2.1. Calorimetría

Calorimetría

La Calorimetría es la medida de la cantidad de calor que cede o absorbe un cuerpo en el curso de un proceso físico o químico.

Calor

Es la Energía Térmica que se transfiere de un objeto a otro cuando entran en contacto mutuo, debido a una diferencia de temperaturas entre ellos.

La dirección de la transferencia de la Energía Térmica es siempre desde la sustancia de mayor temperatura hacia la de menor temperatura (o sea desde la más caliente a la más fría).

Contacto térmico.

Mientras no hallan otros factores externos (el sistema sea cerrado) el calor perdido por el cuerpo A es igual al calor ganado en el cuerpo B.

Observación: Es común, pero erróneo, pensar que la materia contiene calor. La materia contiene energía en diversas formas (Energía Interna), pero no contiene calor, ya que el calor es la energía que pasa entre dos objetos que se encuentran en contacto térmico debido a una diferencia de temperatura.

Cuando dos objetos se encuentran en contacto térmico, la temperatura del más caliente disminuye y la del más frío aumenta, hasta llegar ambos a la misma temperatura, es decir, quedan en equilibrio térmico.

Al disminuir la temperatura de un cuerpo, la energía de sus moléculas también disminuye, y viceversa, si la temperatura aumenta, su Energía Interna también. El calor por lo tanto, antes de ser emitido es Energía Interna y después al ser transferido vuelve a ser Energía Interna.

Principios generales de la calorimetría

I. Siempre que entre varios cuerpos haya un intercambio de energía térmica, la cantidad de calor perdido por unos cuerpos es igual a la cantidad de calor ganada por los otros.

II. La cantidad de calor absorbida o desprendida por un cuerpo es directamente proporcional a su variación de temperatura. Así, para elevar la temperatura de un cuerpo de 20°C se requiere el doble de cantidad de energía térmica que para elevarla a 10°C.

III. La cantidad de calor absorbida o desprendida por un cuerpo es directamente proporcional a su masa.

IV. Cuando varios cuerpos a temperaturas diferentes se ponen en contacto, la energía térmica se desplaza hacia los cuerpos cuya temperatura es más baja. El equilibrio térmico ocurre cuando todos los cuerpos quedan a la misma temperatura.

Unidades de medidas del calor

Siendo el calor una forma de energía, deben de medirse en las mismas unidades que ésta: joules, ergios, libras*pie ó Btu. Su relación de conversión es:
Sin embargo, en la práctica se manejan otras unidades más adecuadas:

CALORÍA (C)

Es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1°C. La relación entre calorías y joules es de:

Existe también la Kilocaloría, o sea 1000 calorías (cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de 1 Kg de agua). La Kilocaloría es la unidad en la que se mide el contenido energético de los alimentos y en la práctica se la llama usualmente Caloría, o Gran Caloría (con "C" mayúscula), para diferenciarla de la verdadera caloría (con "c" minúscula) llamada también pequeña caloría.

NOTA: Recordar que la temperatura NO es una medida de la energía térmica total del cuerpo, es solo de su energía promedio. Es por esto que dos cuerpos pueden tener la misma temperatura pero distinta cantidad de energía interna. Ejemplo: Si se quiere hervir 10 litros de agua, se requiere 10 veces más energía que en el caso de un sólo litro, y aunque al final las temeperaturas sean las mismas (temperatura de ebullición del agua) debido a la diferencia de masas el consumo de energía es distinto.

