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C.F.G.S. LABORATORIO DE ANLISIS Y CONTROL DE CALIDAD MDULO: ENSAYOS FISICO-QUIMICOS

IES MEDITERRNEO CURSO 2012/2013

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TEMA 2. CALORIMETRIA

1. DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA

Disponemos de 3 recipientes que contienen agua a diferentes temperaturas:

0C, 20C, 40C.

0C 20C 40C

En principio, no sabemos cul est ms caliente:

- Si primero introducimos la mano en 0 C, y luego en 20 C, diremos que ste ltimo est caliente. Si primero lo hacemos en 40 C, y luego en 20 C, diremos

que est fro.

- Si medimos la T s podemos decir cul est a una determinada temperatura: 0 C, 20 C, 40 C. As, la temperatura nos permite afirmar lo caliente o fro que

se encuentra un cuerpo.

NOS CONFUNDIMOS MUCHO AL HABLAR DE CALOR CUANDO

REALMENTE NOS REFERIMOS A T!!!!:

Este cuerpo est ms caliente que aquel: EST A MAYOR TEMPERATURA!!!!

Los cuerpos no poseen calor, sino que tienen determinada T. La T es una caracterstica

de los cuerpos, como es la masa, el volumen,..

La Temperatura es una magnitud fsica fundamental, como lo es el espacio, el tiempo y

la masa.

La Temperatura es una propiedad de la materia que es una medida del nivel trmico de

los cuerpos o el nivel de agitacin de las molculas de los cuerpos. Es independiente de

la masa del cuerpo, y se puede medir directamente con un instrumento de medida

adecuado como el termmetro. La T la miden los termmetros. La unidad de T en el

S.I. es el grado Kelvin.



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CALOR:

T1 T2 T1 T2 ( = T)

FLUJO DE CALOR

T1 >T2

-Un cuerpo, por el hecho de encontrarse a determinada T, posee cierta energa que

recibe el nombre de energa interna.

-Al poner en contacto dos cuerpos que se encuentran a diferente T, se transfiere energa

del que ms tiene al que menos tiene, hasta que se igualan las temperaturas.

Llamamos calor a la cantidad de energa transferida de un cuerpo caliente a otro fro, al

ponerlos en contacto.

El trmino calor slo tiene sentido al poner en contacto cuerpos de distinta temperatura.

2. MEDIDA DE TEMPERATURAS

La temperatura se mide en termmetros.

TIPOS DE TERMOMETROS: Hay varios tipos de termmetros, entre los cuales,

distinguimos los siguientes:

-Termmetro de mercurio: Consta de un pequeo depsito de vidrio, lleno de mercurio

que va unido a un tubo capilar. (Est formado por un capilar de vidrio de dimetro

uniforme comunicado por un extremo con una ampolla llena de mercurio. Cuando la

temperatura aumenta, el mercurio se dilata y asciende por el capilar). Su fundamento

est en que el mercurio tiene una mayor dilatacin que el vidrio donde est contenido y

eso hace que suba la columna de mercurio. La altura que alcanza el lquido

termomtrico sirve para medir la temperatura. Una escala indica la temperatura en

grados.



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-Termmetro de alcohol: Se utiliza como lquido termomtrico alcohol en vez de

mercurio.

-Termmetro bimetlico: Consta de una espiral bimetlica que por variacin de la

temperatura cambia su curvatura, debido a los coeficientes de dilatacin.

El bimetal est formado por dos lminas soldadas de diferentes metales (por ejemplo,

Fe y Al), que tienen diferente coeficiente de dilatacin, por lo que cambian de curvatura

cuando se somete a una variacin de temperatura. Uno de los extremos est fijo y el otro

libre, lo que hace que al curvarse la lmina bimetlica, el extremo libre se desplaza y

mueve una aguja indicadora.

-Termmetro de resistencia elctrica: Este termmetro se basa en el hecho de que la

resistencia de un conductor metlico depende de la temperatura. Como metales se

emplea el platino o el nquel.

