Calorímetro: qué es, partes, tipos y sus características
¿Qué es el calorímetro?
El calorímetro es un dispositivo que mide el cambio de temperatura de una cantidad de sustancia (por lo general agua). En otras palabras, un calorímetro mide la cantidad de calor que recibe o suministra un cuerpo.
En el laboratorio el calorímetro más simple que se puede encontrar es el del vaso de café. Se usa para medir el calor absorbido o liberado en una reacción a presión constante, en disolución acuosa.
En una reacción exotérmica, la cantidad de calor que se desprende puede calcularse a partir del aumento de la temperatura del calorímetro y de la disolución acuosa:
Cantidad de calor que se desprende en la reacción = cantidad de calor que absorbe el calorímetro + cantidad de calor que absorbe la disolución
La cantidad de calor que absorbe el calorímetro se denomina capacidad calórica del calorímetro. Esta se determina suministrando una cantidad conocida de calor al calorímetro con una determinada masa de agua. Luego, se mide el aumento de temperatura del calorímetro y de la disolución que contiene.
Con estos datos, y el uso del calor específico del agua (4,18 J/g. °C), se puede calcular la capacidad calórica del calorímetro. A esta capacidad también se le nombra constante del calorímetro.
Partes del calorímetro
El calorímetro más usado en los laboratorios de docencia de química es el calorímetro llamado vaso de café. Consta de un vaso de precipitado, o en su lugar, un recipiente de corcho blanco que tiene ciertas propiedades aislantes. Dentro de este recipiente se coloca la disolución acuosa con el cuerpo que va a producir o absorber calor.
En la parte superior del recipiente se coloca una tapa de material aislante con dos orificios. En uno se introduce un termómetro para medir los cambios de temperatura, y en el otro un agitador, preferiblemente de vidrio, el cual cumple la función de mover el contenido de la disolución acuosa.
Tipos de calorímetro y sus características
El vaso de café
Es aquel que se usa en la determinación del calor liberado por una reacción exotérmica, y el calor absorbido en una reacción endotérmica.
Además, puede ser usado en la determinación del calor específico de un cuerpo; esto es, la cantidad de calor que necesita absorber un gramo de la sustancia para elevar su temperatura en un grado Celsius.
La bomba calorimétrica
Es un dispositivo en el cual se mide la cantidad de calor que se desprende o absorbe en una reacción que ocurre a volumen constante.
La reacción tiene lugar en un recipiente de acero resistente (la bomba), el cual se sumerge en un volumen grande de agua. Esto hace que los cambios de temperatura del agua sean pequeños. Por lo tanto, se asume que los cambios asociados a la reacción son medidos a volumen y temperatura constante.
Lo anterior indica que no se realiza trabajo cuando una reacción se lleva a cabo en una bomba calorimétrica.
La reacción inicia por el suministro de electricidad a través de cables conectados a la bomba.
El calorímetro adiabático
Se caracteriza por tener una estructura aislante llamada escudo. El escudo se encuentra alrededor de la celda donde se producen los cambios de calor y temperatura. Asimismo, está conectado a un sistema electrónico que mantiene su temperatura muy cercana a la de la celda, para evitar así la transferencia de calor.
En un calorímetro adiabático se minimiza la diferencia de temperatura entre el calorímetro y sus alrededores; así como el coeficiente de transferencia de calor y el tiempo para el intercambio de calor.
Sus partes son las siguientes:
– La celda (o recipiente), integrada a un sistema de aislamiento mediante el cual se trata de evitar la pérdida de calor.
– El termómetro, para medir los cambios de temperatura.
– Un calentador, conectado a una fuente controlable de tensión eléctrica.
– Y el escudo, ya mencionado.
En este tipo de calorímetro se pueden determinar propiedades como la entropía, la temperatura de Debye y la densidad electrónica de estado.
El calorímetro isoperibólico
Es un dispositivo en el cual la celda de reacción y la bomba están inmersas en una estructura denominada chaqueta. En este caso, la chaqueta consiste en agua, mantenida a temperatura constante.
