13. Calorímetro de mezclas

¿De qué se trata?

En el tema 11 usaste $Q = m \cdot C_e \cdot \Delta T$ con valores de $C_e$ (calor específico) sacados de una tabla. ¿De dónde salen esos valores? Se miden. En este complemento vas a medir el calor específico de un metal con un calorímetro de mezclas: un recipiente aislado donde se ponen en contacto un cuerpo caliente y agua fría, y se espera al equilibrio térmico.

Ideas clave

El calorímetro

Es un recipiente que aísla térmicamente su contenido del ambiente, para que la energía no se escape. En el laboratorio escolar alcanza con:

• un termo o un vaso de telgopor con tapa (con un agujero para el termómetro);
• un termómetro;
• un agitador (una varilla) para que la temperatura sea pareja.

La idea central: lo que uno cede, el otro lo gana

🔍 Si se pone un trozo de metal caliente dentro de agua fría, el metal se enfría y el agua se calienta hasta que los dos quedan a la misma temperatura final ($T_f$). Si el calorímetro aísla bien:

$\text{calor cedido por el metal} = \text{calor ganado por el agua}$

$m_{\text{metal}} \cdot C_{e,\text{metal}} \cdot (T_{\text{metal}} - T_f) = m_{\text{agua}} \cdot C_{e,\text{agua}} \cdot (T_f - T_{\text{agua}})$

Despejando el calor específico del metal:

$C_{e,\text{metal}} = \frac{m_{\text{agua}} \cdot C_{e,\text{agua}} \cdot (T_f - T_{\text{agua}})}{m_{\text{metal}} \cdot (T_{\text{metal}} - T_f)}$

con $C_{e,\text{agua}} = 4{,}18\ \text{J/(g}\cdot{}^\circ\text{C)}$ (o 1 cal/(g·°C)).

⚛️ Con partículas: las partículas del metal, que vibran más rápido, chocan con las del agua y les transfieren energía hasta que la rapidez promedio (la temperatura) se iguala.

Procedimiento

1. Pesar el calorímetro vacío y luego con unos 100 g de agua de la canilla. Medir la temperatura del agua ($T_{\text{agua}}$).
2. Pesar el cuerpo metálico (por ejemplo, un cilindro de aluminio o un puñado de bulones de unos 200 g) atado con un hilo.
3. Sumergir el metal en agua hirviendo durante unos 5 minutos: así queda a unos 100 °C ($T_{\text{metal}}$).
4. Pasarlo rápido al calorímetro, tapar y agitar suavemente.
5. Leer la temperatura cada 15 segundos hasta que se estabilice: esa es $T_f$.
6. Calcular $C_e$ con la fórmula y compararlo con la tabla.

Seguridad: el agua hirviendo y el metal caliente queman. Usar pinza u hilo, nunca la mano.

Ejemplo resuelto

Datos: 100 g de agua a 20 °C; 200 g de aluminio a 100 °C; temperatura final medida: 44 °C.

$C_e = \frac{100 \cdot 4{,}18 \cdot (44 - 20)}{200 \cdot (100 - 44)} = \frac{10\,032}{11\,200} \approx 0{,}90\ \text{J/(g}\cdot{}^\circ\text{C)}$

Coincide con el valor de tabla del aluminio.

Tabla de calores específicos (aproximados)

El agua tiene un calor específico muy alto: hace falta mucha energía para cambiar su temperatura. Por eso modera el clima de las costas.

¿Por qué el resultado no da exacto?

• Se pierde energía al ambiente (el calorímetro no es perfecto, se destapa).
• El recipiente y el termómetro también absorben algo de energía.
• El metal se enfría un poco en el traslado y arrastra gotas de agua hirviendo.
• Errores de lectura del termómetro (ver tema de medición, U1).

Errores frecuentes

Autoevaluación

1. ¿Por qué el calorímetro tiene que estar aislado?

2. 150 g de agua a 22 °C; 100 g de un metal a 100 °C; $T_f$ = 26,6 °C. Calculá $C_e$ y decí qué metal podría ser.

Resumen

Un calorímetro de mezclas aísla un cuerpo caliente y agua fría hasta el equilibrio térmico. Igualando el calor cedido con el ganado se despeja el calor específico del cuerpo. Las diferencias con la tabla se deben sobre todo a pérdidas de energía.