Un calorímetre és un dispositiu utilitzat per mesurar la quantitat de calor intercanviada en un procés físic, químic o biològic. La seva utilitat va des de calcular la calor específica d'un cos fins a determinar l'entalpia d'una reacció. És una eina essencial a laboratoris de física, química, bioquímica i nutrició.
Què mesura un calorímetre?
Un calorímetre mesura la calor intercanviada per un sistema durant un procés físic, químic o biològic. En altres paraules, permet saber quanta energia s'absorbeix o allibera en forma de calor.
Aquest mesurament és fonamental per entendre com flueix l'energia en diferents transformacions, des de la fosa d'un glaçó de gel fins a la combustió d'un combustible.
Quins tipus de processos pot analitzar?
Un calorímetre és útil per mesurar la calor implicada en situacions molt diverses, com per exemple:
- Canvis de temperatura : quan un cos es refreda o s'escalfa.
- Canvis d'estat : com la fusió del gel, la vaporització de l'aigua o la condensació del vapor.
- Reaccions químiques : com la combustió d'una substància, la dissolució d'una sal o una neutralització àcid-base.
Un detall important: no sempre hi ha canvi de temperatura
És comú pensar que si hi ha calor, hi ha canvi de temperatura. Però no sempre és així. Per exemple, durant la fusió del gel , el sistema (aigua en estat sòlid passant a líquid) absorbeix calor , però la temperatura es manté constant en 0 °C . On va aquesta energia llavors? Es fa servir per trencar els enllaços entre les molècules d'aigua, transformant-les de sòlid a líquid, sense augmentar-ne la temperatura.
Aquest tipus de processos es coneixen com a canvis de fase i requereixen una quantitat important de calor, encara que no es reflecteixi al termòmetre.
Fonament físic: què hi ha darrere del mesurament de la calor?
Des del punt de vista de la física, quan es realitza un experiment a pressió constant (com sol passar als laboratoris i en condicions atmosfèriques normals), tota la calor que entra o surt del sistema es pot associar directament amb un valor molt important: l'entalpia (H).
El calorímetre, en aquests casos, mesura el canvi d'entalpia (ΔH), que ens indica si el sistema ha guanyat o perdut energia tèrmica.
-
Reacció exotèrmica : el sistema allibera calor cap a l'entorn. Se sent un augment de temperatura a l'entorn i ΔH és negatiu (ΔH < 0).
Exemple: la combustió de la fusta. -
Reacció endotèrmica : el sistema absorbeix calor de l'entorn. L'entorn es refreda mentre la reacció passa, i ΔH és positiu (ΔH > 0).
Exemple: la fotosíntesi o la fusió del gel.
Com funciona un calorímetre?
El funcionament d'un calorímetre es basa en la llei de conservació de l'energia :
La calor perduda per un cos és igual a la calor guanyada per un altre.
S'introdueix un objecte calent a un líquid (generalment aigua) a temperatura coneguda. Tots dos intercanvien calor fins a assolir una temperatura d'equilibri . A partir d'aquesta variació de temperatura es pot calcular la calor específica de l'objecte desconegut.
Fórmula de la calor intercanviada
\[ Q = m \cdot c \cdot \Delta t \]
On:
- Q = calor intercanviada (J o calç)
- m = massa de l'objecte (g)
- c = calor específica del material (J/g·ºC o calç/g·ºC)
- Δt = canvi de temperatura (ºC)
En equilibri tèrmic:
\[ m_1 \cdot c_1 \cdot \Delta t_1 = -m_2 \cdot c_2 \cdot \Delta t_2 \]
Quina és la calor específica de l'aigua?
La calor específica de l'aigua és un dels més alts coneguts, cosa que la converteix en un excel·lent fluid per a experiments calorimètrics.
-
1 cal/g·ºC (sistema CGS)
-
4186 J/kg·ºC o 4.186 J/g·ºC (Sistema Internacional)
Això significa que cal 1 caloria per augmentar en 1 °C la temperatura d'1 gram d'aigua.
Tipus de calorímetres
Hi ha diferents tipus de calorímetres, cadascun dissenyat per adaptar-se a certs experiments o processos energètics específics. Lelecció del tipus adequat depèn de lobjectiu de lanàlisi i del nivell de precisió requerit.
1Calorímetre de variació de temperatura
Aquest és el tipus de calorímetre més comú en laboratoris escolars i universitaris. Funciona mesurant el canvi de temperatura que experimenta una substància de capacitat calorífica coneguda (com l'aigua) quan s'introdueix un cos calent o fred.
