ELABORACIÓN Y CALIBRACION DE UN CALORÍMETRO

ELABORACIÓN Y CALIBRACION DE UN CALORÍMETRO.

Estudiantes: Margy Paola Acevedo; Luz Andrea Navarro
Universidad Santo Tomás, sede Floridablanca. Facultad Química Ambiental.

INTRODUCCION
La técnica calorimétrica es una de las más empleadas dentro de la termodinámica como una herramienta de utilidad para realizar la caracterización de los sistemas que generan o absorben energía térmica. Debido a la diversidad de sistemas y a la manera como se generan los efectos térmicos, se presentan diversidad de equipos calorimétricos.
El recipiente utilizado para efectuar las medidas de calor se denomina calorímetro, que en su forma más sencilla es una vasija de paredes aisladas que aloja en su interior el termómetro y agitador. Además contiene un líquido calorimétrico que generalmente es el agua.
La capacidad calorica del calorimetro (los alrededores) es la suma de las capacidades caloricas de sus partes (el agua, las paredes, un termometro y un artefacto de agitacion). El valor de la capacidad calórica de cada parte depende del material y del tamaño. En la determinacion del calor de un proceso, solo se ocupa la capacidad calorica global del calorimetro, que, a su vez, se determina como un todo experimentalmente.
En la práctica se presenta la construcción de un calorímetro de conducción de calor y se muestra cada uno de sus elementos constituyentes, haciendo énfasis en el sistema que se utilizó para detectar el flujo de calor. Posteriormente fue calibrado para asi realizarle la determinación del calor específico al acetato de sodio


MARCO TEORICO
La mayor parte de los calorímetros son diseñados de forma que se minimice la transferencia de calor entre el sistema y los alrededores.
El cambio de temperatura experimentado por un objeto cuando absorbe cierta cantidad de energía está controlado por su capacidad calorífica
Cuando un sistema con una masa m1, se pone en contacto con un sistema con una masa m2, donde m1> m2, que está a diferente temperatura, fluye calor entre ellos hasta alcanzar una temperatura de equilibrio próxima a la del sistema de masa mayor; se dice entonces que una cantidad de calor ΔQ se transfiere desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura:

La cantidad de calor ΔQ transferida es proporcional al cambio de temperatura ΔT.
La constante de proporcionalidad C, se denomina capacidad calorífica del sistema.
La determinación de los cambios térmicos que acompañan a los procesos termodinámicos se realiza con los dispositivos reconocidos con el nombre de Calorímetros. Esquemáticamente un calorímetro consta de los siguientes elementos:

1.- Recipiente en el que tiene lugar el proceso. Este recipiente está integrado en un sistema de aislamiento mediante el cuál se trata de evitar las pérdidas de calor por radiación o convección.
2.- Dispositivo para la medida de cambios de temperatura (termometro de mercurio contrastado, termopar, termómetro de resistencia,...).
3.- Dispositivo para el calentamiento controlado del sistema (resistencia eléctrica conectada a una fuente de alimentación con voltaje estabilizado).
4.- Dispositivo de mezcla de componentes y de agitación para asegurar la uniformidad de la temperatura en la mezcla.

En la figura se recoge de forma esquemática la estructura de un calorímetro siendo A el recipiente o vaso calorimétrico y B la camisa exterior para el aislamiento.

El funcionamiento de este tipo de calorímetros puede ser de dos maneras:
a) La camisa exterior se mantiene a temperatura constante.
b) La temperatura de la camisa exterior se mantiene en todo momento lo más próxima posible a la del vaso calorimétrico. En este caso se reconoce el dispositivo como calorímetro adiabático.

La utilización de cualquiera de los dos tipos de calorímetros requiere la adopción de precauciones experimentales si se quieren obtener resultados razonablemente precisos. Los principales puntos que es necesario controlar son: agitación, pérdidas por evaporación, reducción al mínimo las posibles pérdidas de calor por radiación y convección. En este sentido, los calorímetros adiabáticos en los que la temperatura de la camisa exterior (B) se mantiene con diferencias inferiores a 0.1ºC a la del vaso calorimétrico (A) mediante dispositivos de calentamiento controlados electrónicamente que permiten reducir al mínimo las pérdidas por radiación y convección.

