Un calorímetro un dispositivo para medir la cantidad de calor liberado o absorbido en cualquier proceso físico, químico o biológico.
Los calorímetros modernos operan en el rango de temperatura de 0.1 a 3500 Kelvin y le permiten medir la cantidad de calor con una precisión de 0.01-10%. La disposición de los calorímetros es muy diversa y está determinada por la naturaleza y la duración del proceso en estudio, el rango de temperaturas a las que se realizan las mediciones, la cantidad de calor medido y la precisión requerida.
En la termodinámica se utilizan calorímetros para medir la entalpía de un proceso termodinámico.
Calorímetros y energía solar
Una de las aplicaciones de los calorímetros en el campo de la energía solar lo encontramos en los sistemas de energía solar térmica. Estos dispositivos resultan importantes para calcular la eficiencia térmica en sistemas de calefacción y generación de agua caliente sanitaria.
El calorímetro, en un sistema de calefacción, es un dispositivo que se instala en cada radiador y que mide dos temperaturas: la de la superficie del mismo y la ambiente de la habitación, calculando el consumo con estos datos y en base a las características y tamaño del radiador.
Tipos de calorímetros
Un calorímetro diseñado para medir la cantidad total de calor Q liberado durante el proceso desde su inicio hasta su finalización se denomina calorímetro integrador.
El calorímetro se utiliza para medir la potencia térmica y sus cambios en diferentes etapas del proceso termodinámico, mediante un medidor de potencia o un calorímetro-osciloscopio. El diseño del sistema calorimétrico y el método de medición distinguen entre calorímetros líquidos y masivos, simples y dobles (diferenciales).
Calorímetro integrador de líquido
Se utiliza un integrador de calorímetro líquido de temperatura variable con una cubierta isotérmica para medir los calores de disolución y los calores de las reacciones químicas, o energía química. Consiste en un recipiente con un líquido (generalmente agua), en el que hay: una cámara para llevar a cabo el proceso en estudio ("bomba calorimétrica"), un agitador, un calentador y un termómetro. El calor liberado en la cámara luego se distribuye entre la cámara, el líquido y otras partes del calorímetro, cuya totalidad se denomina sistema calorimétrico del dispositivo.
En calorímetros líquidos, la temperatura isotérmica de la cubierta se mantiene constante. Al determinar el calor de una reacción química, las mayores dificultades a menudo se asocian no con tener en cuenta los procesos secundarios, sino con determinar la integridad de la reacción y la necesidad de tener en cuenta varias reacciones.
Mediciones calorimétricas
Un cambio en el estado (por ejemplo, la temperatura) del sistema calorimétrico le permite medir la cantidad de calor introducido en el calorímetro. El calentamiento del sistema calorimétrico se registra con un termómetro. Antes de tomar medidas, el calorímetro se calibra: el cambio de temperatura del sistema calorimétrico se determina cuando se le comunica una cantidad conocida de calor (mediante un calentador de calorímetro o como resultado de una reacción química en la cámara con una cantidad conocida de una sustancia estándar).
Como resultado de la calibración, se obtiene el valor térmico del calorímetro, es decir, el coeficiente por el cual el cambio en la temperatura del calorímetro medido por el termómetro debe multiplicarse para determinar la cantidad de calor introducido en él. El valor térmico de tal calorímetro es la capacidad de calor del sistema calorimétrico. La determinación del valor calorífico desconocido u otra reacción de la termodinámica química Q se reduce a medir el cambio de temperatura Δ t del sistema calorimétrico causado por el proceso en estudio: Q = c Δt. Típicamente, el valor Q se refiere a la masa de la sustancia en la cámara del calorímetro.
Procesos secundarios en mediciones calorimétricas
Las mediciones calorimétricas permiten determinar directamente solo la suma de los calores del proceso en estudio y varios procesos secundarios, como la mezcla, la evaporación del agua, la ruptura de una ampolla con una sustancia, etc. El calor de los procesos secundarios debe determinarse empíricamente o por cálculo y excluirse del resultado final.
