TermodinamicaLa termodinamica puede definirse como el tema de la Física que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo.

Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una transferencia de energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura. O sea, el calor es muy semejante al trabajo.

El calor se define como una transferencia de energía debida a una diferencia de temperatura, mientras que el trabajo es una transferencia de energía que no se debe a una diferencia de temperatura.

Al hablar de termodinamica, con frecuencia se usa el término "sistema". Por sistema se entiende un objeto o conjunto de objetos que deseamos considerar. El resto, lo demás en el Universo, que no pertenece al sistema, se conoce como su "ambiente". Se consideran varios tipos de sistemas. En un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas abiertos donde sí puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si no pasa energía en cualquiera de sus formas por sus fronteras.

Previo a profundizar en este tema de la termodinamica, es imprescindible establecer una clara distinción entre tres conceptos básicos: temperatura, calor y energía interna. Como ejemplo ilustrativo, es conveniente recurrir a la teoría cinética de los gases, en que éstos sabemos están constituidos por numerosísimas moléculas en permanente choque entre sí.

La temperatura es una medida de la energía cinética media de las moléculas individuales. El calor es una transferencia de energía, como energía térmica, de un objeto a otro debida a una diferencia de temperatura.

La energía interna (o térmica) es la energía total de todas las moléculas del objeto, o sea incluye energía cinética de traslación, rotación y vibración de las moléculas, energía potencial en moléculas y energía potencial entre moléculas. Para mayor claridad, imaginemos dos barras calientes de un mismo material de igual masa y temperatura. Entre las dos tienen el doble de la energía interna respecto de una sola barra. Notemos que el flujo de calor entre dos objetos depende de sus temperaturas y no de cuánta energía térmica o interna tiene cada uno. El flujo de calor es siempre desde el objeto a mayor temperatura hacia el objeto a menor temperatura.

Primera Ley de la Termodinamica

Esta ley se expresa como:

 Eint = Q - W

Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W)

Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el sistema.

Para entender esta ley, es útil imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica.

Segunda Ley de la Termodinamica

La primera ley nos dice que la energía se conserva. Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley.

En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinamica, que tiene dos enunciados equivalentes:

Enunciado de Kelvin - Planck : Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo.

Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo.

Tercera Ley de la Termodinamica y Ley Cero

Tercera Ley de la Termodinamicay Ley Cero de la TermodinamicaAdemás de la primera y segunda leyes de la termodinámica, existen la ley cero y la tercera ley de la termodinámica.

Ley Cero de la Termodinámica (de Equilibrio):"Si dos objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí".

Como consecuencia de esta ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio térmico entre sí están a la misma temperatura y que si tienen temperaturas diferentes, no se encuentran en equilibrio térmico entre sí.

Tercera Ley de la Termodinámica.

La tercera ley tiene varios enunciados equivalentes:

"No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos"

Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen temperaturas más bajas. El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde aproximadamente a la temperatura de - 273,16ºC. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable.

"La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero".

"La primera y la segunda ley de la termodinámica se pueden aplicar hasta el límite del cero absoluto, siempre y cuando en este límite las variaciones de entropía sean nulas para todo proceso reversible".

Concepto de temperatura

La temperatura es la sensación física que nos produce un cuerpo cuando entramos en contacto con él.

Observamos cambios en los cuerpos cuando cambian su temperatura, por ejemplo, la dilatación que experimenta un cuerpo cuando incrementa su temperatura. Esta propiedad se usa para medir la temperatura de un sistema. Pensemos en los termómetros que consisten en un pequeño depósito de mercurio que asciende por un capilar a medida que se incrementa la temperatura.

 

Concepto de calor

Cuando dos cuerpos A y B que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico, después de un cierto tiempo, alcanzan la condición de equilibrio en la que ambos cuerpos están a la misma temperatura. Un fenómeno físico análogo son los vasos comunicantes.

Supongamos que la temperatura del cuerpo A es mayor que la del cuerpo B, TA>TB.

Observaremos que la temperatura de B se eleva hasta que se hace casi igual a la de A. En el proceso inverso, si el objeto B tiene una temperatura TB>TA, el baño A eleva un poco su temperatura hasta que ambas se igualan.

Cuando un sistema de masa grande se pone en contacto con un sistema de masa pequeña que está a diferente temperatura, la temperatura de equilibrio resultante está próxima a la del sistema grande.

