Calorimetria

Objetivo de la práctica: Determinar la capacidad calórica de un calorímetro. Determinar el calor específico de un metal.

Naturaleza de la investigación: Una masa conocida de un metal desconocido, se equilibrara térmicamente durante varios minutos con agua en un punto de ebullición. Una vez alcanzado el equilibrio térmico entre el agua hirviente y la muestra metálica, esta última será colocada rápidamente en un calorímetro de capacidad calórica previamente medida, que contiene una masa perfectamente determinada de agua destilada a una temperatura algunos grados por debajo de la del ambiente. Midiendo el cambio de la temperatura del calorímetro en función del tiempo y conociendo las masas involucradas en el proceso se podrá determinar entonces el calor específico del metal desconocido.

Introducción: Los problemas de inter4cambio y transferencia de calor se presentan, prácticamente sin excepción, en todas las industrias y procesos de manufactura, existiendo incontables diferencias de detalles y precisiones a causa de la inmensa diversidad de sus campos de aplicación. El conocimiento de cómo se transmite el calor es fundamental importancia en el diseño, construcción y funcionamiento de múltiples equipos generadores de vapor, hornos, quemadores, reactores, precalentadores recuperadores, cambiadores, motores y turbinas, refrigeradores, evaporadores, condensadores y otros sin fin de aparatos e instrumentos que se emplean cotidianamente en industrias y fabricas de todo tipo. En muchos casos lo que se desea es hacer máximas las velocidades de transmisión de calor por unidad de superficie con el fin de hacer mínimos los costos de producción.

Esto se resumiría conociendo los balances de energía del proceso de estudio, es decir, precisando la energía que entra y sale en cada etapa del proceso. En un balance de energía hay que precisar la energía total que posee un sistema, lo cual puede considerarse formada por tres tipos diferentes de energía:

1) Energía cinética: Es aquella debida al movimiento macroscópico del sistema respecto a algún marco de referencia previamente escogido.

2) Energía potencial: Es la debida a la posición del sistema en un campo de fuerza particular (ejemplo: gravitorio, electromagnético, superficial, etc.) o debida a la configuración especial del sistema con respecto a alguna condición especifica de equilibrio del mismo (ejemplo: resorte extendido).

3) Energía interna: Es la que posee el sistema en virtud de su composición, se debe al movimiento de traslación, rotación y vibración de los átomos y moléculas así como a las interacciones electromagnéticas de los átomos y sus constituyentes. El contenido energético de un sistema puede ser intercambiado con los alrededores de dos maneras diferentes:

Calor, que es la energía que influye en virtud de una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores, ocurriendo este flujo desde el punto mayor temperatura al de menor temperatura.

Trabajo, que es la energía que fluye por una conexión mecánica, en respuesta a cualquier cambio que no sea una diferencia de temperatura.

El calor a su vez puede ser transferido de un cuerpo a otro mediante tres mecanismos diferentes:

1) Conducción: Es un sólido opaco homogéneo, es la transferencia de calor de una parte a otra, debido a un gradiente de temperatura, sin desplazamiento apreciable de partículas. La conducción implica la transferencia de energía cinética de una molécula a otra adyacente, siendo este el único mecanismo de flujo calórico en un sólido opaco. En algunos sólidos transparentes (vidrio, cuarzo) parte de la energía es transmitida por radiación y por conducción.

2) Convección: Este mecanismo lleva consigo, la transferencia de calor por procesos de mezcla de una parte de flujo con otra, y puede producirse por diferencias de densidades internas, ocasionadas a su vez por gradientes de temperatura. Puede considerarse que la energía se transfiere por una conducción molar.

3) Radiación: Es la energía que transmite un cuerpo caliente en todas direcciones. Cuando esta energía alcanza a otro cuerpo, parte de ella es reflejada y parte es absorbida y transformada en calor.

Fundamento teórico: Según la ley de conservación de la energía, el calor, que no es más que una forma de energía, es susceptible de desaparecer de un cuerpo transformándose en otra forma de energía, y recíprocamente también puede aparecer en un cuerpo como consecuencia de la transformación de otra de energía. En ciertos casos, sin embargo, el único fenómeno que se observa es la desaparición de cierta cantidad de energía calórica de un cuerpo (disminuye su temperatura) y su aparición en otro cuerpo como ganancia de esa misma energía calórica (aumenta su temperatura). Cuando ocurre esto último los dos cuerpos usualmente se encuentran en estrecho contacto térmico. Cuando se verifican las condiciones anteriores, El Principio de la Conservación de la Energía puede ser enunciado como: “Siempre que entre varios cuerpos exista intercambio de energía calorífica, la cantidad de calor perdida por unos cuerpos, será exactamente igual a la cantidad de calor ganada por los otros cuerpos”. Este principio fundamental de la calorimetría puede resumirse en la expresión:

Calor total ganado = Calor total perdido.

(1.1)

O expresarse matemáticamente mediante la ecuación: ∑Q = 0 donde el calor (Q) es una cantidad algebraica que tiene convencionalmente signo positivo cuando es absorbido

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