Fisica Calorimetria

CALORIMETRÍA I. OBJETIVOS • •

Determinar experimentalmente el equivalente en agua de un calorímetro. Determinar experimentalmente el calor específico de una muestra metálica.

II. INFORMACIÓN TEÓRICA Calorimetría La calorimetría se encarga de medir el calor en una reacción química o un cambio físico usando un calorímetro. La calorimetría indirecta calcula el calor que los organismos vivos producen a partir de la producción de dióxido de carbono y de nitrógeno (urea en organismos terrestres), y del consumo de oxígeno.

Temperatura y Energía Interna A cualquier temperatura sobre el cero absoluto, los átomos poseen distintas cantidades de energía cinética por la vibración. Ya que los átomos vecinos colisionan entre sí, esta energía se transfiere. Aunque la energía de los átomos individuales puede variar como resultado de estas colisiones, una serie de átomos aislados del mundo exterior tiene una cantidad de energía que no cambia porque va pasando de átomo a átomo. Conceptualmente, la energía promedio por átomo puede calcularse dividiendo la energía total por el número de átomos. Aunque no conocemos la energía total de los átomos de un objeto, podemos medir el efecto de esa energía cinética promedio - se trata de la temperatura del objeto. Un aumento en la energía cinética promedio de los átomos del objeto se manifiesta como un aumento de temperatura y viceversa. Si un objeto se aisla del resto del universo, su temperatura se mantendrá constante. Si la energía entra o sale, la temperatura deberá cambiar. La energía moviéndose de un lugar a otro se llama calor y la calorimetría usa las mediciones de los cambios de temperatura para registrar el movimiento de calor.

CALOR En física, el calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre. El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes en mayor o menor grado.

El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.

CAPACIDAD CALORIFICA La capacidad calorífica de una sustancia es la cantidad de energía necesaria para aumentar 1 ºC su temperatura. Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Se suele designar con las letras C o c.

Material

Calor específico

Densidad

Capacidad calorífica

kcal/kg.ºC

kg/m³

kcal/m³.ºC

1 0,12 0,44 0,2 0,57 0,20 0,6 0,17 0,16 0,2 0,32 0,4 0,38 0,19 0,24

1000 7850 1500 2645 750 2000 640 2200 2300 1440 111 25 24 15 1,2

1000 950 660 529 430 400 384 374 350 288 35 10 9 2,8 0,29

Agua Acero Tierra seca Granito Madera de roble Ladrillo Madera de pino Piedra arenisca Hormigón Mortero de yeso Tejido de lana Poliestireno expandido Poliuretano expandido Fibra de vidrio Aire

EQUILIBRIO TERMICO Se dice que los cuerpos en contacto térmico se encuentran en equilibrio térmico cuando no existe flujo de calor de uno hacia el otro. Esta definición requiere además que las propiedades físicas del sistema, que varían con la temperatura, no cambien con el tiempo. Algunas propiedades físicas que varían con la temperatura son el volumen, la densidad y la presión. El parámetro termodinámico que caracteriza el equilibrio térmico es la temperatura. Cuando dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico, entonces estos cuerpos tienen la misma temperatura. Dos sistemas (entiéndase por sistema a una parte del universo físico) que están en contacto mecánico directo o separados mediante una superficie que permite la

transferencia de calor (también llamada superficie diatérmica), se dice que están en contacto térmico. Consideremos entonces dos sistemas en contacto térmico, dispuestos de tal forma que no puedan mezclarse o reaccionar químicamente. Consideremos además que estos sistemas estan colocados en el interior de un recinto donde no es posible que intercambien calor con el exterior ni existan acciones desde el exterior capaces de ejercer trabajo sobre ellos. La experiencia indica que al cabo de un tiempo estos sistemas alcanzan un estado de equilibrio termodinámico que se denominará estado de equilibrio térmico recíproco o simplemente de equilibrio térmico. El concepto de equilibrio térmico puede extenderse para hablar de un sistema o cuerpo en equilibrio térmico. Cuando dos porciones cualesquiera de un sistema se encuentran en equilibrio térmico se dice que el sistema mismo está en equilibrio térmico o que es térmicamente homogéneo. Experimentalmente se encuentra que, en un sistema en equilibrio térmico, la temperatura en cualquier punto del cuerpo es la misma.

