I. MARCO TERICO:

CALORIMETRAEl trmino calorimetra se refiere a la medida de la cantidad de calor. A travs de sta medida pueden determinarse propiedades trmicas de la materia, como calores especficos de sustancias slidas o lquidas, calor de fusin del hielo, calor de vaporizacin del agua, etc. Su determinacin experimental puede hacerse con el denominado Calormetro de las mezclas.

CALORMETRO DE LAS MEZCLAS:Consiste en una vasija metlica A, de paredes delgadas, que contiene una masa de agua conocida, con una tapa que permite la introduccin de un termmetro B y una vasija o agitador C, cuya funcin es la de mezclar el agua para que adquiera una temperatura uniforme. Se reducen las prdidas de calor al exterior rodeando la vasija con una envoltura D impermeable al calor (pared adiabtica).

Los mtodos calorimtricos para realizar estas determinaciones, se fundan en:Principio de Conservacin de la Energa: cuando dos cuerpos se ponen en contacto, de forma que el sistema formado por ellos este aislado del exterior, la cantidad de calor que pierde uno es igual a la cantidad de calor que gana el otro.

Principio de las transformaciones inversas: la cantidad de calor que hay que suministrar a un cuerpo que aumente su temperatura una determinada .

Es vlida tanto para el calor ganado como para el calor perdido.El planteo terico es sencillo, sin embargo la determinacin experimental de propiedades trmicas de la materia no es tan fcil porque para lograr una gran precisin en mediciones calorimtricas se deben realizar correcciones de gran nmero de errores sistemticos.

CALOR DE REACCIN Y CALORIMETRASi pensamos que una reaccin qumica es un proceso consistente en la ruptura de algunos enlaces qumicos y la formacin de otros nuevos, podemos esperar, en general, que cambie la energa qumica de un sistema como consecuencia de una reaccin. Ms an, podemos esperar que parte de esta variacin de energa se manifieste como calor. Un calor de reaccin , es la cantidad de calor intercambiado entre un sistema y sus alrededores cuando tiene lugar una reaccin qumica en el seno del sistema, a temperatura constante. Si una reaccin tiene lugar en un sistema aislado, es decir, en un sistema que no intercambia materia o energa con sus alrededores, la energa trmica del sistema se modifica como consecuencia de la reaccin y se produce un aumento o disminucin de la temperatura. Imagine ahora que se permite al sistema aislado interaccionar con sus alrededores. El calor de reaccin es la cantidad de calor intercambiada entre el sistema y sus alrededores al restablecerse en el sistema su temperatura inicial. En la prctica, el sistema no recupera fsicamente su temperatura inicial, sino que se calcula la cantidad de calor que se intercambiara si esto sucediese. Esto se hace por medio de una sonda (termmetro) situado dentro del sistema, que registra la variacin de temperatura ocasionada por la reaccin.Una reaccin exotrmica es la que produce un aumento de la temperatura en un sistema aislado o hace que un sistema no aislado ceda calor a los alrededores. El calor de reaccin de una reaccin exotrmica es una magnitud negativa . Una reaccin endotrmica es la que produce una disminucin de la temperatura del sistema aislado o hace que un sistema no aislado gane calor a costa de los alrededores. En este caso, el calor de reaccin es una magnitud positiva . El estudio de la calorimetra, la medicin de los cambios de calor, depende de la comprensin de los conceptos de calor especfico y capacidad calorfica, por lo cual se consideran en primer trmino.

CALOR ESPECFICO Y CAPACIDAD CALORFICAEl calor especfico (Ce) de una sustancia es la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Celsius a la temperatura de un gramo de la sustancia. La capacidad calorfica (C) de una masa dada de una sustancia es la cantidad de calor requerido para elevar un grado Celsius la temperatura de una determinada cantidad de sustancia. El calor especfico es una propiedad intensiva, mientras que la capacidad calorfica es una propiedad extensiva. La relacin entre capacidad calorfica y calor especfico de una sustancia es

Donde m es la masa de la sustancia en gramos. Por ejemplo, el calor especfico del agua es y la capacidad calorfica de 60.0 g de agua es:Las unidades del calor especfico son , mientras que las unidades de la capacidad calorfica son .