Decimos que una cantidad de calor Q se transfiere desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura.

La cantidad de calor transferida es proporcional al cambio de temperatura T.

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

Q=C·T

Si los cuerpos A y B son los dos componentes de un sistema aislado, el cuerpo que está a mayor temperatura transfiere calor al cuerpo que está a menos temperatura hasta que ambas se igualan

Si TA>TB

El cuerpo A cede calor: QA=CA·(T-TA), entonces QA<0 El cuerpo B recibe calor: QB=CB·(T-TB), entonces QB>0

Como QA+QB=0

La temperatura de equilibrio, se obtiene mediante la media ponderada

La capacidad calorífica de la unidad de masa se denomina calor específico c. C=mc

La fórmula para la transferencia de calor entre los cuerpos se expresa en términos de la masa m, del calor específico c y del cambio de temperatura.

Q=m·c·(Tf-Ti)

donde Tf es la temperatura final y Ti es la temperatura inicial.

El calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de una sustancia para que eleve en un grado centígrado su temperatura.

Joule demostró la equivalencia entre calor y trabajo 1cal=4.186 J. Por razones históricas la unidad de calor no es la misma que la de trabajo, el calor se suele expresar en calorías.

El calor específico del agua es c=1 cal/(g ºC). Hay que suministrar una caloría para que un gramo de agua eleve su temperatura en un grado centígrado.

 

Fundamentos físicos

Cuando varios cuerpos a diferentes temperaturas se encuentran en un recinto adiabático se producen intercambios caloríficos entre ellos alcanzándose la temperatura de equilibrio al cabo de cierto tiempo. Cuando se ha alcanzado este equilibrio se debe cumplir que la suma de las cantidades de calor intercambiadas es cero.

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 unidad de calor específico que más se usa es cal/(g ºC) sin embargo, debemos de ir acostumbrándonos a usar el Sistema Internacional de Unidades de Medida, y expresar el calor específico en J/(kg·K). El factor de conversión es 4186.

Sustancia Calor específico (J/kg·K)

Acero 460

Aluminio 880

Cobre 390

Estaño 230

Hierro 450

Mercurio 138

Oro 130

Plata 235

Plomo 130

Sodio 1300

Fuente: Koshkin N. I., Shirkévich M. G.. Manual de Física Elemental. Editorial Mir 1975, pág 74-75

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 Si Ti<Tf el cuerpo recibe calor Q>0

La experiencia se realiza en un calorímetro consistente en un vaso (Dewar) o en su defecto, convenientemente aislado. El vaso se cierra con una tapa hecha de material aislante, con dos orificios por los que salen un termómetro y el agitador.

Supongamos que el calorímetro está a la temperatura inicial T0, y sea

mv es la masa del vaso del calorímetro y cv su calor específico. mt la masa de la parte sumergida del termómetro y ct su calor específico ma la masa de la parte sumergida del agitador y ca su calor específico M la masa de agua que contiene el vaso, su calor específico es la unidad

Por otra parte:

Sean m y c las masa y el calor específico del cuerpo problema a la temperatura inicial T.

En el equilibrio a la temperatura Te se tendrá la siguiente relación.

(M+mv·cv+mt·ct+ma·ca)(Te-T0)+m·c(Te-T)=0

La capacidad calorífica del calorímetro es

k=mv·cv+mt·ct+ma·ca

se le denomina equivalente en agua del calorímetro, y se expresa en gramos de agua.

Por tanto, representa la cantidad de agua que tiene la misma capacidad calorífica que el vaso del calorímetro, parte sumergida del agitador y del termómetro y es una constante para cada calorímetro.

El calor específico desconocido del será por tanto

En esta fórmula tenemos una cantidad desconocida k, que debemos determinar experimentalmente.

 

Determinación del equivalente en agua del calorímetro

Se ponen M gramos de agua en el calorímetro, se agita, y después de un poco de tiempo, se mide su temperatura T0. A continuación, se vierten m gramos de agua a la temperaturaT. Se agita la mezcla y después de un poco de tiempo, se mide la temperatura de equilibrio Te.

