Calorimetria

Calorimetría

La Calorimetría es la rama de la termodinámica que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor.

Según las teorías que iniciaron el estudio de la calorimetría, el calor era una especie de fluido muy sutil que se producía en las combustiones y pasaba de unos cuerpos a otros, pudiendo almacenarse en ellos en mayor o menor cantidad. Posteriormente, se observó que, cuando se ejercía un trabajo mecánico sobre un cuerpo (al frotarlo o golpearlo, por ejemplo), aparecía calor; hecho que contradecía el principio de conservación de la energía, ya que desaparecía una energía en forma de trabajo mecánico, además de que se observaba la aparición de calor sin que hubiese habido combustión alguna. Benjamin Thompson puso en evidencia este hecho cuando dirigía unos trabajos de barrenado de cañones observando que el agua de refrigeración de los taladros se calentaba durante el proceso. Para explicarlo, postuló la teoría de que el calor era una forma de energía. Thompson no consiguió demostrar que hubiese conservación de energía en el proceso de transformación de trabajo en calor, debido a la imprecisión en los aparatos de medidas que usó. Posteriormente, Prescott Joule logró demostrarlo experimentalmente, calentó agua en un recipiente cerrado haciendo girar unas ruedas de paletas y halló que el aumento de temperatura del agua era proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas. Llegando a determinar la cantidad de calor que se obtiene por cada unidad de trabajo que se consume, que es de 0,239 calorías por cada julio de trabajo que se transforma íntegramente en calor.

El calorímetro es el instrumento que mide dicha energía. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro.

Calor

El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico.

La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado.

La energía 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 parte de dicha energía interna (energía calorífica) transferida de un sistema a otro, lo que sucede con la condición de que estén a diferente temperatura.

La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional de Unidades es la misma que la de la energía y el trabajo: el Joule (unidad de medida).

Otra unidad ampliamente utilizada para la cantidad de energía térmica intercambiada es la caloría (cal), que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua a 1 atmósfera de presión para elevar su temperatura 1 °C. 

Equilibrio térmico

Los cuerpos no poseen calor de manera innata dentro de ellos, sino energía.

El calor es la energía que se traspasa de uno a otro cuerpo; del de mayor al de menor temperatura. Esa energía pasa entre dos materias en contacto, o unidas por una superficie diatérmica, hasta que el otro cuerpo iguale en su temperatura al transmisor. Esto asegura el cambio en el desarrollo vital.

Cuando las temperaturas se igualan, en ese momento existirá equilibrio térmico (los dos cuerpos tienen idéntica temperatura) y entonces ya no habrá más traspaso de energía, ya que la energía que transmiten las moléculas de uno y otro son idénticas, por eso al ser igual las energías reciprocas, se compensan entre sí, y no hay variaciones. En ese momento la energía deja de ser calor y se convierte en energía interna. Por eso se concluye que un cuerpo caliente no posee calor sino energía interna.

Equilibrio alude a esta compensación entre ambos cuerpos, que es un equilibrio dinámico, pues la transferencia existe pero en igualdad entre uno y otro, siendo térmico pues es referido a la temperatura (ambos poseen la misma).

La ley cero de la termodinámica, formulada en 1931 por Ralph Fowler se basa en el equilibrio térmico, y expresa que considerados dos sistemas separadamente A y B, que se encuentran en equilibrio térmico con otro sistema, al que llamaremos C, la experiencia muestra que a su vez A y B se encuentran también en equilibrio térmico.

 

Unidades de calor

Caloria

Se define la caloría como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua pura, desde 14,5 °C a 15,5 °C, a una presión normal de una atmósfera.

Una caloría (cal) equivale exactamente a 4,1868 julios (J), mientras que una kilocaloría (kcal) es exactamente 4,1868 kilojulios (kJ).

BTU

La BTU o BTu es una unidad de energía inglesa. Es la abreviatura de British Thermal Unit. Se usa principalmente en los Estados Unidos. Ocasionalmente también se puede encontrar en documentación o equipos antiguos de origen británico. En la mayor parte de los ámbitos de la técnica y la física ha sido sustituida por el julio, que es la unidad correspondiente del sistema internacional.

Una BTU equivale aproximadamente a:

• 252 calorías
• 1 055,056 julios
• 12.000 BTU/h = 1 Tonelada de refrigeración = 3.000 frigorías/h.

Una BTU representa la cantidad de energía que se requiere para elevar en un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua en condiciones atmosféricas normales. Un pie cúbico de gas natural despide en promedio 1.000 BTU, aunque el intervalo de valores se sitúa entre 500 y 1.500 BTU.

Kilojoule

Un joule (J)  es el trabajo producido por una fuerza de 1 newton, cuyo punto de aplicación se desplaza 1 metro en la dirección de la fuerza. En términos eléctricos, un julio es el trabajo realizado por una diferencia de potencial de 1 voltio y con una intensidad de 1 amperio durante un tiempo de 1 segundo.

Un Kilojoule (Kj) es igual a 1000 joules.

Capacidad calorífica

Como regla general, y salvo algunas excepciones puntuales, la temperatura de un cuerpo aumenta cuando se le aporta energía en forma de calor. El cociente entre la energía calorífica Q de un cuerpo y el incremento de temperatura T obtenido recibe el nombre de capacidad calorífica del cuerpo, que se expresa como: 

La capacidad calorífica es un valor característico de los cuerpos, y está relacionado con otra magnitud fundamental de la calorimetría, el calor específico.

Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la unidad de masa de una sustancia 1 grado. A diferencia del calor específico, la capacidad calorífica es una característica de cada cuerpo y se expresa en el SI en J/K.

Calor especifico

El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial. Se la representa con la letra c (minúscula).Su expresión matemática es:

En el Sistema Internacional de Unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y por kelvin (J·kg-1·K-1); otra unidad, no perteneciente al SI, es la caloría por gramo y por kelvin (cal·g-1·K-1). Así, el calor específico del agua es aproximadamente 1 cal/(g·K) en un amplio intervalo de temperaturas, a la presión atmosférica; exactamente 1 cal·g-1·K-1 en el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C

Calor latente

El calor de cambio de estado es la energía requerida por una sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía.

Cuando se aplica calor al hielo, va ascendiendo su temperatura hasta que llega a 0°C (temperatura de cambio de fase), a partir de entonces, aun cuando se le siga aplicando calor, la temperatura no cambia hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo.

Una vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100 °C; desde ese momento se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua.

Calor latente de fusión del agua:

144 BTU/Lb
80 Cal/gr

Calor latente de vaporización del agua:

970 BTU/Lb
540 Cal/gr

Cantidad de calor

En Termometría, el calor perdido por un cuerpo es el producto de su masa, por su capacidad calorífica específica, por el decremento en su temperatura: Q = mc ∆T. La misma fórmula sirve para calcular el calor ganado por un cuerpo; solo que en este caso ∆T representa el incremento en la temperatura del cuerpo.

Al utilizar la formula de cantidad de calor cuando hay un cambio de estado el calor latente de fusión o vaporización son sustituidos en la formula quedando:

Q=Lf. ∆T

Q=Lv. ∆T