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Química avanzada (AP Chemistry)
Curso: Química avanzada (AP Chemistry) > Unidad 6
Lección 3: Capacidad térmica y calorimetríaCalorimetría de presión constante
La calorimetría de presión constante se utiliza para medir el cambio de entalpía, ΔH, de un proceso físico o químico. Con esta técnica, se lleva a cabo un proceso de la solución en un calorímetro de vasos de café, un recurso económico que está compuesto por vasos de espuma de poliestireno. La cantidad de calor que se transfiere en el proceso (q) se puede calcular a partir de la masa, el calor específico y el cambio de temperatura de la solución. Como el calorímetro está a una presión (atmosférica) constante, q es igual a ΔH en el proceso. Creado por Jay.
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Transcripción del video
Nos referimos a calorimetría como
la medición del flujo de calor. Un calorímetro es un dispositivo que
se usa para medir el flujo del calor. Una forma fácil de construir un calorímetro es
utilizar dos vasos de café. Por aquí, en la base tenemos uno de ellos y después podemos utilizar
el otro vaso como una tapa suelta, no hermética. Dado que el vaso de arriba no es hermético, nuestro calorímetro está expuesto a
la presión constante de la atmósfera. Por lo tanto, podríamos utilizar
este calorímetro de vasos de café para la calorimetría de presión constante. Otros componentes en nuestro calorímetro incluyen
un poco de agua, y también tenemos una barra agitadora para remover el agua, y un termómetro
para medir el cambio de temperatura en el agua. Digamos que tenemos 150.0 gramos de agua a una
temperatura inicial de 25.0 grados Celsius. A continuación, tomaremos un
bloque de cobre de 120.0 gramos, y vamos a calentarlo hasta 100.0 grados Celsius. Una vez que el bloque de cobre haya alcanzado esa
temperatura lo colocaremos en nuestro calorímetro. Aquí podemos ver que añadimos el bloque de cobre
al calorímetro, y dado que el bloque de cobre está a una temperatura más alta que el agua, el
calor va a fluir desde el bloque de cobre al agua. Y, por lo tanto, la temperatura del
agua aumentará, lo que podremos ver en el termómetro. Entonces observaremos este
aumento de temperatura en el termómetro. El calor se va a transferir del bloque de cobre al
agua hasta que se alcance el equilibrio térmico. Y sabremos que se ha alcanzado el
equilibrio térmico al observar el termómetro y medir la temperatura
más alta que haya alcanzado. Vamos a decir que la temperatura
final es igual a 30.0 grados Celsius. Así que cuando alcanzan el equilibrio térmico, tanto el bloque de cobre como el agua
están a la misma temperatura final. A continuación, calculemos
el calor ganado por el agua utilizando la ecuación q es igual a mC deltaT. Así que, q es lo que estamos tratando de
calcular, es decir, el calor que gana el agua. m es la masa del agua, que es de 150,0
gramos. Así que escribiremos 150,0 gramos. C es el calor específico del agua, que es
de 4.18 joules por gramo grado Celsius. Y delta T es el cambio en la temperatura, lo que equivale a la temperatura final,
Tf, menos la temperatura inicial, Ti. La temperatura final del agua
es de 30.0 grados Celsius, y la temperatura inicial del
agua era de 25.0 grados Celsius. Entonces, 30.0 menos 25.0 es igual a
5.0 grados Celsius. Vamos a escribirlo. Ahora veamos las unidades y veamos qué
podemos cancelar. Los gramos se cancelan, los grados Celsius se cancelan y solo nos
quedaremos con joules como nuestras unidades. Entonces q es igual a… y tomando
en cuenta dos cifras significativas obtendremos... +3.1 por 10 al cubo joules. El signo positivo representa que
esta es la energía que gana el agua. A continuación, hagamos el mismo cálculo para
el cobre. Así que estamos intentado encontrar q. La masa del cobre es de 120.0
gramos, así que vamos a escribirlo. El calor específico para el cobre es
de 0.39 joules por gramo grado Celsius. Y ahora pensemos en el cambio en la temperatura
del cobre. La temperatura final del cobre es de 30.0 grados Celsius mientras que su