Como el calorímetro es un sistema adibáticamente aislado tendremos que

(M+k)(Te-T0)+m(Te-T)=0

 

Determinación del calor específico del sólido

1. Se pesa con una balanza una pieza de material sólido de calor específico c desconocido, resultando m su masa. Se pone la pieza en agua casi hirviendo a la temperatura T.

2. Se ponen M gramos de agua en el calorímetro, se agita y después de poco de tiempo, se mide su temperatura T0.

3. Se deposita rápidamente la pieza de sólido en el calorímetro. Se agita, y después de un cierto tiempo se alcanza la temperatura de equilibrio Te.

Se apuntan los datos y se despeja c de la fórmula que hemos deducido en el primer apartado.

La experiencia real se debe hacer con mucho cuidado, para que la medida del calor específico sea suficientemente precisa.  Tenemos que tener en cuenta el intercambio de calor entre el calorímetro y la atmósfera que viene expresadas por la denominada ley del enfriamiento de Newton.

 

Actividades

1. Medida del equivalente en agua del calorímetro

El programa interactivo genera un número al azar que representa el equivalente en agua del calorímetro.

Introducimos los siguientes datos:

Masa M de agua en gramos en el calorímetro, Temperatura T0 inicial del calorímetro

Masa m de agua en gramos en una probeta Temperatura T del agua

Se pulsa el botón titulado Preparar, los termómetros y las escalas graduadas de medida del volumen de agua reflejan los valores introducidos.

Si estamos conformes con los datos introducidos, se pulsa el botón titulado Calcular. La masa m de agua se vierte en el calorímetro y en el termómetro podemos leer la temperatura final de equilibrio Te.

Ejemplo:

Sea M=150 g, T0=18ºC Sea m=70 g, y T=80ºC La temperatura de equilibrio es Te=34ºC

El equivalente en agua del calorímetro será

2. Medida del calor específico del sólido

Introducimos los siguientes datos:

Masa M de agua en gramos en el calorímetro, Temperatura T0 inicial del calorímetro

Masa m del sólido en gramos Temperatura T del sólido en el baño

Elegimos en material del sólido en el control selección titulado Sólido: Aluminio, Cobre, Estaño, Hierro, Oro, Plata, Plomo, Sodio.

Se pulsa el botón titulado Preparar.

Si estamos conformes con los datos introducidos, se pulsa el botón titulado Calcular. El sólido se introduce en el calorímetro y en el termómetro podemos leer la temperatura final de equilibrio Te.

Ejemplo:

Agua: M=150 g, T0=18ºC Sólido: aluminio, m=70 g, y T=80ºC La temperatura final de equilibrio es Te=22ºC

Calorimetría diferencial de barridoLa Calorimetría de barrido diferencial (en inglés, Differential Scanning Calorimetry o DSC) es una técnica termoanalítica en la que la diferencia de calor entre una muestra y una referencia es medida como una función de la temperatura. La muestra y la referencia son mantenidas aproximadamente a la misma temperatura a través de un experimento.

Índice  [ocultar] 

1 Métodos de medición 2 Curvas DSC 3 Aplicaciones

o 3.1 Análisis morfológico de materiales o 3.2 Estudio de cristales líquidos o 3.3 Estabilidad de una muestra o 3.4 Industria farmacéutica o 3.5 Investigación alimentaria o 3.6 Estudio de procesos biológicos

4 Véase también 5 Referencias

Métodos de medición[editar]

Calorímetro de barrido diferencial

Generalmente, el programa de temperatura para un análisis DSC es diseñado de tal modo que la temperatura del portador de muestra aumenta linealmente como función del tiempo. La muestra de referencia debería tener una capacidad calorífica bien definida en el intervalo de temperaturas en que vaya a tener lugar el barrido. El principio básico subyacente a esta técnica es que, cuando la muestra experimenta una transformación física tal como una transición de fase, se necesitará que fluya más (o menos) calor a la muestra que a la referencia para mantener ambas a la misma temperatura. El que fluya más o menos calor a la muestra depende de si el proceso es exotérmico oendotérmico.

Por ejemplo, en tanto que una muestra sólida funde a líquida se requerirá que fluya más calor a la muestra para aumentar su temperatura a la misma velocidad que la de referencia. Esto se debe a la absorción de calor de la muestra en tanto ésta experimenta la transición de fase endotérmica desde sólido a líquido. Por el contrario, cuando la muestra experimenta procesos exotérmicos (tales como una cristalización) se requiere menos calor para alcanzar la temperatura de la muestra.