III. PARTE EXPERIMENTAL MATERIALES -Frasco termo (Calorímetro de mezclas) -Termómetro -Agua -Muestras metálicas

PROCEDIMIENTO Primera Parte MEDIDA DEL EQUIVALENTE EN AGUA DE UN CALORÍMETRO

1. Colocar 200ml de agua (M = 200ml), a temperatura ambiente, en el Frasco termo o calorímetro. Agitar y después de 3 minutos medir la temperatura To con el termómetro. 2. En un vaso de precipitados colocar 100ml de agua (m = 100ml) y calentarla (utilizando la cocinilla eléctrica). Luego de 6 minutos retirar la cocinilla el vaso de precipitados con el agua caliente. 3. Medir la temperatura T del agua caliente (dejar el termómetro por lo menos un minuto) e inmediatamente colocar el agua caliente dentro del Frasco Termo. Agitar la mezcla con el agitador de vidrio y después de 3 minutos medir la temperatura de equilibrio Te. Como el calorímetro o Frasco termo se considera un sistema aislado que no emite ni absorbe calor del exterior, se cumple el Principio de Conservación de la cantidad de calor. Es decir:

Qganado + Qperdido = 0 (M + K) x Ce agua x (Te – To) + m x Ce agua x (Te – T) = 0 Aquí K representa el equivalente en agua del calorímetro y será despejado de la ecuación anterior, obteniéndose:

K = m(T – Te) - M (Te – To)

Por lo tanto:

K = 100(64 – 33) - 200 (33 – 19) K = 100(31) - 200 14

K = 21, 4

CUESTIONARIO

1. ¿Cómo crees que nuestro cuerpo autorregula su consumo energético tanto en invierno como en verano para mantener su temperatura constante? Nuestro cuerpo regula la temperatura mediante diversos mecanismos que tienen como fin el de mantener una temperatura corporal constante independiente del medio externo en el cual nos encontremos

Mecanismos de pérdida de calor El animal siempre está perdiendo calor, ya sea ambientales o por procesos biológicos, éstos puede ser externos o internos.

Mecanismos externos de pérdida de calor En éstas se incluyen Radiación, Conducción, Convección y Evaporación Radiación Es el proceso en que más se pierde calor: el 60% del mismo. Consiste en transmitir energía al ambiente o hacia los seres vivos. Conducción En este proceso se pierde el 3% del calor, se pierde calor a través de los objetos. Por ejemplo: en una clase cuando están todos sentados y te cambias de silla, sientes el calor que dejó el otro en la silla. Convección Es la pérdida de calor desde la piel a la capa de aire que envuelve tu cuerpo. Éste se renueva por una capa más fría. Así se pierde el 12% del calor, la tela (ropa) disminuye la pérdida. Evaporación Se pierde así el 22% del calor corporal, mediante el sudor, debido a que el agua tiene un elevado calor específico, y para evaporarse necesita absorber calor, y lo toma del cuerpo, el cual se enfría.

Mecanismos internos de pérdida de calor Éstos son controlados por el organismo.

Sudoración Cuando el cuerpo se calienta de manera excesiva, se envía información al área preóptica, ubicada en el cerebro, por delante del hipotálamo, Este desencadena la producción de sudor. El humano puede perder hasta 1,5 litros de sudor por hora. Transpiración insensible Cada persona en promedio pierde 800 ml de agua diariamente, ésta proviene de las células y se impregna en la ropa, que adquiere el olor característico. Vasodilatación Cuando la temperatura corporal aumenta, los vasos periféricos se dilatan y la sangre fluye en mayor cantidad cerca de la piel para enfriarse. Por eso, luego de un ejercicio la piel se enrojece ya que está más irrigada. Jadeo Muchos animales no tienen glándulas sudoríparas, con el que han desarrollado el jadeo, controlado por un centro nervioso en la protuberancia anular. Pequeñas cantidades de aire ingresan rápidamente a los pulmones, lo que produce la evaporación del agua contenida en las vías respiratorias y de grandes cantidades de saliva desde la superficie de la boca y la lengua, determinado por la pérdida de calor.

Mecanismos de ganancia de calor Al igual de la perdida de calor éstos pueden ser externas e internas.

Mecanismos externos de ganancia de calor Se incluyen la radiación directa del Sol y la irradiación de la atmósfera. Radiación directa del sol La superficie del cuerpo absorbe una gran cantidad de calor como infrarroja. Se ha calculado que el cuerpo humano obtiene un 97%. Irradiación desde la atmósfera La atmósfera actúa como una pantalla amplificadora frente a las radiaciones provenientes del Sol, y hace incidir las radiaciones infrarrojas directamente sobre el cuerpo.

Mecanismos internos de ganancia de calor Vasoconstricción

En el hipotálamo posterior existen centros nerviosos simpático encargados de enviar señales que causan una disminución del diámetro de los vasos sanguíneos cutáneos, ésta es la razón por la cual la gente tiene frío.