Uno de los procesos termodinámicos secundarios inevitables es el intercambio de calor del calorímetro con el medio ambiente a través de la radiación y la conductividad térmica. Para tener en cuenta los procesos secundarios y, sobre todo, la transferencia de calor, el sistema calorimétrico está rodeado por un caparazón cuya temperatura está controlada.
Calorímetro Integrador Isotérmico
En el estudio de la termodinámica existe otro tipo de calorímetro integrador: isotérmico (temperatura constante), el calor introducido no cambia la temperatura del sistema calorimétrico, pero causa un cambio en el estado de agregación del cuerpo que forma parte de este sistema (por ejemplo, el hielo derritiéndose en el calorímetro de hielo Bunsen).
La cantidad de calor introducido se calcula en este caso por la masa de la sustancia que cambió el estado de agregación (por ejemplo, la masa de hielo derretido, que se puede medir por el cambio en el volumen de la mezcla de hielo y agua) y el calor de la transición de fase.
Calorímetro Integrador Masivo
Un calorímetro integrador masivo se usa con mayor frecuencia para determinar la entalpía de sustancias a altas temperaturas (hasta 2500 grados Celsius). El sistema calorimétrico para este tipo de calorímetro es un bloque de metal (generalmente cobre o aluminio) con huecos para el recipiente en el que tiene lugar la reacción, para el termómetro y el calentador.
La entalpía de una sustancia se calcula como el producto del valor térmico del calorímetro por la diferencia en el aumento de temperatura del bloque, medida después de dejar caer una ampolla con una cierta cantidad de sustancia en su nido, y luego una ampolla vacía calentada a la misma temperatura.
Flujo de calorímetros laberínticos
La capacidad calorífica de los gases, y a veces de los líquidos, se determina en los llamados. calorímetros de laberinto de flujo: de acuerdo con la diferencia de temperatura en la entrada y salida de un flujo estacionario de líquido o gas, la potencia de este flujo y el calor en julios emitido por el calentador eléctrico del calorímetro.
Calorímetro - medidor de potencia
Un calorímetro que funciona como un medidor de potencia, en contraste con un calorímetro integrador, debe tener un intercambio de calor significativo para que las cantidades de calor introducidas en él se eliminen rápidamente y el estado del calorímetro esté determinado por el valor instantáneo de la potencia del proceso térmico. El poder térmico del proceso se encuentra en el intercambio de calor del calorímetro con la carcasa.
Dichos calorímetros, desarrollados por el físico francés E. Calvet, son un bloque de metal con canales en los que se colocan las células cilíndricas. En la celda, se lleva a cabo el proceso investigado; un bloque de metal desempeña el papel de un caparazón (su temperatura se mantiene constante con una precisión de 10 −5 –10 −6K) La diferencia de temperatura entre la celda y la unidad se mide mediante una termopila que tiene hasta 1000 uniones. El intercambio de calor de la celda y el EMF de la termopila es proporcional a la pequeña diferencia de temperatura que surge entre la unidad y la celda cuando se libera o absorbe calor.
Muy a menudo, se colocan dos celdas en el bloque, que funcionan como un calorímetro diferencial: la termopila de cada celda tiene el mismo número de uniones y, por lo tanto, la diferencia en su EMF le permite determinar directamente la diferencia en la potencia del flujo de calor que ingresa a las celdas.
Este método de medición elimina la distorsión del valor medido por fluctuaciones aleatorias en la temperatura del bloque. Por lo general, se montan dos baterías térmicas en cada celda: una le permite compensar la potencia térmica del proceso en estudio en función del efecto Peltier, y el otro (indicador) sirve para medir la parte no compensada del flujo de calor. En este caso, el dispositivo funciona como un calorímetro de compensación diferencial. A temperatura ambiente, los calorímetros miden la potencia térmica de los procesos con una precisión de 1 μW.