En el caso de un calorímetro del tipo anteriormente descrito la condición de temperatura de la camisa exterior constante permite asegurar una velocidad uniforme de pérdida de calor y en este sentido la determinación del cambio de temperatura se podrá realizar a partir de extrapolación de las lecturas de temperatura antes del proceso y después de que este ha tenido lugar y se vuelve a alcanzar el régimen de modificación de la temperatura debido a la agitación y las pérdidas por radiación y convección.

La calibración del calorímetro consiste en determinar la capacidad calorífica que presenta el conjunto de materiales que forman las distintas partes del calorímetro (vaso calorimétrico, sistema de agitación, dispositivos de medida de temperatura, recipientes contenedores de reactivos, etc.) y que van a absorber una parte de la energía térmica suministrada al sistema. Aceptando que las partes físicas del calorímetro son siempre las mismas, la capacidad calorífica del calorímetro será una constante propia de cada instrumento.

En general, el calibrado del calorímetro es una operación necesaria para poder evaluar los cambios energéticos de un proceso ó las capacidades caloríficas de los sitemas, toda vez que los cambios de temperatura asociados a los procesos vendrán determinados por la naturaleza y cantidad de materia.

La constante de proporcionalidad C se denomina capacidad calorífica del sistema.

ΔQ =C• ΔT

Esta capacidad calorífica se refiere a la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la extensión de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius)

- Es una constante para cada calorímetro
Se define calor específico c como la cantidad de calor que hay que proporcionar a un gramo de sustancia para que eleve su temperatura en un grado centígrado. En el caso particular del agua c vale 1 cal/(g ºC) ó 4186 J(kg ºK).

La cantidad de calor recibido o cedido por un cuerpo se calcula mediante la siguiente fórmula

Q= m•c•(Tf-Ti)

Donde m es la masa, c es el calor específico, Ti es la temperatura inicial y Tf la temperatura final

Si Ti >Tf el cuerpo cede calor Q<0 el="" cuerpo="" recibe="" calor="" q="">0

El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada sustancia; por el contrario, la capacidad calorífica es una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular.
La conducción de calor en cuerpos sólidos permite medir cuantitativamente el intercambio de calor entre los alrededores y la celda de medida


MATERIALES
• Lata de gaseosa (aluminio)
• Un vaso de icopor con tapa (poliestireno)
• Un pitillo de plastico
• Termometro
• Foamy
• Silicona fria
• Bisturí
• Vasos de precipitado de 250 y 100 mL
• Embudo de vidrio
• Pipeta de 10 mL
• Pipeteador
• Plancha de calentamiento y agitación TechnoKartell (TK22)
• Balanza analítica (Metler Toledo Al204)

REACTIVOS
• Acetato de sodio Carlo ERBA (ACS-ISO-for analysis Reag.USP)


METODOLOGIA
Primera parte: Construcción y calibración del calorímetro
Inicialmente se tomó la lata de aluminio y utilizando el bisturí se le quitó la parte superior. Luego se elaboró en foamy una tapa (que coincidiera con el diámetro de la boca de la lata) a la cual se le abrieron 2 orificios, uno para introducir el agitador y el otro para el termómetro (estos orificios también se le abrieron a la tapa del vaso de icopor). Consecutivamente utilizando este mismo material se recubrió el contorno de la lata (para crear un sistema aislado) pegándolo con silicona liquida y después se tapó el montaje con la tapa de foamy.
En seguida se tomo el vaso de icopor y se introdujo en él el montaje anteriormente realizado de tal forma que permaneciera bien ajustado, luego se cubrió con la tapa de icopor tapándolo bien para así evitar las pérdidas de calor.
El agitador se realizo utilizando 3 pitillos de plástico (uno grande y 2 pequeños), al pitillo grande se le introdujo en uno de los extremos los 2 pequeños con sus puntas dobladas formando una especie de aspas.
Se midió en el vaso de 100 mL el volumen inicial de agua (30 mL) a introducir en el calorímetro a temperatura ambiente.
El agitador se encajó en uno de los orificios de la tapa del montaje y posteriormente con ayuda del embudo de vidrio se introdujo el volumen de agua por el otro orificio, luego de terminar de adicionar el volumen de agua se sacó el embudo y se introdujo el termómetro. Manteniendo una agitación constante se controló la temperatura durante un período de tiempo suficiente hasta que permaneciera constante (esta temperatura se reportó como T1 ambiente).
Consecutivamente se calentó un volumen de agua en el vaso de 2500 mL, utilizando la Plancha de calentamiento y agitación TechnoKartell (TK22), hasta una temperatura de aproximadamente de 45-50 ºC . Enseguida se procedió a tomar el volumen a añadir al calorímetro (30 mL) y se le midió la temperatura (esta temperatura se reportó como T2).

