Calorimetría de presión constante

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.