CALOR ESPECFICO DE ALGUNAS SUSTANCIAS:SUSTANCIACALOR ESPECFICO

Al0.900

Au0.129

C (grafito)0.720

C (diamante)0.502

Cu0.385

Fe0.444

Hg0.139

4.184

2.46

Si se conoce el calor especfico y la cantidad de sustancia, entonces el cambio en la temperatura de la muestra indicar la cantidad de calor que se ha absorbido o liberado en un proceso particular. La ecuacin para calcular el cambio de calor est dada por

Donde m es la masa de la muestra y es el cambio de la temperatura:

El convenio para el signo de q es igual que para el cambio de entalpa; q es positivo para procesos endotrmicos, y negativo para procesos exotrmicos. El procedimiento ms habitual para medir calores especficos consiste en sumergir una cantidad del cuerpo sometido a medicin en un bao de agua de temperatura conocida. Suponiendo que el sistema est aislado, cuando se alcance el equilibrio trmico se cumplir que el calor cedido por el cuerpo ser igual al absorbido por el agua, o a la inversa.Como la energa calorfica cedida ha de ser igual a la absorbida, se cumple que:

Siendo:m: la masa del cuerpo sumergido.Ce: su calor especfico.T: la temperatura inicial del cuerpo.: la masa de agua.: el calor especfico del agua.: la temperatura inicial del agua.: la temperatura final de equilibrio.

Todos los valores de la anterior expresin son conocidos, excepto el calor especfico del cuerpo, que puede por tanto deducirse y calcularse de la misma.

Verbigracia 01: Una muestra de 466g de agua se calienta desde hasta . Calcule la cantidad de calor absorbido por el agua.Solucin:

CALORIMETRA A VOLUMEN CONSTANTEEl calor de combustin generalmente se mide colocando una masa conocida de un compuesto en un recipiente de acero, llamado bomba calorimtrica a volumen constante, que se llena con oxgeno aproximadamente a 30 atm de presin. La bomba cerrada se sumerge en una cantidad conocida de agua, la muestra se enciende elctricamente, y el calor producido por la reaccin de combustin se calcula con exactitud registrando el aumento en la temperatura de agua. El calor liberado por la muestra es absorbido por el agua y por el calormetro. El diseo especial de la bomba calorimtrica permite suponer que no hay prdida de calor (o de masa) hacia los alrededores durante el tiempo en que se realizan las mediciones. Como consecuencia, se dice que la bomba calorimtrica y el agua en la cual se sumerge, constituyen un sistema aislado.

Bomba calorimtrica a volumen constante. El calormetro se llena con oxigeno gaseoso antes de colocarse en la cubeta. La muestra se enciende elctricamente y el calor producido por la reaccin se determina con exactitud midiendo el aumento de temperatura en una cantidad conocida del agua que lo rodea.

Debido a que no entra ni sale calor del sistema durante el proceso, se tiene que

Donde son los cambios de calor del agua, de la bomba y de la reaccin respectivamente. As

La cantidad se obtiene por:

El producto de la masa de la bomba por su calor especfico es la capacidad calorfica de la bomba, que permanece constante para todos los experimentos efectuados en dicha bomba calorimtrica:

De aqu:

Como en una bomba calorimtrica, las reacciones ocurren en condiciones de volumen constante t no de presin constante, los cambios de calor no corresponden al cambio de entalpa . Es posible corregir los cambios de calor medidos de forma que correspondan a los valores de , pero debido a que en general la correccin es muy pequea, no se analizarn los detalles del procedimiento de correccin. Finalmente, es interesante observar que el contenido de energa de los alimentos y los energticos (generalmente se expresan en caloras, donde ) se miden con calormetros a volumen constante.Verbigracia 01: Una muestra de 1.435 g de naftaleno , una sustancia de olor penetrante que se utiliza en los repelentes contra polillas, se quema en una bomba calorimtrica a volumen constante. Como consecuencia, la temperatura del agua se eleva de a . Si la masa del agua que rodea al calormetro es exactamente 2000g y la capacidad calorfica de la bomba calorimtrica es , calcule el calor de combustin del naftaleno sobre una base molar; es decir, encuentre el calor de combustin molar.Solucin:

Ahora hallamos:

La masa molar del naftaleno es 128.2g, por lo que el calor de combustin de 1mol de naftaleno es:

Finalmente, se observa que la capacidad calorfica de una bomba calorimtrica se determina quemando por lo general un compuesto del que se conoce con exactitud el valor del calor de combustin. A partir de la masa del compuesto y del incremento de la temperatura, es posible calcular la capacidad calorfica del calormetro.

CALORIMETRA A PRESIN CONSTANTEUn dispositivo ms sencillo que el calormetro a volumen constante, utilizado para determinar los cambios de calor en reacciones diferentes a la combustin, es el calormetro a presin constante. De manera simple, un calormetro a presin constante se puede construir con dos vasos desechables de espuma de poliestireno. Ese dispositivo mide el efecto del calor de una gran cantidad de reacciones como neutralizaciones cido base y calores de disolucin y dilucin. Debido a que la presin es constante, el cambio de calor para el proceso es igual al cambio de entalpa . Las mediciones son semejantes a las efectuadas en el calormetro a volumen constante (es necesario conocer la capacidad calorfica del calormetro, as como el cambio de temperatura de la disolucin).

