¿Tipos de calorímetros?

La calorimetría es la ciencia que mide el calor de las reacciones químicas o los cambios físicos, así como la capacidad calorífica. Es una herramienta esencial en una variedad de industrias y campos, como la termodinámica, la ingeniería y la nutrición. Existen muchos tipos de calorímetros para medir distintos tipos de calor, como los adiabáticos, los de bomba, los de volumen constante, los de barrido diferencial y los isotérmicos. Estos dispositivos se utilizan para medir la cantidad de energía que se transfiere entre un sistema y su entorno, o para medir la cantidad de energía liberada o absorbida en una reacción química. Cada tipo de calorímetro tiene sus propias características y ventajas, lo que lo convierte en la opción ideal para aplicaciones específicas.

Definición de calorimetría

La calorimetría es la técnica de medición de la cantidad de calor producida o absorbida por cambios químicos o físicos en un sistema. Se utiliza especialmente para estudiar las velocidades de reacción, los equilibrios y los cambios de fase, como la fusión de materiales. Existen muchos tipos de calorímetros, cada uno de ellos diseñado para medir un tipo específico de calor, como los calorímetros adiabáticos, de bomba, de volumen constante, de barrido diferencial e isotérmicos. Por ejemplo, la calorimetría adiabática es un método para medir el cambio de entalpía de una reacción utilizando un proceso adiabático para controlar el intercambio de calor entre el sistema y el entorno. Así, se puede controlar una reacción midiendo el cambio de volumen de un sistema a medida que se calienta o se enfría.

Calorímetro adiabático

Un calorímetro adiabático es un dispositivo que utiliza un proceso adiabático (sin intercambio de calor con el entorno) para medir el calor evolucionado o absorbido por una reacción química. Se utiliza junto con un calentador externo o un dispositivo de refrigeración. El tipo básico de calorímetro adiabático se compone de un recipiente, un calentador externo o un dispositivo de refrigeración, un termómetro y un dispositivo de agitación. Para obtener mediciones precisas, debe conocerse el volumen del recipiente. El recipiente debe estar abierto para permitir la entrada de la mezcla de reacción y la eliminación del gas evolucionado.

Calorímetro de bomba

Un calorímetro de bomba se utiliza para medir el calor de una reacción exotérmica que se produce en una solución, como la hidrólisis o los equilibrios de solubilidad. En estas reacciones, la solución se calienta más que el entorno. Un calorímetro de bomba es un sistema abierto, por lo que la solución debe enfriarse con una unidad de refrigeración externa. Un calorímetro de bomba típico consta de un gran recipiente agitado, un dispositivo de registro de temperatura, una bomba de circulación, un baño de temperatura constante y una unidad de refrigeración externa. El recipiente se llena con la solución que se va a estudiar y la bomba hace circular la solución por el recipiente. La temperatura de la solución se mide con un termómetro. La solución se enfría al circular por el baño de temperatura constante, que está en contacto con la unidad de refrigeración externa.

Calorímetro de volumen constante

Un calorímetro de volumen constante mide el calor desprendido cuando una muestra experimenta un cambio de fase, como la fusión o sublimación de una sustancia. Para este tipo de calorímetro, la muestra debe estar confinada en un recipiente a un volumen constante. La cantidad de energía liberada por el cambio de fase es igual al aumento de la energía interna del sistema a volumen constante. Un calorímetro de volumen constante típico consta de un recipiente para la muestra, un dispositivo de absorción de calor (por ejemplo, un recipiente de cobre o un calentador eléctrico), un termómetro, un agitador, un dispositivo de refrigeración, un manómetro y un dispositivo de reducción de presión. El recipiente de cobre o el calentador eléctrico se utilizan para absorber el calor liberado cuando se produce el cambio de fase. El termómetro mide la temperatura de la muestra. El agitador se utiliza para garantizar que la muestra se mantenga en un estado homogéneo. El dispositivo de refrigeración se utiliza para enfriar el recipiente de cobre o el calentador eléctrico. El manómetro mide la presión dentro del recipiente de la muestra. El dispositivo reductor de presión se utiliza para reducir la presión dentro del recipiente de la muestra.

