Calorímetro: historia, partes, tipos y sus características

El calorímetro es un dispositivo que se utiliza para medir el cambio de temperatura de una cantidad de sustancia (por lo general agua) de calor específico conocido. Este cambio de temperatura se debe al calor absorbido o desprendido en el proceso que se está estudiando; químico si es una reacción, o físico si consiste de un cambio de fase o estado.

En el laboratorio el calorímetro más simple que se pueda 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. Las reacciones se seleccionan para evitar la intervención de reactivos o productos gaseosos.

Fuente: By Ichwarsnur [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons
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.ºC), se puede calcular la capacidad calórica del calorímetro. A esta capacidad también se le nombra constante del calorímetro.

Por otro lado, el calor ganado por la disolución acuosa es igual a m·ce· Δt. En la fórmula m = masa de agua, ce = calor específico del agua y Δt = variación de temperatura. Sabiendo todo esto, se puede entonces calcular la cantidad de calor liberado por la reacción exotérmica.

Historia del calorímetro

En 1780, A. L. Lavoisier, químico francés, considerado como uno de los padres de la química, utilizó un conejillo de indias para medir la producción de calor por su respiración.

¿Cómo? Mediante un dispositivo parecido a un calorímetro. El calor producido por el conejillo de indias era evidenciado por la fusión de la nieve que rodeaba el aparato.

Los investigadores A. L Lavoisier (1743-1794) y P. S. Laplace (1749-1827) diseñaron un calorímetro que servía para medir el calor específico de un cuerpo por el método de la fusión del hielo.

El calorímetro constaba de un vaso cilíndrico de hojalata, barnizado, sostenido por un trípode y terminado internamente con embudo. En su interior, estaba colocado otro vaso, semejante al anterior, con un tubo que atravesaba la cámara exterior y que estaba provisto de una llave. Dentro del segundo vaso se encontraba una rejilla.

En esta rejilla se colocaba el ser u objeto cuyo calor específico se deseaba determinar. En el interior de los vasos concéntricos se colocaba hielo, al igual que en la cestilla.

El calor  producido por el cuerpo era absorbido por el hielo, provocando su fusión. Y el agua líquida producto de la fusión del hielo era recogida, abriendo la llave del vaso interna.

Y finalmente, pesada el agua, se conocía la masa del hielo fundido.

Partes

El calorímetro más usado en los laboratorios de docencia de química, es el calorímetro llamado de vaso de café. Este calorímetro consta de un vaso de precipitado, o en su lugar, un recipiente de material de anime 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 material de vidrio, el cual cumple la función de mover el contenido de la disolución acuosa.

La imagen muestra las partes de una bomba calorimétrica; sin embargo, puede observarse que posee el termómetro y el agitador, elementos comunes en varios calorímetros.

Tipos 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 se minimiza el coeficiente de transferencia de calor y el tiempo para el intercambio de calor.

Sus partes constan de 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 denominada chaqueta consiste de 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

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 los 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.

Así como 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

  1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química. (8va ed.). CENGAGE Learning.
  2. González J., Cortés L. & Sánchez A. (s.f.). Calorimetría adiabática y sus aplicaciones. Recuperado de: cenam.mx
  3. Wikipedia. (2018). Calorimeter. Recuperado de: en.wikipedia.org
  4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 de junio de 2018). Calorimeter Definition in Chemistry. Recuperado de: thoughtco.com
  5. Gillespie, Claire. (11 de abril de 2018). How Does a Calorimeter Work? Sciencing. Recuperado de: sciencing.com
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Licenciado en química de la Universidad de Carabobo. Amante y aprendiz de las letras. Siento enorme interés por la química supramolecular, la nanotecnología, y los compuestos organometálicos. En general, me gusta comparar la funcionalidad de una estructura molecular no sólo con elementos dinámicos, como las máquinas, sino también con una catedral, o un campanario.

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