Determinando la diferencia de flujo calorífico entre la muestra y la referencia, los calorímetros DSC son capaces de medir la cantidad de calor absorbido o eliminado

durante tales transiciones. La DSC puede ser utilizada también para determinar cambios de fase más sutiles tales como las transiciones vítreas. La DSC es utilizada ampliamente en la Industria como instrumento de control de calidad debido a su aplicabilidad en valorar la pureza de las muestras y para estudiar el curado de los polímeros.1 2 3

Una técnica alternativa a la DSC es el análisis térmico diferencial (DTA). En esta técnica la magnitud constante no es la temperatura sino el flujo calorífico que se comunica a muestra y referencia. Cuando muestra y referencia son calentadas de modo idéntico, los cambios de fase y otros procesos térmicos producen una diferencia de temperatura entre la muestra y la referencia. Ambas DSC y DTA proporcionan, pues, información similar. No obstante, la DSC es más utilizada que la DTA.1 2 3

Curvas DSC[editar]

El resultado de un experimento DSC es una curva de flujo calorífico versus temperatura o versus tiempo. Existen dos convenciones diferentes al representar los efectos térmicos: las reacciones exotérmicas que exhibe la muestra pueden ser mostradas como picos positivos o negativos dependiendo del tipo de tecnología o de instrumentación utilizadas en la realización del experimento. Los efectos sobre o bajo una curva DSC pueden ser utilizados para calcular entalpías de transiciones. Este cálculo se realiza integrando el pico correspondiente a una transición dada. Así, la entalpía de la transición puede ser expresada por la siguiente ecuación:

ΔH = KA

donde ΔH es la entalpía de la transición, K es la constante calorimétrica y A es el área bajo la curva. La constante calorimétrica variará de instrumento a instrumento, y puede ser determinada analizando una muestra bien caracterizada con entalpías de transición conocidas.2

Aplicaciones[editar]

Análisis morfológico de materiales[editar]La calorimetría de barrido diferencial puede ser utilizada para medir varias propiedades características de una muestra. Usando esta técnica es posible caracterizar procesos como la fusión y la cristalización así como temperaturas de transiciones vítreas (Tg). La DSC puede ser también utilizada para estudiar la oxidación, así como otras reacciones químicas.12 3

Las transiciones vítreas se presentan cuando se aumenta la temperatura de un sólido amorfo. Estas transiciones aparecen como una alteración (o peldaño) en la línea base de la señal DSC registrada. Esto es, debido a que la muestra experimenta un cambio en la capacidad calorífica sin que tenga lugar un cambio de fase formal.1 3

A medida que la temperatura aumenta, un sólido amorfo se hará menos viscoso. En algún momento las moléculas pueden obtener suficiente libertad de movimiento para disponerse por sí mismas en una forma cristalina. Esto es conocido como temperatura de cristalización (Tc). Esta transición de sólido amorfo a sólido cristalino es un proceso exotérmico y da lugar a un pico en la curva DSC. A medida que la temperatura aumenta, la muestra alcanza eventualmente su temperatura de fusión (Tm). El proceso de fusión resulta evidenciado por un pico endotérmico en la curva DSC. La capacidad para determinar temperaturas de transición y entalpías hace de las curvas DSC una herramienta valiosa para producirdiagramas de fase para diversos sistemas químicos.1

Al igual, actualmente se usa en la caracterización de polímeros; es decir en la determinación de sus temperaturas de transición vítrea, puntos de fusión, calor específico y otras propiedades intrínsecas.4

En los últimos años esta tecnología ha sido involucrada en el estudio de materiales metálicos. La caracterización de este tipo de materiales con DSC no es todavía

fácil debido a la escasez de bibliografía al respecto. No obstante, es sabido que es posible utilizar DSC para encontrar temperaturas solidus y liquidus de una aleación metálica, pero las aplicaciones más prometedoras son, por ahora, en el estudio de precipitaciones, zonas Guiner Preston, transiciones de fase, movimiento de dislocaciones, crecimiento de grano, etc.

