Calorimetri e calorimetria

calorimetria è la scienza associata a determinare i cambiamenti di energia di un sistema misurando il calore scambiato con l'ambiente circostante. Adesso quella sembra molto textbooky; ma in quest'ultima parte della Lezione 2, cercheremo di dare un senso a questa definizione di calorimetria. Nella classe di fisica (e per alcuni, nella classe di chimica), i laboratori di calorimetria vengono spesso eseguiti per determinare il calore di reazione o il calore di fusione o il calore di dissoluzione o anche la capacità termica specifica di un metallo. Questi tipi di laboratori sono piuttosto popolari perché l'attrezzatura è relativamente economica e le misurazioni sono in genere semplici. In questi laboratori viene utilizzato un calorimetro. UN calorimetro è un dispositivo utilizzato per misurare la quantità di calore trasferito ao da un oggetto. La maggior parte degli studenti probabilmente non ricorda di aver usato questo tipo pezzo di equipaggiamento di fantasia noto come calorimetro. Non aver paura; la ragione della mancanza di memoria non è un segno di Alzheimer precoce. Piuttosto, è perché il calorimetro usato nei laboratori scientifici delle scuole superiori è più comunemente indicato come una tazza di polistirolo. È un calorimetro della tazza di caffè - Di solito riempito d'acqua. I casi più sofisticati includono un coperchio sulla tazza con un termometro inserito e forse anche un agitatore.

Calorimetria della tazza di caffè

Quindi, come è possibile utilizzare apparecchiature così semplici per misurare la quantità di calore acquisita o persa da un sistema? Abbiamo appreso nella pagina precedente che l'acqua cambierà la sua temperatura quando guadagna o perde energia. E infatti, la quantità di energia guadagnata o persa è data dall'equazione

Q = macqua• Cacqua• ATacqua

dove Cacqua è 4,18 J / g / ° C. Quindi, se è possibile misurare la massa d'acqua e il cambiamento di temperatura dell'acqua nel calorimetro della tazza di caffè, è possibile calcolare la quantità di energia guadagnata o persa dall'acqua.

L'assunto dietro la scienza della calorimetria è che l'energia guadagnata o persa dall'acqua è uguale all'energia persa o acquisita dall'oggetto in studio. Quindi, se si tenta di determinare il calore specifico della fusione del ghiaccio usando un calorimetro della tazza di caffè, si suppone che l'energia acquisita dal ghiaccio durante la fusione sia uguale all'energia persa dall'acqua circostante. Si presume che ci sia uno scambio di calore tra l'acqua e l'acqua nella tazza e che nessun altro oggetto sia coinvolto nel calore scambiato. Questa affermazione potrebbe essere posta in forma di equazione come

Qghiaccio = - Qdintorni = -Qcalorimetro

Il ruolo del polistirolo nel calorimetro di una tazza di caffè è che riduce la quantità di scambio di calore tra l'acqua nella tazza di caffè e l'aria circostante. Il valore di un coperchio sulla tazza di caffè è che riduce anche la quantità di scambio di calore tra l'acqua e l'aria circostante. Quanto più questi altri scambi di calore sono ridotti, tanto più vero sarà l'equazione matematica di cui sopra. Qualsiasi analisi dell'errore di un esperimento calorimetrico deve prendere in considerazione il flusso di calore dal sistema al calorimetro ad altre parti del dintorni. E qualsiasi progetto di un esperimento calorimetrico deve prestare attenzione a ridurre gli scambi di calore tra il contenuto del calorimetro e il dintorni.