Si se calienta un hilo conductor, su resistencia aumenta, y por tanto disminuye la

intensidad de la corriente suministrada por una batera. Esta corriente se mide con un

ampermetro.



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-Termopar: Est formado por dos hilos de metales diferentes, soldados entre s por un

extremo. Si se calienta la soldadura se obtiene una diferencia de tensin elctrica cuya

magnitud sirve para medir la temperatura.

Slo sirven los metales que generen una tensin suficientemente alta para poder

medirla. Los metales usados son hierroconstantn (aleacin Cu-Ni), nquel-cromo-nquel, platino-platino-rodio.

-Pirmetro ptico: Es un termmetro que mide la temperatura a distancia y consiste en

comparar el color del cuerpo incandescente cuya temperatura se quiere medir y el de un

hilo fino calentado elctricamente. Variando la intensidad de la corriente se puede hacer

que el color del hilo incandescente sea igual que el del cuerpo cuya temperatura

queremos medir. La intensidad de la corriente se mide con un ampermetro cuya escala

nos da directamente los grados centgrados.

-Termmetro infrarrojo: Es un termmetro que mide la temperatura a distancia, sin

contacto con el foco de calor.

Los termmetros infrarrojos utilizan la propiedad que tienen los cuerpos de emitir

radiaciones infrarrojas proporcionales a su temperatura. Se ayudan de un rayo lser para

enfocar el punto donde es necesario medir la temperatura.



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ESCALAS TERMOMTRICAS

a) Escala centgrada o Celsius: Se le asigna el punto 0 al punto de fusin del hielo y el

punto 100 al punto de ebullicin del agua.

1 C corresponde a 1/100 del intervalo comprendido entre los valores 0 y 100, o

intervalo fundamental. El grado Celsius o Centgrado ( C) es la unidad de temperatura

en esta escala.

b) Escala absoluta o Kelvin: Toma como base el cero real o cero absoluto; es decir, el

punto donde no exista temperatura, que Kelvin demostr que ese punto corresponde

muy aproximadamente al -273 C.

C) Escala Fahrenheit: En ella se asigna el valor 32 al punto de fusin del hielo, y 212

al punto de ebullicin del agua. Por tanto, 1 F corresponde a 1/180 del intervalo

fundamental.

EQUIVALENCIA ENTRE LAS TRES ESCALAS:

F = ( C * 1,8) + 32

Normalmente resulta ms usual esta expresin:

C/100 = (F 32)/180 = (K 273)/100

simplificando queda la expresin:

C /5 = (F 32)/9 = (K 273)/5

C = 5/9 * F 32

K = C + 273,15

C = K 273,15

F = 9/5 * C + 32

1. Transforma las siguientes temperaturas:

a) 25 C K

b) 72 F K

c) 148 F C

d) 32 K C

e) 32 K F



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3. MEDIDA DEL CALOR

CALOR: Es la energa que se transfiere de un cuerpo a otro.

Cuanto ms tiempo se calienta un cuerpo, mayor ser la cantidad de calor que se aporte

al mismo. La cantidad de calor suministrada por la fuente de calor depender pues del

tiempo durante el que se est calentando el cuerpo.

3.1. FACTORES DE LOS QUE DEPENDE EL CALOR TRANSFERIDO.

- Temperatura a la que se encuentra un cuerpo. Ej: Si un cuerpo se encuentra a 48C,

el tiempo empleado en calentarlo hasta 50C es menor que si hubiera estado a 20 C.

- Masa de un cuerpo Ej: No se necesita el mismo tiempo para calentar un cuerpo de 1

Kg que otro de 10 Kg si inicialmente estaban a la misma temperatura y eran de la

misma naturaleza.

- Naturaleza del cuerpo Ej: Existen cuerpos como el hierro, que se calientan ms fcil

(ms rpido) que el agua. La naturaleza del cuerpo influye asimismo en el tiempo que

tarda en calentarse.

Cuanto ms tiempo calentemos un cuerpo, mayor ser la cantidad de calor transferida.

Por ello, decimos que el calor que se comunica depende de los tres factores citados.