Estudio de cristales líquidos[editar]La DSC puede también ser utilizada para el estudio de cristales líquidos. En tanto pueden ser definidos como transiciones entre sólidos y líquidos, también pueden ser considerados como un tercer estado, que exhibe propiedades de ambas fases. Éste líquido anisótropo es conocido como un líquido cristalino o un estado mesomorfo. Utilizando la DSC, es posible caracterizar los pequeños cambios energéticos que acompañan a las transiciones desde un sólido a un cristal líquido y desde un cristal líquido a un líquido isótropo.2

Estabilidad de una muestra[editar]La utilización de la calorimetría diferencial de barrido para estudiar la estabilidad a la oxidación de muestras requiere, generalmente, una cámara de muestra hermética. Generalmente, tales ensayos se hacen isotérmicamente (a temperatura constante) cambiando la atmósfera de la muestra. Primeramente, la muestra es sometida a la temperatura de ensayo deseada bajo una atmósfera inerte, usualmente nitrógeno. Después, se adiciona oxígeno al sistema. Cualquier oxidación que tenga lugar es observada como desviación de la línea base. Tales análisis pueden ser utilizados para determinar la estabilidad y las condiciones de almacenamiento óptimo de un compuesto.1

Industria farmacéutica[editar]La DSC es de utilización frecuente en las industrias farmacéuticas y de polímeros.5 6 7 8 Para químicos de polímeros, la DSC es una herramienta común para estudiar procesos de curado, que permite el ajuste fino de propiedades poliméricas. El entrecruzamiento (cross-linking)9 de moléculas poliméricas que tiene lugar en el proceso de curado es exotérmico y da lugar a un pico positivo en la curva DSC que usualmente aparece sucesivamente a la transición vítrea.1 2 3 En la industria farmacéutica es necesario disponer de fármacos y drogas bien caracterizados para definir parámetros de procesado y a efectos de dosificación clínica. Por ejemplo, si es necesario administrar un fármaco en forma amorfa, es deseable procesar el fármaco a temperatures por debajo de aquella a la que la cristalización pueda presentarse.2

Investigación alimentaria[editar]En investigación en alimentaria,10 la DSC se utiliza conjuntamente con otras técnicas térmicas analíticas para determinar la dinámica del agua. Cambios en la distribución del agua pueden ser correlacionados con cambios en la textura. De modo similar a lo que sucede en ciencia de materiales, también puede ser analizado el efecto del curado sobre los productos preparados. El registro de las curvas DSC encuentra también aplicación en la valoración de la pureza de fármacos y polímeros. Esto es posible debido a que el intervalo de temperaturas en que funde una mezcla de compuestos es dependiente de sus cantidades relativas. Este efecto es debido a un fenómeno conocido como depresión del punto de congelación, que se presenta cuando se adiciona a una solución un soluto extraño. (La disminución del punto de congelación del agua por adición de un anticongelante es la que, al evitar la formación de hielo, funcione el automóvil en invierno). Consecuentemente, los compuestos menos puros exhibirán un ensanchamiento del pico de fusión que comienza a temperaturas más bajas que un compuesto puro.2 3

Estudio de procesos biológicos[editar]La calorimetría diferencial de barrido ha encontrado aplicaciones en el establecimiento de rutas metabólicas,11 en taxonomía bacteriana y fúngica12 y en infectividad.13

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CalorimetríaEn qué consisteLa calorimetría indirecta mide el gasto energético, es decir, la energía que el cuerpo necesita para mantener su peso y realizar sus funciones, y las necesidades nutricionales de cada persona.Esta energía procede de las sustancias nutritivas contenidas en los alimentos o nutrientes.

El gasto de energía se determina a partir del intercambio de gases: consumo de oxígeno (O2) y producción de dióxido de carbono (CO2).Todos los alimentos tienen un efecto térmico, ya que se requiere energía para digerir, absorber y metabolizar los nutrientes.La energía química de un nutriente se obtiene después de su completa oxidación. Esto es cierto para las grasas y los carbohidratos (azúcares). En la oxidación de las proteínas, éstas no pueden ser aprovechadas totalmente, siendo eliminada una parte en forma de nitrógeno ureico. Por eso para completar el estudio es necesario contar con el valor del nitrógeno ureico en orina de 24 horas.En el estudio también se obtiene el Cociente Respiratorio (RQ), que relaciona el consumo de oxígeno (O2) y la relación de dióxido de carbono (CO2), y que en condiciones estables refleja los nutrientes que están siendo utilizados por las células para obtener energía. 