El seu ús és especialment útil en pràctiques educatives i en experiments de rutina on no cal una precisió extrema. Encara que es pot veure afectat per petites pèrdues de calor a l'ambient, continua sent una eina didàctica poderosa per il·lustrar els principis fonamentals de la termodinàmica.
Calorímetre isotèrmic
El calorímetre isotèrmic manté constant la temperatura del sistema durant tota lexperiència. Aquest tipus de calorímetre és ideal per estudiar canvis de fase , com ara la fusió del gel o l'evaporació de líquids, processos en què s'intercanvia calor sense variació de temperatura. En comptes de registrar augments o descensos tèrmics, mesura directament l'energia absorbida o alliberada mentre la substància canvia d'estat físic.
És àmpliament utilitzat en química i ciència de materials per calcular les calors latents de fusió o vaporització. Com que no hi ha variació de temperatura, s'eviten errors comuns en altres mètodes, i s'obté un mesurament més clar de la calor implicada exclusivament en el canvi d'estat.
Calorímetre adiabàtic
El calorímetre adiabàtic és el més sofisticat i precís. Està dissenyat per evitar qualsevol tipus d'intercanvi tèrmic amb l'entorn, gràcies al seu excel·lent aïllament tèrmic. Al seu interior, tota la calor generada o absorbida durant un experiment es conserva dins del sistema, la qual cosa permet obtenir mesuraments extremadament precises fins i tot en reaccions molt sensibles.
Aquest tipus de calorímetre s'utilitza especialment en investigacions científiques avançades, com ara estudis de termodinàmica aplicada, cinètica química o en processos on petites desviacions tèrmiques poden comprometre la interpretació dels resultats.
De què està fet un calorímetre?
Un calorímetre típic consta de:
- Recipient aïllat (generalment doble paret amb buit o material aïllant)
- Aigua com a fluid de referència
- Dispositiu d'agitació per distribuir uniformement la temperatura
- Termòmetre o sensor digital de temperatura
- De vegades, una resistència calefactora o una font de combustió
Bomba calorimètrica
La bomba calorimètrica és un tipus especial de calorímetre que treballa a volum constant i permet mesurar la calor de combustió de substàncies, generalment en condicions d'alta pressió.
Característiques:
- La reacció es fa dins d'una bomba metàl·lica (habitualment d'acer inoxidable) hermèticament segellada.
- La bomba s'introdueix a un recipient amb aigua.
- En iniciar la reacció (normalment amb una guspira elèctrica), es mesura l'augment de temperatura de l'aigua i del sistema.
- Es fa servir principalment en estudis energètics, anàlisis d'aliments i combustibles (per exemple, per determinar les calories dels aliments).
Per què serveix un calorímetre?
Un calorímetre no és només un aparell de laboratori: és una eina essencial per entendre com l'energia es transforma en múltiples processos naturals i industrials. La seva capacitat per mesurar la calor intercanviada en una reacció o fenomen físic el converteix en un instrument molt versàtil.
Aquestes són algunes de les aplicacions més importants:
Determinar la calor específica de substàncies desconegudes
El calorímetre permet calcular quanta energia necessita una substància per canviar-ne la temperatura. Això és fonamental per dissenyar materials amb propietats tèrmiques específiques o per identificar substàncies per les seves característiques tèrmiques.
Mesurar la calor de reaccions químiques
És essencial en estudis de termoquímica. Ajuda a conèixer l'energia alliberada o absorbida en reaccions com ara combustions, neutralitzacions o dissolucions.
Això permet, per exemple, classificar les reaccions com a exotèrmiques o endotèrmiques.
Analitzar combustibles i el seu poder calorífic
Gràcies a la bomba calorimètrica, es pot mesurar l'energia real que allibera un combustible en cremar-se. Això és crucial per avaluar el rendiment energètic de substàncies com gasolina, carbó, fusta o biocombustibles.
Estudiar processos biològics, com la respiració cel·lular
En biologia, la calorimetria permet analitzar la producció denergia en cèl·lules vives. És una tècnica clau per comprendre el metabolisme cel·lular i l'eficiència energètica de processos vitals.
Calculeu el valor energètic d'aliments
En calorimetria nutricional, es fa servir per mesurar quantes calories conté un aliment.
Aquest procediment és la base científica per a l'etiquetatge nutricional i el disseny de dietes balancejades.