Calorímetro diferencial de barrido

El calorímetro diferencial de barrido (DSC) es un instrumento común utilizado para estudiar los cambios de fase, como la fusión de sólidos o la formación de un líquido a partir de un sólido o una solución líquida. La muestra se coloca en un recipiente sellado que se calienta a una velocidad constante hasta que se produce el cambio de fase. La muestra se calienta mediante el paso de una corriente a través de ella o mediante una placa metálica caliente colocada sobre ella. La corriente utilizada para calentar la muestra se modula a intervalos regulares (normalmente cada 10 segundos) con una corriente más alta, lo que provoca un aumento brusco de la temperatura. El aumento de la temperatura de la muestra se mide mediante un termopar o un termistor.

Calorímetro isotérmico

Un calorímetro isotérmico se utiliza para medir el calor de reacción a temperaturas constantes o para medir el cambio de entalpía de un cambio de fase a presión constante. La muestra se coloca en un recipiente que está rodeado por una camisa refrigerada por agua, y el agua que fluye a través de la camisa se sustituye constantemente por una nueva muestra. El agua que fluye por el recipiente se controla constantemente para garantizar que se mantiene a una temperatura constante.

Ventajas de los diferentes tipos de calorímetros

  • Los calorímetros adiabáticos son precisos y fáciles de usar. Sin embargo, la muestra debe ser muy pura y libre de oxígeno, y no debe estar contaminada por impurezas.
  • El calorímetro de volumen constante se utiliza para estudiar los cambios de fase de sustancias difíciles de purificar, como los materiales biológicos.
  • El calorímetro de bomba se utiliza para determinar los calores de disolución, especialmente en soluciones iónicas, así como los calores de reacción.
  • El calorímetro diferencial de barrido se utiliza para estudiar tanto la fusión de sólidos como la formación de un líquido a partir de una solución.
  • El calorímetro isotérmico se utiliza para las reacciones que tienen lugar a temperatura constante, como el cambio de estado del agua.

Aplicaciones de la calorimetría

  • La calorimetría se utiliza para estudiar los cambios de entalpía de las reacciones y los equilibrios.
  • También se utiliza para determinar la cantidad de energía liberada en la formación de un compuesto a partir de sus elementos.
  • Se utiliza en la producción de alimentos, productos farmacéuticos y químicos.
  • Se utiliza en el procesamiento de metales y otros materiales, como plásticos y cerámicas.
  • También se utiliza en la producción de electricidad y en el diseño de centrales eléctricas.

Consideraciones de seguridad del calorímetro

  • La manipulación adecuada de los productos químicos y del equipo utilizado en la calorimetría requiere prestar atención a las cuestiones de seguridad.
  • Los recipientes de reacción utilizados en los experimentos deben tener una junta de vidrio esmerilado para evitar la salida de humos.
  • Todos los productos químicos deben manipularse con cuidado y hay que prestar especial atención para evitar la exposición a sustancias tóxicas.
  • Se debe proporcionar una ventilación adecuada y se deben usar guantes al manipular los productos químicos.
  • La reacción debe llevarse a cabo en una zona bien ventilada, lejos de posibles fuentes de ignición, como llamas abiertas o equipos eléctricos.
  • Los termómetros utilizados en los experimentos deben estar calibrados para garantizar lecturas precisas.

Conclusión

La calorimetría es una herramienta esencial en una variedad de industrias y campos. Existen muchos tipos de calorímetros para medir diferentes tipos de calor, como los adiabáticos, los de bomba, los de volumen constante, los de barrido diferencial y los isotérmicos. Cada tipo de calorímetro tiene sus propias características y ventajas, lo que lo convierte en la opción ideal para aplicaciones específicas.

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