temperatura inicial era de 100.0 grados Celsius. Entonces el cambio en la temperatura
será 30.0 menos 100.0 que, por supuesto, es –70.0 grados Celsius. Así que vamos a escribirlo: –70.0 grados Celsius. Una vez más, observemos qué unidades pueden
cancelarse. Los gramos se cancelarán, los grados Celsius se cancelarán y
nuestra respuesta estará en joules. Entonces q es igual a tomando en cuenta dos
cifras significativas –3.3 por 10 al cubo joules. En esta ocasión, el signo negativo representa
que esta es la energía que pierde el cobre. Ahora observemos estos dos valores
que obtuvimos de nuestros cálculos y pensemos en la magnitud de estos dos números. Si nuestro calorímetro de vasos de
café fuera un aislante perfecto, la magnitud de estos dos números sería la misma. Sería algo cercano a 3.3 por
10 al cubo joules para ambos. Pero, dado que estos dos números no son
iguales, —¿cierto? —, podemos ver que, en términos de energía, hemos perdido más calor
del cobre que el que ganamos para el agua, lo que significa que podríamos haber
perdido algo de la energía en el ambiente. Así que no se transfirió todo
el calor directamente al agua. Una parte pudo haber escapado de
nuestro calorímetro de vasos de café. Pensemos ahora en la calorimetría
como una reacción química. Pero antes de hacer esto, recordemos
algunas ideas de la termodinámica. Un sistema es la parte del
universo que estamos estudiando. En el caso de una reacción química el sistema
se conforma por los reactantes y los productos. Por otra parte, los alrededores o
el entorno incluye todo lo demás, aquí podríamos incluir el agua en el
calorímetro, los propios vasos de café, el termómetro, el ambiente externo;
es decir, el entorno es todo lo demás. Y finalmente, el universo será
el sistema más el entorno. Entonces, los reactantes y los
productos constituyen el sistema. Y esto es lo que la S representa
—por aquí—, en nuestro calorímetro. Ese es nuestro sistema. Y supongamos que realizamos una reacción,
y en la reacción se desprende calor. Entonces, en este caso, el calor
va a fluir del sistema al entorno, y por lo tanto la temperatura del agua aumentará. Y podemos observar esto a medida que la
temperatura aumenta en el termómetro. A continuación, podemos calcular el calor que
gana el agua utilizando la ecuación q=mC deltaT. Y digamos que q= +1.0 x 102 joules. (q es
igual a positivo 1.0 por 10 al cuadrado joules) El signo positivo indica que el agua ganó energía. Si suponemos una transferencia perfecta de calor
desde el sistema al entorno y sabemos que el entorno ganó +1.0x102 joules, eso significaría
que el sistema debió perder –1.0x102 joules. Es decir, tendríamos la misma magnitud, pero
cambiamos el signo —por aquí—, ya que podemos decir que la energía que perdió el sistema es de
la misma en magnitud, pero con signo contrario. A continuación, recordemos que nuestra tapa, por
aquí, no es hermética, lo que crea un calorímetro de presión constante. Y por lo tanto este
calor se transfirió a presión constante. Entonces podemos escribir un
subíndice p por aquí, q subíndice p. Y por definición, el cambio en la
entalpía delta H es el calor que se transfiere a presión constante, por lo que,
podemos escribir que qp es igual a delta H. Y entonces como delta H es negativo,
hablamos de una reacción exotérmica Cuando una reacción es exotérmica el
calor se transfiere del sistema al entorno, y por lo tanto observamos un
incremento en la temperatura del agua. Por último, pensemos en una reacción endotérmica. En una reacción endotérmica, el calor
se transfiere del entorno al sistema. Así que, por aquí, podemos señalar que
el calor fluye del entorno al sistema. Dado que la energía sale del entorno, en una reacción endotérmica la
temperatura del agua disminuirá. Y como el calor se está transfiriendo al
sistema, podemos escribir calor en el lado de los reactantes y, por lo tanto, en una
reacción endotérmica delta H será positivo. Así que, para una reacción endotérmica, la
energía se transfiere de los alrededores o entorno al sistema, y por lo tanto
la temperatura del agua disminuirá.