La expresin que recoge todo lo anterior es:

Q = m * c * T

Q: Cantidad de calor transferida.

c: Constante que depende de la naturaleza de la sustancia.

m: Masa de la sustancia.

T: Diferencia de temperatura entre estado inicial y final.

Ejercicio: Supn que para determinado cuerpo la constante c toma el valor de 4,2 * 103

U.I. Si su masa es de 1 kg e inicialmente se encuentra a una temperatura de 25 C:

a) Determina la cantidad de calor necesario para aumentar la temperatura del cuerpo

hasta 35 C.

b) Si comunicas la misma cantidad de calor a un cuerpo de la misma naturaleza, pero

cuya masa es de 5 Kg, cul sera su temperatura final? Exprsala en F, K, C.

3.2. CALOR ESPECIFICO DE UN CUERPO.

Calor especfico: Es la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado la

temperatura de un cuerpo de un Kg de masa.

c esp = cal / g * C o c esp = J / kg * K

La unidad de energa en el Sistema Internacional es el Julio. La unidad del calor

especfico en el Sistema Internacional es el J / kg * K



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Calora: Es la cantidad de calor necesario para elevar un grado la temperatura de un

gramo de agua.

El calor especfico del agua es 1 cal / g * C y en el S.I.: 4180 J / kg * K.

1 cal / g * C J / kg * K

Teniendo en cuenta que:

1 cal = 4,18 J o 1 J = 0,24 cal

1 cal / g * C * 4,18 J / 1 cal * 1000 g / 1 Kg * 1 C / 1 K = 4180 J / Kg * K

3.3. TEMPERATURA DE EQUILIBRIO

Es la temperatura final que se alcanza cuando se mezclan dos sustancias con

temperaturas diferentes.

Ejemplo: Se introduce un trozo de hierro de 100 g de masa que se encuentra a 80 C en

un recipiente con 250 g de agua, inicialmente a 20 C. Cul sera la temperatura de

equilibrio?

AGUA: 250 g, 20 C.

Trozo de hierro: 100 g, 80 C.

CUERPO QUE GANA CALOR: AGUA.

CUERPO QUE CEDE CALOR: TROZO DE HIERRO.

CALOR GANADO = - CALOR PERDIDO (CEDIDO).

Qg = - Qc

Qg = m * ce* T = m * ce * (Tf Ti) Qc = m * ce * T = m * ce* (Tf Ti)

OJO!!!!! TODAS LAS MAGNITUDES DEBEN ESTAR EXPRESADAS EN SUS

CORRESPONDIENTES UNIDADES

OTRA FORMA DE HACERLO:

Qg = Qc

Qg = m * ce* T = m * ce * (Tf Ti) Qc = m * ce * T = m * ce* (Ti Tf)

OJO!!!!! PRESTAR MXIMA ATENCIN A LOS SIGNOS Y A LAS

TEMPERATURAS

Solucin: 295,5 K



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EQUIVALENTE EN AGUA DE UN CALORIMETRO: No todo el calor cedido por

el cuerpo lo capta el otro cuerpo, ya que parte de dicho calor es captado por el vaso del

calormetro, termmetro, agitador. La energa que captan todos ellos debera sumarse a

la captada por el agua para que la igualdad de calores se cumpliera exactamente.

As, el equivalente en agua es la cantidad de agua que captara la misma cantidad de

energa que captan el calormetro, termmetro y agitador. Este parmetro es el primero

que hay que determinar para poder usar el calormetro, pues es un trmino que se

necesita introducir en los clculos.

Qg = (m + ) * ce * T = m * ce * (Tf Ti)

Qc = m * ce * T = m * ce* (Ti Tf)

Q g = Qc

: Equivalente en agua (g).

4. CAMBIOS DE ESTADO

El paso de un estado a otro depende de la cantidad de energa que posee el cuerpo de

forma que si sta disminuye, un cuerpo en estado gaseoso pasa a estado lquido o

incluso a slido y viceversa.

4.1. CALOR LATENTE

Mientras coexistan dos fases de una sustancia pura la temperatura se mantiene constante

(si la presin no cambia). El calor intercambiado se est usando en cambiar los enlaces

entre tomos o molculas de la sustancia y no en incrementar su temperatura. Hay una

capacidad calorfica latente en la sustancia.