Por qué se utilizaAl final del estudio sabremos la energía que utiliza cada persona en calorías. Esto lo compararemos con lo que se espera que esa persona consuma por su peso, talla, edad, actividad habitual. Así podremos determinar si es NORMOMETABÓLICO, HIPOMETABÓLICO o HIPERMETABÓLICO.También nos indicará qué nutrientes (grasas, azúcares, proteínas) y en qué proporción se están utilizando para aportar esta energía.En el caso de la obesidad se puede hacer una dieta personalizada con las necesidades calóricas del paciente y el tipo de nutrientes que ésta utiliza mejor. También podemos insistir en buscar un aumento del gasto energético en aquellos pacientes que la tengan muy disminuida: HipometabólicosSe puede utilizar también para aquellas personas que tienen que ganar peso ya que sabremos lo que gastan cada día y entonces podremos indicar una alimentación un poco más calórica que su gasto.

Como se realiza, aspectos prácticos

No es una prueba molesta por lo que se puede realizar a cualquier paciente, en el caso de los niños a partir de unos 5-6 años ya que se necesita que el paciente se mantenga quieto durante unos 20 minutos.El estudio se practica "preferiblemente" a primera hora del día, ya que requiere ausencia de ejercicio previo y ayuno de 6-12 horas. La duración de la prueba es de unos 30 minutos en los que el paciente debe estar en reposo, a una temperatura estable y sin dormirse.Es necesario aportar la orina de 24 horas para la valoración del balance nitrogenado, junto con un recordatorio alimentario de lo que se haya ingerido (comidas y bebidas) los dos días anteriores a la prueba.

Calorímetro

El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.

El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica.

Los calorímetros suelen incluir su equivalente, para facilitar cálculos. El equivalente en agua del calorímetro es la masa de agua que se comportaría igual que el calorímetro y que perdería igual calor en las mismas circunstancias. De esta forma, solo hay que sumar al agua la cantidad de equivalentes.

El nombre del calorímetro se debe a Antoine Lavoisier.1 En 1780, utilizó un conejillo de indias en sus experimentos con este dispositivo para medir la producción de calor. El calor de la respiración del conejillo de indias fundía la nieve que rodeaba el calorímetro,

mostrando que el intercambio de gas respiratorio es una combustión, similar a una vela encendida.2

Índice  [ocultar] 

1 Calorímetro de carga seca o 1.1 Funcionamiento básico o 1.2 Efecto Peltier

2 Microcalorímetro o 2.1 Funcionamiento o 2.2 Procedimiento de calibración

3 Calorímetro de flujo o 3.1 Características

4 Véase también 5 Enlaces externos

Calorímetro de carga seca[editar]

En comparación con los instrumentos posteriores la precisión era muy modesta con una incertidumbre de 2% para la versión coaxial y 1 a 2,5% para las versiones de guía de ondas. No obstante, estos diseños establecieron la dirección general para los siguientes instrumentos.

Nueva precisión en cargas y conectores desarrollados en los años 60 llevaron a una nueva generación de calorímetros coaxiales con mejor rendimiento e incertidumbre debajo de 0,5% para frecuencias mayores de los 8 GHz.

Los calorímetros operan a niveles de potencia entre 100 mW y 10 W respectivamente.

La carga de un calorímetro es un elemento crítico. Es deseable que ésta pueda ser acoplada eléctricamente y que tenga un muy pequeño error de equivalencia, que es igual a la rf disipada y a la potencia dc que pueden producir la misma lectura de temperatura.

Componentes esenciales:

la carga donde la potencia es disipada. línea de transmisión aislada isotérmicamente la cual conecta la entrada a la carga. un sensor de temperatura.

Funcionamiento básico[editar]Muchos calorímetros utilizan el principio de carga dual, en el cual una absorbe mientras que la segunda actúa como temperatura de referencia: mientras más aumenta el calor, lo mismo pasa con la temperatura.

El sensor de temperatura registra la diferencia entre las temperaturas de las dos cargas.

En teoría, los efectos de las fluctuaciones de la temperatura externa se cancelan debido a la simetría. Sin embargo, si los alrededores no tienen una temperatura uniforme, el gradiente de temperatura puede causar error.

