FÍSICA: Calor y energía térmica: Medida del calor - 2ª parte
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Física

CALOR Y ENERGÍA TÉRMICA

Medida del calor - 2ª parte


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Aplicación de la medida del calor

a determinación de cantidades de calor con un calorímetro constituye un ejemplo de medida indirecta de una magnitud física. El calor cedido o tomado por un cuerpo se determina a partir de las medidas directas de la masa de agua del calorímetro y de sus temperaturas inicial y final.

Una pieza metálica se introduce en el interior de un calorímetro que contiene 100 g de agua a 20 ºC de temperatura. Tras alcanzar el equilibrio térmico, el termómetro del calorímetro indica una temperatura de 35,5 ºC. Se trata de determinar en joules y en calorías el valor cedido por la pieza en el proceso. (Tómese el calor específico del agua como c = 1 cal/(g · ºC) = 4,18 · 103 J/kg · K).

En virtud del principio de la conservación de la energía, la cantidad de calor Q1 que recibe el agua será igual, salvo el signo y dentro del error experimental, a la cantidad de calor Q2 cedida por la moneda, Es decir:

Q1 = -Q2

De acuerdo con la ecuación calorimétrica aplicada al agua se tiene:

Q1 = m c(Tf - Ti)

Si se emplea el valor de c expresado en cal/g · ºC, la sustitución de los datos del anterior enunciado será directa:

Q = 100 · 1 · (35,5 - 20) = 1 550 cal

Si se emplea el valor de c expresado en J/(kg · K), las magnitudes habrán de expresarse primero en unidades SI, y por tanto m = 1 · 10-1 kg; Ti = 293 K
Tf = 308,5 K. Sustituyendo, resulta:

Q = 1 · 10-1 · 4,18 · 103 (308,5 - 293) = 6 479 J

La aplicación de la equivalencia entre el joule y la caloría como unidades de energía, 1 cal = 4,18 J, proporciona el mismo resultado:

Equivalente en agua de un calorímetro

Cuando un cuerpo se sumerge en el líquido de un calorímetro, una cierta cantidad de calor se cede al calorímetro o se toma de él. Es decir, además del agua, la parte interna del calorímetro como recipiente junto con sus elementos sumergidos tales como el termómetro y el agitador, también se enfrían o se calientan en el proceso de transferencia de calor que tiene lugar en su interior. La participación del calorímetro en este proceso se valora mediante el llamado equivalente en agua e. Se define como la masa de agua que tomaría o cedería la misma cantidad de calor que el calorímetro en iguales condiciones de temperatura. Cada calorímetro tiene su equivalente en agua que debe determinarse previamente a ser utilizado.

Con el propósito de reducir el error experimental en la utilización de la ecuación calorimétrica correspondiente al agua, debe considerarse la masa de ésta aumentada en una cantidad igual al equivalente e del calorímetro utilizado, lo que equivale a tomar el conjunto (agua + calorímetro) como un todo único a efectos de transferencia de calor en su interior. En tal caso la expresión del calor referida al calorímetro tomará la forma:

Q = (magua + e) · cagua· (T - Tagua)

siendo T la temperatura del equilibrio.

La determinación experimental de e puede hacerse empleando un cuerpo o sustancia cuya masa, calor específico y temperatura inicial sean conocidas y situándolo en el interior del calorímetro cuyo equivalente e se desea determinar. En el equilibrio se cumplirá:

Q = - Q'

es decir:

(magua+ e) · cagua· (T - Tagua) = - mcuerpo· ccuerpo· (T - Tcuerpo)

ecuación cuya única incógnita e puede ser despejada y, por tanto, determinar su valor. Si el cuerpo o sustancia elegida es también agua, los cálculos se pueden simplificar bastante.

Q(J) = Q(cal) · 4,18 J/cal = 1 550 · 4,18 = 6 479 J

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