –57.66 kJ. Éste es el calor asociado a la combustión de 1.435 g de C10H8, por tanto, podemos escribir el factor de conversión como

La masa molar del naftaleno es de 128.2 g, de manera que el calor de combustión de 1 mol de naftaleno es

• 1

• 2

• 3

CALORIMETRÍA A PRESIÓN CONSTANTE

• Un dispositivo más sencillo que el calorímetro a volumen constante, utilizado para determinar los cambios de calor en reacciones diferentes a la combustión, es el calorímetro a presión constante. De manera simple, un calorímetro a presión constante se puede construir con dos vasos desechables de espuma de poliuretano, como se muestra en la figura. Este dispositivo mide el efecto del calor de una gran cantidad de reacciones, como neutralizaciones ácido-base y calores de disolución y dilución. Debido a que la presión es constante, el cambio de calor para el proceso (qreac) es igual al cambio de entalpía (∆H). Como en el caso del calorímetro a volumen constante, consideramos al calorímetro como sistema aislado. Además, la pequeña capacidad calorífica de los vasos de espuma de poliuretano es insignificante en los cálculos.

• Una granalla de plomo (Pb) con una masa de 26.47 g a 89.98ºC se colocó en un calorímetro a presión constante de capacidad calorífica insignificante que contenía 100.0 mL de agua. La temperatura del agua se elevó de 22.50 a 23.17ºC. ¿Cuál es el calor específico de la granalla de plomo?

qPb + qH2O = 0 qPb = qH2O

∆qPb = ms∆t-280,3 J= (26,47g) (s) (23,17°C – 89,98°C) s= 0,158 J/g.°C

qH2O = ms∆tqH2O = (100 g) (4,184 J/g.°C) (23,17°C – 22,50°C) = 280,3 J

• Ejemplo 5

• 1

• 2

• 3

• 4

• 5

• Una muestra de 1.00 × 102 mL de HCl 0.500 M se mezcla con 1.00 × 102 mL de NaOH 0.500 M en un calorímetro a presión constante de capacidad calorífica insignificante. La temperatura inicial de las disoluciones de HCl y NaOH es la misma, 22.50°C, y la temperatura final de la mezcla es de 25.86°C. Calcule el cambio de calor de la reacción de neutralización sobre una base molar

NaOH(ac) + HCl(ac) → NaCl(ac) + H2O(l) ⎯• Suponga que las densidades y calores específicos de las disoluciones son

iguales que las del agua (1.00 g/mL y 4.184 J/g · °C, respectivamente).

• Ejemplo 6

• 1

• 3

• 2

Bibliografía

• Química de Raymond Chang.• http://www.fceia.unr.edu.ar/fisica2ecen/pdffiles/calorim.pdf

Gracias