Bomb Calorimetry

I calorimetri della tazza di caffè utilizzati nei laboratori scientifici delle scuole superiori offrono agli studenti un esercizio utile in calorimetria. Ma a livello professionale, una tazza di polistirolo e un termometro economici non aiuteranno un produttore di alimenti commerciale a determinare il contenuto di calorie dei loro prodotti. Per situazioni in cui sono in gioco esattezza e precisione, è necessario un calorimetro più costoso. I chimici usano spesso un dispositivo noto come calorimetro a bomba per misurare gli scambi di calore associati alle reazioni chimiche, in particolare le reazioni di combustione. Avendo poco o nulla a che fare con le bombe della varietà militare, un calorimetro a bomba include una camera di reazione in cui avviene la reazione (solitamente una reazione di combustione). La camera di reazione è un vaso potente che può resistere all'intensa pressione dei gas riscaldati con l'esplosione. La camera è in genere piena di gas ossigeno e il carburante. Un circuito elettrico è cablato nella camera al fine di accendere elettricamente il contenuto al fine di eseguire uno studio del calore rilasciato alla combustione. La camera di reazione è circondata da una giacca d'acqua con un termometro inserito. Il calore rilasciato dalla camera riscalda la giacca riempita d'acqua, consentendo a uno scienziato di determinare la quantità di energia rilasciata dalla reazione.


Fonte: Wikimedia Commons; grazie a Lisdavid89.


Risolvere problemi di calorimetria

Vediamo ora alcuni esempi di come un calorimetro per tazze di caffè può essere usato come strumento per rispondere ad alcune domande tipiche del laboratorio. I prossimi tre esempi sono tutti basati su esperimenti di laboratorio che coinvolgono la calorimetria.

Esempio Problema 1:
Ad una classe di fisica è stato assegnato il compito di determinare un valore sperimentale per il calore della fusione del ghiaccio. Anna Litical e Noah Formula asciugano e ammassano 25,8 grammi di ghiaccio e lo mettono in una tazza di caffè con 100,0 g di acqua a 35,4 ° C. Mettono un coperchio sulla tazza di caffè e inseriscono un termometro. Dopo alcuni minuti, il ghiaccio si è completamente sciolto e la temperatura dell'acqua si è abbassata a 18,1 ° C. Qual è il loro valore sperimentale per il calore specifico della fusione del ghiaccio?

La base per la soluzione a questo problema è il riconoscimento che la quantità di energia persa dall'acqua quando il raffreddamento è uguale alla quantità di energia richiesta per sciogliere il ghiaccio. In forma di equazione, questo potrebbe essere dichiarato come

Qghiaccio = -Qcalorimetro

(Il segno negativo indica che il ghiaccio sta guadagnando energia e l'acqua nel calorimetro sta perdendo energia.) Qui il calorimetro (come nella Qcalorimetro termine) è considerata l'acqua nella tazza di caffè. Poiché la massa di questa acqua e il suo cambiamento di temperatura sono noti, il valore di Qcalorimetro può essere determinato.

Qcalorimetro = m • C • ΔT
Qcalorimetro = (100,0 g) • (4,18 J / g / ° C) • (18,1 ° C - 35,4 ° C)
Qcalorimetro = -7231,4 J

Il segno negativo indica che l'acqua ha perso energia. L'ipotesi è che questa energia persa dall'acqua sia uguale alla quantità di energia guadagnata dal ghiaccio. Quindi Qghiaccio = +7231.4 J. (Il segno positivo indica un guadagno di energia.) Questo valore può essere utilizzato con l'equazione dalla pagina precedente per determinare il calore di fusione del ghiaccio.

Qghiaccio = mghiaccio• AHfusion-ghiaccio
+7231,4 J = (25,8 g) • ΔHfusion-ghiaccio
AHfusion-ghiaccio = (+7231,4 J) / (25,8 g)
AHfusion-ghiaccio = 280,28 J / g
AHfusion-ghiaccio = 2,80x102 J / g (arrotondato a due cifre significative)


Esempio Problema 2:
Uno studente di chimica scioglie 4,51 grammi di idrossido di sodio in 100,0 ml di acqua a 19,5 ° C (in una tazza di calorimetro). Quando l'idrossido di sodio si scioglie, la temperatura dell'acqua circostante aumenta fino a 31,7 ° C. Determinare il calore della soluzione dell'idrossido di sodio in J / g.

