CALORÍMETROS

Un calorímetro ideal es un recipiente (llamado recipiente adiabático) que no permite el intercambio de calor con el medio ambiente. Es decir que no permite que haya flujo de calor entre el interior y el exterior. Por lo tanto si colocamos dos cuerpos a distinta temperatura dentro de un calorímetro, se producirá una transferencia de calor, siendo el calor absorbido por el cuerpo que está a menor temperatura, igual al calor entregado por el otro a mayor temperatura, hasta llegar a un equilibrio térmico en el instante en que los dos cuerpos alcanzan la misma temperatura, instante en que se detiene la transferencia de calor.

Si suponemos que no se produce ninguna reacción química que pueda entregar o liberar calor, ni trabajo mecánico que pueda ser transformado en calor (que veremos en primer principio), al colocar dos o más cuerpos en un calorímetro la suma de los intercambios de calor (con su signo) debe ser cero, ya que esta aislado del exterior:

∑Q = 0

 ¡Esto es muy sencillo! Si tenemos solamente dos cuerpos y un cuerpo absorbe, por ejemplo, 10 calorías, el otro debe liberar también 10 calorías.

Ejemplo 3:

Si en un calorímetro ideal colocamos 1litro de agua a 20 °C y un cuerpo de cobre a 100°C, siendo su masa de 500 g. ¿Cuál será la temperatura del sistema al alcanzar el equilibrio?

Al ponerse en contacto el cuerpo de mayor temperatura cede calor disminuyendo su temperatura y el de menor temperatura absorbe calor aumentando su temperatura, hasta alcanzar ambos cuerpos una misma temperatura:

Notemos que la temperatura de equilibrio estará siempre entre las temperaturas iniciales de ambos cuerpos (20°C y 100°C). Como el agua pasa de 20°C a 23,81°C siempre permanece en estado líquido (recordemos que la temperatura de ebullición del agua es de 100°C), y el cobre se mantiene en estado sólido, en este problema no hay ningún cambio de estado.

Cuando suceden cambios de estado hay que hacer un análisis un poco más difícil…..

Ejemplo 4:

En un calorímetro adiabático se colocan 200 g de hielo a –20ºC y 2 kg de cobre a 220ºC. Utilizando los datos de las tablas de calores específicos y latentes  determine el estado de equilibrio.

Nuevamente no sabemos cual va a ser el estado final del hielo (si va a mantenerse en hielo se derrite totalmente, etc.). Por eso calcularemos cuántas calorías debe recibir el hielo para convertirse en agua a 0ºC y cuantas calorías entregará el cobre al bajar su temperatura hasta los 0ºC:

En total el hielo necesita recibir 18.000 cal (2000+16000) para pasar a agua a 0ºC. Veamos cuantas calorías cedería el cobre para bajar su temperatura hasta los 0ºC:

Comparando los dos últimos resultados vemos que el calor que le entrega el cobre le alcanza y sobra para derretir el hielo. Entonces el hielo se va a transformar totalmente en agua líquida y todavía le sobra calor para aumentar su temperatura, por lo que el equilibrio se produce por arriba de los cero grados. Ahora que conocemos que todo el hielo se funde y, por lo tanto, que la temperatura de equilibrio T_f estará entre 0ºC y 100ºC (pueden calcular que el agua no absorbe la cantidad de calor necesaria para llegar a 100ºC por lo que no va a evaporarse), planteamos  que la suma de todos los calores debe dar cero y sacamos la temperatura de equilibrio:

Cuando resolvemos un problema lo primero que tenemos que saber es si se producen cambios de estado ya que no sabemos a priori si debemos incluir estos términos o no. Esto a veces no es fácil de decidir, para determinarlo hay que comparar valores y ver si el calor “le alcanza” para cambiar de estado. La única manera de aprender a resolver estos ejercicios es haciendo problemas en que se presentan distintas situaciones.