Para la medición de las masas de agua (tanto la de temperatura ambiente m1 como la de agua caliente m2) utilizadas durante la experiencia, se midió inicialmente la masa del vaso de precipitado, añadiéndole a continuación toda el agua y midiendo la masa del conjunto. La diferencia de los dos valores suministró cada una de las masas de agua respectivas.

Finalmente los 30mL de agua caliente se mezclaron con el agua a temperatura ambiente del calorímetro donde se mantuvo una agitación constante y mediante la realización de lecturas en los cambio de temperatura registrados en el termómetro.

Este procedimiento se llevo a cabo tres veces.






Segunda parte: Determinación del calor específico del Acetato de Sodio

Se midió en el vaso de 100 mL el volumen inicial de agua (30 mL) a introducir en el calorímetro a temperatura ambiente.
El agitador se encajó en uno de los orificios de la tapa del montaje y posteriormente con ayuda del embudo de vidrio se introdujo el volumen de agua por el otro orificio, luego de terminar de adicionar el volumen de agua se sacó el embudo y se introdujo el termómetro. Manteniendo una agitación constante se controló la temperatura durante un período de tiempo suficiente hasta que permaneciera constante (esta temperatura se reportó como T1 ambiente).
Posteriormente se pesaron entre 0,1 - 0,2 g de acetato de sodio, él cual también fue añadido al sistema, donde se encontraba el agua a temperatura ambiente, se continuo la agitación hasta que este se diluyera completamente y se conservara una temperatura constante. Enseguida se tomaron 30 mL de agua caliente, se le tomó la temperatura y se peso en la balanza consecutivamente se agregó este volumen de agua al calorímetro. Luego se tapó el vaso y se procedió a agitar. Finalmente se registro el valor de la temperatura obtenidas a medida que pasaba el tiempo cuando la temperatura del termómetro se estabiliza por completo se mide y se obtiene la T final de la mezcla. Este procedimiento se llevo a cabo tres veces.

Datos experimentales
Calibración del calorímetro
Tabla 1
Temperaturas máximas alcanzadas al adicionarle el agua caliente a las muestras

T max muestra 1: 33,5 °C
T max muestra 2: 34 °C
T max muestra 3: 33,5 °C

Tabla 2
Temperaturas máximas alcanzadas al adicionarle el agua caliente a las muestras que contenían el acetato de sodio

T max muestra 1: 34,5 °C
T max muestra 2: 34,5 °C
T max muestra 3: 35,5 °C



Resultados y análisis

- Graficas que registran el comportamiento del cambio de temperatura con respecto al tiempo en cada una de las muestras.
Grafica 1

ΔT = 27,9 °C

Grafica 2

ΔT= 27,85 °C

Grafica 3

ΔT= 28,45 °C

- Graficas que registran el comportamiento del cambio de temperatura con respecto al tiempo al adicionarle acetato de sodio a cada una de las muestras.

