La calorimetría es la ciencia de medir el calor de las reacciones químicas o de los cambios físicos. El instrumento utilizado en calorimetría se denomina calorímetro. La palabra calorimetría deriva del latino "calor". El científico escocés Joseph Black fue el primero en reconocer la distinción entre calor y temperatura, por esto se lo considera el fundador de calorimetría.
Fue mediante calorimetría que Joule calculó el equivalente mecánico del calor demostrando con sus experiencias que 4.18 J de cualquier tipo de energía equivalen a 1 caloría.
La calorimetría indirecta calcula el calor que producen los organismos vivos mediante su producción de dióxido de carbono y de los residuos de nitrógeno (frecuentemente amoníaco en organismos acuáticos o, también, urea en los terrestres). Antoine de Lavoisier indicó en 1780 que la producción de calor puede ser calculada por el consumo de oxígeno de los animales. Naturalmente, el calor generado por los organismos vivos también puede ser medido por calorimetría directa, en la cual el organismo entero es colocado en el interior del calorímetro para hacer las mediciones.
Calorimetro
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, sólo hay que sumar al agua la cantidad de equivalentes.
Principios Generales de la Calorimetria
- Siempre que entre varios cuerpos haya un intercambio de energía térmica, la cantidad de calor perdido por unos cuerpos es igual a la cantidad de calor ganada por los otros.
- La cantidad de calor absorbida o desprendida por un cuerpo es directamente proporcional a su variación de temperatura. Así, para elevar la temperatura de un cuerpo de 20°C se requiere el doble de cantidad de energía térmica que para elevarla a 10°C.
- La cantidad de calor absorbida o desprendida por un cuerpo es directamente proporcional a su masa.
- Cuando varios cuerpos a temperaturas diferentes se ponen en contacto, la energía térmica se desplaza hacia los cuerpos cuya temperatura es más baja. El equilibrio térmico ocurre cuando todos los cuerpos quedan a la misma temperatura.
Unidades de Medida del Calor
Siendo el calor una forma de energía, deben de medirse en las mismas unidades que ésta: joules, ergios, libras*pie ó Btu. Su relación de conversión es:
Sin embargo, en la práctica se manejan otras unidades más adecuadas:
Caloría (c)
Es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1°C. La relación entre calorías y joules es de:
Existe también la Kilocaloría, o sea 1000 calorías (cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de 1 Kg de agua). La Kilocaloría es la unidad en la que se mide el contenido energético de los alimentos y en la práctica se la llama usualmente Caloría, o Gran Caloría (con "C" mayúscula), para diferenciarla de la verdadera caloría (con "c" minúscula) llamada también pequeña caloría.
NOTA: Recordar que la temperatura NO es una medida de la energía térmica total del cuerpo, es solo de su energía promedio. Es por esto que dos cuerpos pueden tener la misma temperatura pero distinta cantidad de energía interna. Ejemplo: Si se quiere hervir 10 litros de agua, se requiere 10 veces más energía que en el caso de un sólo litro, y aunque al final las temeperaturas sean las mismas (temperatura de ebullición del agua) debido a la diferencia de masas el consumo de energía es distinto.
Conductividad Térmica
El calor se propaga en los materiales según la facilidad que éstos permitan hacerlo. En general, los materiales sólidos son los mejores conductores del calor (especialmente los metales), luego le siguen los líquidos y finalmente los gases, siendo éstos pésimos conductores del calor. A las sustancias que son malos conductores del calor se les llama aislantes térmicos, Ej: granito, madera, cueros, tejidos, etc.
La conductividad térmica de un material se halla por medio de la FÓRMULA DE FOURIER.
Si en una barra del material se tienen dos secciones iguales A1 y A2 (ambas de áreas A) a las temperaturas T1 y T2 respectivamente y separadas entre sí por una distancia d, entonces la cantidad de calor Q que pasa entre las dos secciones en un tiempo dado t, se obtiene por:
De donde "K" es la constante de conductividad térmica que es propia del material. Esta constante se mide en: cal/(m*seg*ºC).