Ancora una volta, la soluzione a questo problema si basa sul riconoscimento che la quantità di energia rilasciata quando l'idrossido di sodio si dissolve è pari alla quantità di energia assorbita dall'acqua nel calorimetro. In forma di equazione, questo potrebbe essere dichiarato come

QNaOH che si dissolve = -Qcalorimetro

(Il segno negativo indica che il NaOH sta perdendo energia e che l'acqua nel calorimetro sta guadagnando energia.) Poiché la massa e il cambiamento di temperatura dell'acqua sono stati misurati, l'energia acquisita dall'acqua (calorimetro) può essere determinata.

Qcalorimetro = m • C • ΔT
Qcalorimetro = (100,0 g) • (4,18 J / g / ° C) • (31,7 ° C - 19,5 ° C)
Qcalorimetro = 5099,6 J

L'ipotesi è che questa energia acquisita dall'acqua sia uguale alla quantità di energia rilasciata dall'idrossido di sodio quando si dissolve. Quindi QNaOH dissoluzione = -5099,6 J. (Il segno negativo indica un'energia persa.) Questa quantità è la quantità di calore rilasciata quando si sciolgono 4,51 grammi di idrossido di sodio. Quando il calore della soluzione è determinato su una base per grammo, questo 5099,6 J di energia deve essere diviso per la massa di idrossido di sodio che si sta sciogliendo.

AHsoluzione = QNaOH dissoluzione / mNaOH
AHsoluzione = (-5099,6 J) / (4,51 g)
AHsoluzione = -1130,7 J / g
AHsoluzione = -1,13x103 J / g (arrotondato a tre cifre significative)


Esempio Problema 3:
Una grande candela di paraffina ha una massa di 96,83 grammi. Una tazza di metallo con 100,0 ml di acqua a 16,2 ° C assorbe il calore dalla candela che brucia e aumenta la sua temperatura a 35,7 ° C. Una volta cessata la combustione, la temperatura dell'acqua era di 35,7 ° C e la paraffina aveva una massa di 96,14 grammi. Determinare il calore di combustione della paraffina in kJ / grammo. DATA: densità dell'acqua = 1,0 g / ml.

Come sempre, la calorimetria si basa sul presupposto che tutto il calore perso dal sistema è guadagnato dal dintorni. Si presume che il dintorni è l'acqua che subisce il cambiamento di temperatura. In forma di equazione, si potrebbe affermare che

Qparaffina = -Qacqua

Poiché la massa e il cambiamento di temperatura dell'acqua sono noti, è possibile determinare l'energia acquisita dall'acqua nel calorimetro.

Qcalorimetro = m • C • ΔT
Qcalorimetro = (100,0 g) • (4,18 J / g / ° C) • (35,7 ° C - 16,2 ° C)
Qcalorimetro = 8151 J

La paraffina ha rilasciato 8151 J o 8,151 kJ di energia quando bruciata. Questo si basa sulla combustione di 0,69 grammi (96,83 g - 96,14 g). Per determinare il calore della combustione su base per grammo, il Qparaffina il valore (-8.151 kJ) deve essere diviso per la massa di paraffina bruciata:

AHcombustione - paraffina = (-8,151 kJ) / (0,69 g)
AHcombustione - paraffina = -11.813 kJ / g
AHcombustione - paraffina = -12 kJ / g (arrotondato a due cifre significative)

Controlla la tua comprensione

1. Considerare il problema di esempio 3 sopra. Identifica quante più fonti di errore puoi. Per ogni fonte indicare il direzione dell'errore quello sarebbe risultato. Cioè, identificare se l'errore avrebbe causato che il valore derivato sperimentalmente fosse inferiore o superiore al valore accettato.

2. Un anacard da 2,15 grammi viene bruciato. Il calore rilasciato aumenta la temperatura di un campione di acqua di 100,0 grammi da 18,2 ° C a 31,5 ° C. La massa del dado dopo l'esperimento è di 1,78 grammi. Determinare il contenuto calorico del dado in calorie / grammo. Supponiamo che l'acqua sia in grado di assorbire solo il 25% del calore rilasciato dal dado in fiamme. Dato 1,00 calorie = 4,18 kJ.

4.3
5
11
4
5
3
3
2
1
1
0