Grafica 4

ΔT= 25,6°C

Grafica 5

ΔT=25,7°C

Grafica 6

ΔT= 25°C

Una vez obtenida las graficas que relacionan el comportamiento de la temperatura con respecto al tiempo en el calorímetro y al analizar su comportamiento se observa que la temperatura inicial (To) permaneció constante hasta determinado punto indicando que efectivamente la agitación realizada permitió que se adquiriera una estabilidad térmica en el sistema antes de adicionarle el agua caliente.
Luego de adicionarle el agua caliente la temperatura ascendió bruscamente y después de unos segundos y prácticamente de forma instantánea se efectuó el equilibrio térmico, a partir de ese instante para alcanzar la temperatura final (T) se comenzó a presentar un descenso lento y continuo en los valores de la temperatura hasta que la disolución y el interior del calorímetro alcanzaron el equilibrio térmico (Teq).
Como resultado de la calibración eléctrica se obtiene la constante, C (capacidad calorífica), del calorímetro que está directamente relacionada con la sensibilidad del mismo; en la Tabla 3 se muestran los resultados para dicha constante, cuando se emplea el método de suministro de trabajo eléctrico.

El ΔT en las graficas se calcula mediante el valor que se obtenga en la pendiente que le corresponde a cada una.
Ecuación utilizada para hallar la capacidad calorífica (C) del calorímetro
C = capacidad calorífica del calorímetro (cal/ºC)
Cp H2O = 1 cal/g. oC
m1 = masa acetato de sodio (g)
m2 = masa agua a temperatura caliente (g)
Ti = temperatura ambiente (oC)
T2 = temperatura agua caliente (oC)
Tf = temperatura final (oC)

Con los valores de C se calculó el valor medio de la capacidad calorífica del calorímetro.

Tabla 3

X = valor medio de C

Para calcular la capacidad calorífica del acetato de sodio se despeja c de la fórmula que se aplicó para hallar la capacidad calorífica del calorímetro.


Tabla 4





En la grafica 1 de temperatura vs tiempo se observa un cambio en 1°C, la transición es constante y no presenta cambios bruscos, aunque el cambio no es muy notorio permite identificar la variación de la temperatura en el calorímetro.
De acuerdo a los valores obtenidos en la desviación estándar de cada una de las muestras la segunda muestra presenta una desviación mucho menor esto nos indica que es la medida con mayor precisión en cuanto a la capacidad calorífica teórica del calorímetro.
En la grafica 3 de la temperatura vs tiempo de observa un promedio en la variación de la temperatura de 5,4°C siendo esta la grafica donde se identifica mayor variación en los resultados.
Conclusiones
La efectividad en el funcionamiento del calorímetro elaborado se vio afectada básicamente a los inconvenientes presentados durante la manipulación de la muestra; la temperatura variaba de manera considerable debido a dos razones; la primera se presentaba al momento de pesar la muestra y la segunda al transferir el agua caliente al calorímetro; había una variación en la temperatura de manera casi instantánea, la temperatura descendía en este lapso de tiempo lo cual altero la la lectura en el termómetro , por otra parte el embudo tenía un contacto directo con el ambiente lo cual permitía una pérdida de energía calórica. Todos estos factores afectaron notablemente la precisión del calorímetro.
Para verificar el buen funcionamiento del calorímetro fue necesario realizar su calibración para así determinar su capacidad calorífica, la cual fue óptima ya que no se presentaron valores distantes.
La temperatura de equilibrio en el sistema se ve afectada por el calor específico de las sustancias que interviene en el sistema.

En cuanto valor teórico del calor específico del acetato de sodio (40,2 J/mol-1.K-1) lamentablemente las variaciones ocurridas durante la medición de este valor experimentalmente en el calorímetro no concordaron y se obtuvieron valores muy elevados lo cual indica que para tener una mayor precisión al obtener estos datos es mejor utilizar una resistencia que nos permita mantener la temperatura constante en el sistema para que así el cambio en la temperatura no se vea afectado.

Bibliografía
http://www.scielo.cl/scielo.php?pid=S071807642007000300008&script=sci_arttext
http://www.textoscientificos.com/fisica/calorimetro
http://www.educando.edu.do/sitios/PNC2005/recursos/recursos/Ciencias%20de%20la%20Naturaleza/Fisica/Fisica%20con%20ordenador%20II/estadistica/otros/calorimetro/calorimetro.htm
HANDBOOK OF CHEMISTRY AND PHYSICS , DAVID R, LIDE , editor-in-chief 88th EDITION 2007-2008 , pagina 5-68