Piloerección La estimulación del sistema nervioso simpático, provoca la contracción de los músculos erectores, ubicados en la base de los pelos, lo que ocasiona que se levanten de la base de los pelos. Termogénesis química En el organismo, la estimulación del Sistema nervioso simpático, puede incrementar la producción de adrenalina y noradrenalina, ocasionando un aumento de metabolismo celular y, por ende, del calor producido. Espasmos musculares O tiritones, en el hipotálamo se encuentra el "termostato" del organismo, son estructuras nerviosas encargadas de controlar y regular la temperatura corporal. En el posterior se produce la tiritación. ¿Qué relación crees que hay entre este hecho y las costumbres alimenticias de las diferentes regiones de nuestro país? En las zonas altas de nuestro país es conocido que la población se alimenta en su mayoría de tubérculos como la papa, el olluco, la oca, entre otras. Estos alimentos son ricos en carbohidratos; por lo tanto, estamos hablando de una dieta basada principalmente en la ingesta de carbohidratos que son una importante fuente de energía para el organismo. Esta energía que es producida se transforma en calor que contrasta con las bajas temperaturas que caracterizan a esas zonas geográficas. De la misma manera una persona que habita en la amazonía no necesita de una cantidad similar de carbohidratos que una persona que vive en las zonas alto-andinas así como también una persona de la costa necesita mas carbohidratos en la dieta que la persona de la selva, pero sin exceder en cantidad al oriundo de la sierra peruana. 2.- ¿Sabes que temperatura mínima (en el medio externo) ha soportado un ser humano y no ha muerto? Nosotros los humanos, SIN ABRIGOS, podríamos vivir a unos 7 grados centígrados. Y con ropa adecuada, muchos esquimales viven a en regiones de -20 grados. Los excursionistas soportan heladas de -60 grados por tiempos determinados, pero con equipo especial. Podríamos entrar en un refrigerador a -70 grados, por unos minutos, y

sobrevivir. Pero si nos encierran, a los pocos minutos moriríamos sin trajes especiales. Y, a -100 grados, ningún mamífero puede sobrevivir, pues la sangre se congela, así como demás fluidos internos.

3.- ¿Cuáles son las partes y funciones de un termo o calorímetro de mezclas?

Descripción del calorímetro de mezclas: (partes) Un termo de paredes dobles con vacío entre ellas es en principio un calorímetro aceptable para el rigor de nuestras experiencias. El termo se llama vaso Dewar y lleva el nombre del físico y químico escocés James Dewar pionero en el estudio de las bajas temperaturas. Tiene una tapa aislante y perforada para introducir un termómetro y un agitador. Función: Es determinar el calor especifico de las sustancias. 4. ¿ Por qué se pones una botella llena de agua a la congeladora ésta puede romperse? El agua es una de las pocas sustancias que se expande al enfriarse. Esto se debe a que, al congelarse, sus moléculas se organizan en una estructura hexagonal, dejando más espacios vacíos entre ellas que en el agua liquida. Esta estructura de los cristales del hielo también es responsable de las peculiares formas hexagonales de los copos de nieve. 5.-¿ Cuál es la diferencia entre calor y temperatura? Las diferencias son las siguientes: -Los cuerpos siempre tienen temperatura pero nunca calor. -El calor es una energía que se transfiere cuando dos cuerpos están a diferente temperatura. La temperatura no es energía ni se transfiere. -Para que un sistema produzca calor tiene que tener dos o más cuerpos a distinta temperatura. Para que un sistema tenga temperatura basta con un solo cuerpo. -Medimos la temperatura en ºC o en ºk. El calor lo medimos en calorías o en Julios. OBSERVACIONES Y/O CONCLUSIONES:

En el primer experimento “ medida del equivalente en agua de un calorímetro”, observamos que luego de realizar las mezclas de agua indicadas, con una proporción determinada de cada una, esta cumplió el principio de conservación de la cantidad de calor. Ya que el calorímetro es un sistema aislado que no emite ni absorbe calor. En el segundo experimento “ determinación del calor específico de un sólido”, se utilizo una pequeña barra de plomo, observamos que el plomo al ser calentado junto con el agua, este va a adquirir una temperatura alta pero no va a igualar a la temperatura del agua, y que al mover el plomo caliente al calorímetro ( en donde se encontraba agua a temperatura ambiente) , la temperatura de este (agua a temperatura ambiente) varia en pequeña proporción.

BIBLIOGRAFIA • •

http://es.wikipedia.org CROMER, Alan FISICA PARA LAS CIENCIAS DE LA VIDA Editorial Reverté segunda edición 2004