Calor específico

Es la cantidad de calor que es necesario suministrarle a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en 1°C.
Cada sustancia tiene su propio valor de calor específico, por lo que cada uno requerirá distintas cantidades de calor para hacer que una misma cantidad de masa eleve su temperatura en 1°C.
Para comprender esta definición, el significado del calor específico, se lo puede considerar como la "inercia térmica", recordando que el término de inercia se usa en la mecánica para denotar la resistencia que opone un objeto a los cambios en su estado de movimiento. De igual modo, el calor específico representa la inercia térmica porque denota la resistencia que opone una sustancia

a los cambios de temperatura:  Ejemplo: Si se calientan masas iguales de agua y de aluminio, el aluminio se calienta mucho más rápido que el agua; y si se les interrumpe el suministro de calor al mismo tiempo, el aluminio se enfría más rápido que el agua. En este caso, el agua presenta una mayor cantidad de calor específico que el aluminio, ya que requiere más calor para elevar su temperatura y se demora más tiempo en asimilar los cambios de temperatura (tiene más "inercia térmica").

Formula del calor específico

La cantidad de calor Q que es necesario darle a una masa m de una sustancia para elevar su temperatura de T₁ a T₂ está dada por la fórmula:

De donde "ç" representa la constante de calor específico de la sustancia. Este valor es propio de cada material y se mide en: cal/(g*°C).

Propagación del calor

La transmisión del calor de una región a otra se puede efectuar sólo por alguna de estas tres formas:

Conducción
Transferencia de calor a través de un cuerpo o entre dos cuerpos en contacto, sin que se desplacen las moléculas de los mismos. Ocurre sólo en los materiales sólidos. Ejemplo: Una barra de metal cuyo extremo se lo acerca a una llama, permite que fluya calor hasta su extremo opuesto.

El desplazamiento de calor se realiza según la facilidad con lo que permita el material, de lo cual surge el concepto de Conductividad Térmica.

     Convección

Transferencia de calor entre dos partes de un cuerpo a causa del desplazamiento de sus moléculas. Ocurre sólo en los fluídos (líquidos y gases). El movimiento de las moléculas se origina por la diferencia de densidades que hay dentro de la sustancia, generando corrientes de convección desde las partes más calientes hacia las más frías en la masa del fluído. Ejemplo: Cuando se calienta un recipiente con agua, las moléculas del líquido que están en contacto con la zona caliente (llama) se mueven hacia la superficie donde se encuentran con el resto de moléculas más frías, haciendo que a su vez estas moléculas frías se desplacen hasta la zona de calor y comiencen el ciclo nuevamente. Este proceso dentro del líquido hace que el agua adquiera calor repetidamente, hasta alcanzar la temperatura suficiente de ebullición.

Radiación

Transferencia de calor y energía de un cuerpo llamado foco a otro cuerpo distante, a través del vacío, es decir, sin la presencia de algún agente material o sustancia intermedia. Esta transferencia se logra gracias a que la energía se transporta por medio de Ondas Electromagnéticas las cuales pueden propagarse por el vacío sin ningún inconveniente. Ejemplo: Una bombilla emite luz y calor en forma de radiación. Esta radiación corresponde a: Ondas de Luz Visible (que nos permiten ver) y a las ondas infrarrojas (que nos dan la sensación de calor). Otras fuentes de luz como el Sol, aparte de las anteriores, también emiten rayos X, microondas, ultravioleta, etc., las cuales no somos capaces de sentir, pero que sí lo pueden hacer aparatos e instrumentos apropiados.

     Conductividad térmica

El calor se propaga en los materiales según la facilidad que éstos permitan hacerlo. En general, los materiales sólidos son los mejores conductores del calor (especialmente los metales), luego le siguen los líquidos y finalmente los gases, siendo éstos pésimos conductores del calor. A las sustancias que son malos conductores del calor se les llama aislantes térmicos, Ej: granito, madera, cueros, tejidos, etc.

La conductividad térmica de un material se halla por medio de la fórmula de Fourier.

Si en una barra del material se tienen dos secciones iguales A1 y A2 (ambas de áreas A) a las temperaturas T1 y T2 respectivamente y separadas entre sí por una distancia d, entonces la cantidad de calor Q que pasa entre las dos secciones en un tiempo dado t, se obtiene por:

De donde "K" es la constante de conductividad térmica que es propia del material. Esta constante se mide en: cal/(m*seg*ºC)


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