La temperatura de la celda y la bomba se elevan a medida que se libera calor durante el proceso de combustión; pero la temperatura de la chaqueta de agua se mantiene a una temperatura fija.
Un microprocesador controla la temperatura de la celda y la chaqueta, haciendo las correcciones necesarias del calor de fuga que resulta de las diferencias entre las dos temperaturas.
Estas correcciones se aplican continuamente, y con una corrección final, basada en las mediciones antes y después de la prueba.
El calorímetro de flujo
Desarrollado por Caliendar, cuenta con un dispositivo para mover un gas en un recipiente a una rapidez constante. Al adicionar calor se mide el incremento de la temperatura en el fluido.
El calorímetro de flujo se caracteriza por:
– Una medición exacta de la rapidez del flujo constante.
– Medición exacta de la cantidad de calor introducida al fluido a través de un calefactor.
– Una medición exacta del incremento de la temperatura en el gas causada por la entrada de energía
– Un diseño para medir la capacidad de un gas bajo presión.
El calorímetro para calorimetría por escaneo diferencial
Se caracteriza por tener dos recipientes: en uno se coloca la muestra a estudiar, mientras que el otro se mantiene vacío o se utiliza un material de referencia.
Se calientan los dos recipientes a una rapidez constante de energía, por medio de dos calefactores independientes. Cuando se inicia el calentamiento de los dos recipientes, la computadora graficará la diferencia de flujo de calor de los calefactores contra la temperatura, pudiéndose determinar así el flujo de calor.
Además, se puede determinar la variación de la temperatura en función del tiempo; y por último, la capacidad calórica.
Aplicaciones de un calorímetro
En fisicoquímica
– Los calorímetros básicos, tipo vaso de café, permiten medir la cantidad de calor que desprende o absorbe un cuerpo. En ellos se puede determinar si una reacción es exotérmica o endotérmica. Además, se puede determinar el calor específico de un cuerpo.
– Con el calorímetro adiabático se ha podido determinar la entropía de un proceso químico y la densidad electrónica de estado.
En sistemas biológicos
– Los microcalorímetros se usan para estudiar sistemas biológicos que incluyen interacciones entre las moléculas, así como cambios conformacionales moleculares que ocurren; por ejemplo, en el desplegado de una molécula. La línea incluye tanto el barrido diferencial como la titulación isotérmica.
– El microcalorímetro se usa en el desarrollo de medicamentos de moléculas pequeñas, bioterapéuticos y vacunas.
Calorímetro de bomba de oxígeno y el poder calórico
En el calorímetro de bomba de oxígeno se produce la combustión de numerosas sustancias, pudiéndose determinar su poder calórico. Entre las sustancias estudiadas mediante el uso de este calorímetro están: el carbón y el coque; aceites comestibles, tanto pesados como ligeros; la gasolina y todos los combustibles para motor.
También los tipos de combustibles para los reactores de aviones; desechos de combustible y eliminación de desperdicios; productos alimenticios y suplementos para la nutrición humana; cultivos forrajeros y suplementos para la alimentación animal; materiales de construcción; combustibles para cohetes y propulsores.
Asimismo, se ha determinado el poder calórico mediante calorimetría en estudios termodinámicos de materiales combustibles; en el estudio de balance de energía en ecología; en explosivos y polvos térmicos y en la enseñanza de métodos termodinámicos básicos.
Referencias
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química. (8va ed.). CENGAGE Learning.
- González J., Cortés L. & Sánchez A. (s.f.). Calorimetría adiabática y sus aplicaciones. Recuperado de: cenam.mx
- Wikipedia (2018). Calorimeter. Recuperado de: en.wikipedia.org
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018). Calorimeter Definition in Chemistry. Recuperado de: thoughtco.com
- Gillespie, Claire. (2018). How Does a Calorimeter Work? Sciencing. Recuperado de: sciencing.com