El calor latente es la energa que es necesario aportar a la unidad de masa de una

sustancia para hacerla cambiar de estado. Esta magnitud depende nicamente de la

naturaleza de la sustancia.

Existen por tanto:

- Calores latentes de evaporacin ( L G)

- Calores latentes de fusin ( S L )

- .

Ejemplo: 1 Kg de agua absorbe 540 Kcal para vaporizarse.

La unidad en el Sistema Internacional del calor latente es el Julio / kg, y su smbolo es

Lf para el calor latente de fusin y Lv para el de vaporizacin.



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EJERCICIO:

Se calienta un trozo de hielo de 250 g de masa, que se encuentra a -20 C, hasta

transformarlo en vapor de agua a 110 C. Qu cantidad de energa se necesita en el

proceso?

DATOS:

ce hielo: 2090 J / kg * K

Lf hielo: 334,4 * 103 J / kg

ce vapor agua: 1920 J / kg* K

ce agua: 4180 J / kg * K

Lv vapor: 2245 * 10 3

J / kg

Solucin: La energa comunicada en total resulta ser de: 764600 J.

Q= m * ce *T (VARIACION DE TEMPERATURA) Q = m * L (CAMBIO DE ESTADO)

Q comunicado = Qi L : Lf o Lv.

UNIDADES:

Q: J, KJ, cal o Kcal.

m: kg o g.

ce: J / kg * K o cal / g * C.

L: J / kg o cal / g.

5. GASES

Una propiedad comn a todos los cuerpos es que al calentarlos aumentan su volumen,

es decir, se dilatan.

Cada sustancia, cuando se encuentra en estado slido o lquido, se dilata de forma

diferente segn su naturaleza. Con los gases, curiosamente no ocurre as. Para su

estudio, vamos a ver qu relacin existe entre Volumen y T, y entre Presin y T.



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5.1. LEY DE BOYLE. RELACIN V Y P

Esta ley fue enunciada en el 1662. Se observa experimentalmente que el volumen de

una determinada masa de gas decrece al aumentar la presin y viceversa, siempre que se

mantenga constante la temperatura.

La ley puede enunciarse diciendo, que para una masa de gas determinada a temperatura

constante el producto de la presin por el volumen es constante.

P V = cte

P1 V1 = P2 V2

No importan las unidades siempre que sean iguales (da igual atm que mmHg)

5.2. LEY DE CHARLES. VOLUMEN FRENTE A TEMPERATURA

Al calentar un gas aumenta su volumen, siempre que se mantengan constantes la masa

de gas y la presin.

Charles observ que todos los gases se expanden o contraen de igual modo,

independientemente de su naturaleza al aumentar o al disminuir la temperatura, siendo

este incremento de volumen lineal con la temperatura.

Matemticamente podemos escribir, que para:

- Masa de gas cte.

- P = cte

Si para una temperatura centgrada T=0 el volumen de esa masa de gas a una P es Vo, el

volumen a cualquier otra temperatura t se puede expresar como:

V (t) = V0 (1 + t )

Es decir, el cambio de volumen resulta proporcional a la variacin de T (T- To) y el

volumen inicial del gas (Vo)

V Vo = * Vo * (T To)

Siendo el coeficiente de dilatacin del gas. Profundizando en el razonamiento, si comparo el volumen de un gas en dos situaciones

de temperatura T1 y T2 (masa de gas constante y presin constante en las dos

experiencias) podemos escribir:

V ( t1 ) = V0 (1 + t1 ) V ( t1 ) = 1/ + t1 V ( t2 ) = V0 (1 + t2 ) V ( t2 ) 1/ + t2

Experimentalmente se comprueba que 1/ = 273,15 = 273,15 + t1 = T1 273,15 + t2 T2 Por tanto,

V1 = T1 V1 = V2

V2 T2 T1 T2



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Es decir,

V / T = cte

Esta ley queda as enunciada en funcin de una escala de temperaturas que llamamos

absoluta o escala Kelvin, cuya relacin es:

Tabsoluta = Tcentgrada + 273

OJO!!!!! LAS TEMPERATURAS EN ESTAS RELACIONES TIENEN QUE

MEDIRSE SIEMPRE EN KELVIN

5.1. LEY GAY - LUSSAC

Este fsico estudi el comportamiento de los gases al calentarlos, usando un recipiente

cuyo volumen era constante. Observ que al calentar el gas, su volumen no vara, pero

s lo hace la presin que ejerce sobre el recipiente. La relacin que obtuvo entre P y T

del gas a V cte es del tipo:

P Po = * Po * (T- To)

lo que nos indica que el aumento de P producido es proporcional a la P inicial (Po) y al

incremento de T. El valor del coeficiente es constante para todos los gases.

Los resultados de Gay Lussac se pueden expresar mediante la ecuacin:

P / T = cte

OJO!!!!! LAS TEMPERATURAS EN ESTAS RELACIONES TIENEN QUE

MEDIRSE SIEMPRE EN KELVIN

5.2. TEMPERATURA Y PRESIN NORMALES

El volumen de gas no es un dato suficiente para saber qu masa de gas hay, por eso se

establecen unas condiciones definidas:

Condiciones normales: Condiciones estndar: Temperatura = 0 C Temperatura = 25 C

P = 1 atm P = 1 atm

Unidades de presin:

1 atm = 760 mm Hg

1 atm = 1,013 bar = 1013 mbar

1 atm. = 1,0332 Kg / cm2

1 atm. = 14,696 psi

Si P = fuerza / superficie = N/m2 = Pascal (Pa) ; 1 atm = 10

5 Pa



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5.3. VOLMENES IGUALES DE GASES. LEY DE AVOGADRO

Volmenes iguales de gases medidos en iguales condiciones de presin y temperatura

contienen el mismo nmero de molculas.

Es decir, que 1 m3 de H2 (gas ligero) en unas condiciones tiene el mismo nmero de

molculas que 1 m3 de Cl2 (gas pesado) (evidentemente sus masas sern diferentes).

Experimentalmente se comprueba que 1 mol de cualquier gas medido en

condiciones normales ocupa 22,4 l. Por tanto el volumen de un gas es una constante

por el nmero de moles (a igualdad de otras variables).

5.4. LEY DE LOS GASES IDEALES

Las variables V, P y T se denominan variables de estado del gas y determinan el

estado en que se encuentra el gas en cualquier momento.

El enunciado clsico de la ley de gases ideales se obtiene a partir de las leyes

anteriores. El concepto de gas ideal no queda muy claro, en ocasiones se dice que gas

ideal es el que cumple esta ley.

Ley Boyle PV = cte1 V = cte1 / P

V = cte T n / P

Ley Charles V / T = cte2 V = cte2T

Avogadro V = cte3 n V = cte3 n

V = R T n / P P V = n R T

R = 0,082 atm l / K mol Es vlida para gases ideales

R = 8,314 Jul / mol K

En principio, los gases habituales a presiones medias y bajas y temperaturas

ambientales y altas cumplen aceptablemente esta ley.

EJERCICIOS:

1. Cierto gas ocupa un volumen de 2 l a 5C y 1 atm de P. Si calentamos el gas:

a) Manteniendo cte la P, qu volumen ocupa ste cuando se alcanza una temperatura

de 50 C?

b) Manteniendo constante el volumen, qu P ejercer ste cuando se alcanza una T de

50C?

2. Cierto gas ocupa un volumen de 10 L, cuando se encuentra a una P de 1 atm y 0C de

T. Qu volumen ocupar al aplicar sobre l una P de 2 atm, si su T sube hasta 20C?



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NOTAS ACLARATORIAS: ( til para relacin de problemas )

- Se dice que un sistema es abierto cuando existe intercambio de materia y energa con

el exterior.

- Un sistema es cerrado s intercambia energa con el exterior, pero no materia.

- Un sistema es aislado cuando no intercambia ni materia ni energa con el exterior.

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