Calormetro a presin constante, construida con dos vasos desechables de espuma de poliestireno. El vaso exterior sirve para aislar la mezcla de reaccin de sus alrededores. Se mezclan cuidadosamente en el calormetro volmenes conocidos de las dos disoluciones que contienen los reactivos a la misma temperatura. El calor producido o absorbido por la reaccin se determina midiendo el cambio en la temperatura.

Verbigracia 01: Una muestra de de se mezcla con en un calormetro a presin constante que tiene una capacidad calorfica de . La temperatura inicial de las disoluciones de HCl y NaOH es la misma , y la temperatura final de la mezcla es . Calcule el cambio de calor de la reaccin de neutralizacinSuponga que la densidad y el calor especfico de las disoluciones es igual que para el agua y , respectivamente.Solucin:O,

Debido a que la densidad de la disolucin es , la masa de 100ml de la disolucin es 100g. As,

A continuacin se escribe:

A partir de las molaridades dadas, se sabe que hay de la disolucin de HCl y de la disolucin de NaOH. Por tanto, cuando reacciona , el calor de neutralizacin es:

Dato: Debido a que la reaccin se efecta a presin constante, el calor liberado es igual al cambio de entalpa. II. TRMINOS CLAVES:

1. Bomba calorimtrica: Aparato que sirve para medir la energa de la combustin de la materia orgnica.2. Calorimetra: Medicin de flujo de calor en un sistema.3. Calor de fusin: Cantidad de calor necesaria para transformar un slido a su temperatura de fusin en lquido, a la misma temperatura.4. Calor de vaporizacin: Cantidad de calor necesaria para convertir un lquido a su temperatura de ebullicin en vapor a la misma temperatura; proceso inverso al de la condensacin.5. Calor especfico: Relacin entre la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una sustancia un grado, y la cantidad necesaria para elevar la temperatura de una masa equivalente de agua, tambin, un grado.6. Disolucin: Separacin de un cuerpo soluble en partculas por accin de un agente exterior. El cuerpo soluble se denomina soluto y el agente disolvente.7. Entalpa: Medida de la totalidad del calor de una sustancia que es igual a la suma de la energa interna ms el producto de un volumen por la presin exterior. Tambin llamada contenido de calor. 8. Impermeable: Tiene la propiedad de ser impermeable. Que no deja pasar los lquidos.9. Naftaleno: Compuesto orgnico voltil (COV) [con frmula C10H8] que est presente de forma natural en combustibles fsiles como el petrleo y el carbn, y que se produce al quemar madera o tabaco. El naftaleno se utiliza en la produccin de muchos productos, como tintes, productos farmacuticos, y repelentes de insectos, tales como las bolas antipolillas. Actualmente, se producen muchas emisiones de naftaleno al medio ambiente.10. Neutralizacin: Proceso mediante el cual los anticuerpos elaborados por el sistema inmune se fusionan con los antgenos, para de esta manera anular su actividad.11. Poliestireno: Resina termoplstica que se colorea y, se moldea y estira con facilidad; es bastante dura y tenaz, empleada sobre todo en la industria elctrica.12. Reaccin endotrmica: Se denomina reaccin endotrmica a cualquier reaccin qumica que absorbe calor. Si hablamos de entalpa (H), una reaccin endotrmica es aquella que tiene un incremento de entalpa o H positivo, es decir, aquella reaccin en donde la entalpa de los reactivos es menor que la de los productos.13. Reaccin exotrmica: Se denomina reaccin exotrmica a cualquier reaccin qumica que desprende calor. Se da principalmente en las reacciones de oxidacin. Cuando esta es intensa puede dar lugar al fuego. Cuando reaccionan entre s dos tomos de hidrgeno para formar una molcula, el proceso es exotrmico.14. Sacarosa: Azcar de frmula que pertenece a un grupo de hidratos de carbono llamados disacridos. Es el azcar normal de mesa, extrada de la remolacha azucarera o la caa de azcar. Es soluble en agua y ligeramente soluble en alcohol y ter.

III. PROBLEMAS PROPUESTOS:

1. Petrucci, R y Harwood, W. QUMICA GENERALEl sustituto de gas natural (SGN) es una mezcla de gases que contiene y que puede utilizarse como combustible. Una reaccin para obtener esta mezcla es:

Utilizando los datos adecuados de entre los que se dan a continuacin, calcule para esta reaccin del SGN.

2.

3. Ukhjkhj4. Gkjk5. IV. BIBLIOLGRAFA:

1. Petrucci, R. y Harwood, W. Qumica General, Ed. Prentice Hall. 8va edicin. 1999. Espaa Pg. 228, 229, 230.2. Chang Raymond. Qumica, Ed. Edit. Mac Graw Hill. Mexico, 1992. Pg. 211, 212, 213, 214, 215, 216.3. http://www.hiru.com/es/fisika/fisika_01800.html4. http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/departamentos/basicas/archivos/apuntes/termodinamica_utn_2009.pdf5.