El elemento de absorción de la carga es usualmente un thin film resistor, aunque dieléctricos de bajas pérdidas son usados para las versiones de guías de ondas. El sensor de temperatura es montado en el lado de afuera de la carga en una posición donde no es influenciado directamente por los campos electromagnéticos. Siendo ésta una de las características distintivas de un calorímetro y es esencial para su alta precisión.

Efecto Peltier[editar]

Consiste en que la circulación de corriente en un sentido produce un calentamiento y al circular en el otro sentido produce un enfriamiento.

Microcalorímetro[editar]

Es el tipo de calorímetro más usado. Estrictamente hablando, no es un medidor de potencia pero es un instrumento para determinar la eficiencia efectiva de un montaje bolométrico.

Fue originalmente inventado para la calibración de metal wire bolometers, pero termistores y películas bolométricas también pueden ser calibradas por este método.

Funcionamiento[editar]Antes de comenzar la medición, el montaje bolométrico es insertado dentro del calorímetro, donde actúa como la carga, cuando la medición es completada el bolómetro es removido y entonces puede ser usado como una referencia calibrada.

Procedimiento de calibración[editar]El puente suple una dc para mantener la resistencia del elemento bolómetro a un valor especificado r. Antes de comenzar la medición rf la sensitividad g1 de la termopila es determinada (v/w) notando la subida en voltaje de salida de la termopila cuando la dc es aplicada.

Cuando la potencia rf es aplicada, la potencia disipada en el elemento es mantenida constante por el puente, pero la potencia es disipada adicionalmente en las paredes y en cualquier otro lugar del montaje.

Calorímetro de flujo[editar]

La potencia es medida a través del calor de un fluido que fluye a través de la carga. Una indicación de la potencia es dada por la subida en la temperatura del fluido pasando del orificio de entrada al de salida.

Características[editar]Las versiones de guías de ondas utilizan como fluido de trabajo agua. Mientras que el coaxial utiliza aceite y es construido para bajas frecuencias. Aire también puede ser usado, pero el uso de gases crea un problema adicional a causa del calor debido a la compresibilidad.

Los calorímetros de flujo pueden manejar mayores potencias que los tipos estáticos. Su principal aplicación es para potencias de muchos watts. Para medir las subidas de temperatura en un calorímetro usualmente se emplean termopilas, termómetros de resistencia y algunas veces termistores.

Un calorímetro mide el calor de una reacción durante un proceso químico, o en su lugar, la cantidad de calor transferida desde o hacia un objeto en particular. Estos dispositivos pueden ser tan simples como una taza de telgopor, o tan complejos como una maquinaria altamente tecnológica. Muchos tipos de calorímetros existentes están pensados

para su uso en el aula de física y en laboratorios profesionales para determinar cosas tales como el número de calorías de un alimento.

Calorímetro de presión constanteEn un calorímetro de presión constante, la reacción se lleva a cabo en una solución en la cual la presión atmosférica es constante. El calorímetro mide el cambio en la entalpía, que es una medida del calor total contenido por un sistema. Los calorímetros de presión constante son sencillos de construir, y son los que se utilizan en el aula de física. Los estudiantes de física pueden visualizar la teoría detrás de un calorímetro usando una taza de telgopor y un termómetro, con accesorios tales como una varilla para agitar, una tapa o hielo. Los alumnos pueden usar este rudimentario calorímetro de presión constante para medir el calor, o energía, ganado o perdido dentro de la taza. De acuerdo con las leyes de la física, cuando el agua pierde o gana energía, su temperatura cambia. Puedes verificar el cambio de temperatura en el agua dentro de la taza mientras modificas las variables, por ejemplo añadiendo un cubo de hielo, agitando el agua o colocando una tapa.

Bomba o calorímetro de volumen constanteLa bomba, o calorímetro de volumen constante, se usa para medir cosas como una reacción de combustión. Esta información es útil para determinar la cantidad de calor (calorías) en alimentos y combustibles. Se crea una reacción en una cámara diseñada para soportar altas temperaturas y explosiones. La cámara está rodeada por una camisa de agua que se calienta con la energía proveniente de la reacción. Luego de finalizada la reacción, los científicos miden la temperatura del agua para determinar la cantidad de energía liberada.

Calorimetría de exploración diferencialLa calorimetría de exploración diferencial es útil para medir cambios moleculares. Los científicos toman muestras controladas y calentadas de biomoléculas, polímeros u otras moléculas, y miden cómo el calor fluye hacia y desde la muestra. Esto puede ayudar a determinar la estabilidad de una molécula en su fórmula, y cómo los cambios en el ambiente afectan la estabilidad. Por ejemplo, un estudio del la revisa científica "Journal of Agriculture and Food Chemistry", midió cómo añadir varios jarabes industriales de azúcar a la miel impactaba en el comportamiento de ésta a la hora de ser calentada. La calorimetría de exploración diferencial tiene aplicaciones en estudios alimenticios y farmacéuticos.

Otros calorímetrosLas variaciones de estos tipos de calorímetros básicos existen, incluyendo el calorímetro tipo Calvet, el calorímetro adiabático y de reacción, entre otros. Los calorímetros tipo Calvet se basan en un sensor tridimensional de flujo para detectar la transmisión de calor. Los calorímetros adiabáticos miden las reacciones a calor constante, aquellas que producen en un proceso adiabático, un término de la termodinámica. Como los calorímetros bomba, los calorímetros de

reacción trabajan creando una reacción en un recipiente cerrado y midiendo el efecto sobre el calor.

¿Qué son los calorímetros?

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Publicado por Silja

Los calorímetros, como su propio nombre indica, son instrumentos que sirven para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Hay muchos tipos de calorímetros (adiabático, de carga seca, microcalorímetro, etc.), pero vamos a centrarnos de forma más específica en los calorímetros para calefacción, pues son los que van a ayudar directamente al ahorro energético en nuestras viviendas .

La medición individual de la energía consumida en cada vivienda va a proporcionar un ahorro energético en muchas familias que actualmente pagan gastos de comunidad exagerados y no adecuados al uso que ellos deberían hacer de la calefacción. De ahí que a día de hoy se plantee como algo imprescindible modificar las instalaciones centralizadas e

incorporar calorímetros de calefacción central, bien por vivienda o individuales en cada radiador, según la antigüedad de la instalación lo permita.

Problemas de la calefacción centralEn muchas comunidades con calefacción central, donde la caldera es comunitaria, se marca un horario durante el cual se enciende la caldera y funciona la calefacción central. Generalmente, todo el mundo enciende en ese momento los radiadores (o los deja siempre encendidos), incluso si van a estar todo el día fuera trabajando, pues quieren tener la casa caliente al llegar.

¿Pero no resulta completamente absurdo estar calentando el aire durante 10 horas si sólo vamos a hacer uso de la vivienda las dos últimas? La respuesta de muchos es: “Total, voy a pagar lo mismo”. No es más que una muestra de nuestro egoísmo, de la gente que piensa que por ahorrar ellos energía van a estar ahorrándosela a todos sus vecinos, pero que ellos apenas lo notarán en su factura.

Pero, ¿y si cada minuto que permanece encendido un radiador repercutiese directamente en nuestro bolsillo? Seguro que nuestros hábitos cambiarían radicalmente.

NormativaDe ahí que la normativa (para viviendas con calefacción central) obligue antes del 1 de enero de 2017 a tener instalados dispositivos de medición individuales en cada vivienda, para facilitar la lectura y liquidación de los costes de calefacción por vivienda.

Estos calorímetros de calefacción o “repartidores de costes de calefacción”, son unos dispositivos que se vienen utilizando desde hace muchos años en otros países europeos, y que permiten la medición del calor emitido por cada radiador. Una vez instalados en el radiador, sus consumos se recogen telemáticamente, por lo que no es necesaria una lectura física de los mismos.

¿Cómo funcionan estos calorímetros?Estos calorímetros deben cumplir con el marcado CE y la normativa UNE EN 834:1994, y su funcionamiento es sencillo.

Los calorímetros miden dos temperaturas: la del radiador y la del ambiente, entendiendo que la calefacción está en marcha cuando la diferencia entre ambas es muy elevada. Si es menor de 4 grados, el calorímetro entenderá que la calefacción no está funcionando.

Además, el calorímetro establece una diferenciación por estaciones, empezando a medir consumos cuando la temperatura supera los 40 grados en verano, o los 29 grados en invierno.