Calorímetro: história, peças, tipos e suas características - Ciência - 2023

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o calorímetro é um dispositivo usado para medir a mudança de temperatura de uma quantidade de substância (geralmente água) de calor específico conhecido. Essa mudança de temperatura se deve ao calor absorvido ou liberado no processo em estudo; químico se for uma reação, ou físico se consistir em uma mudança de fase ou estado.

No laboratório, o calorímetro mais simples que pode ser encontrado é o do copo de café. É usado para medir o calor absorvido ou liberado em uma reação a pressão constante, em solução aquosa. As reações são selecionadas para evitar a intervenção de reagentes ou produtos gasosos.

Em uma reação exotérmica, a quantidade de calor que se desenvolve pode ser calculada a partir do aumento da temperatura do calorímetro e da solução aquosa:

Quantidade de calor liberada na reação = quantidade de calor absorvida pelo calorímetro + quantidade de calor absorvida pela solução

A quantidade de calor que o calorímetro absorve é chamada de capacidade de calor do calorímetro. Isso é determinado fornecendo uma quantidade conhecida de calor ao calorímetro com uma determinada massa de água. Em seguida, é medido o aumento da temperatura do calorímetro e da solução que ele contém.

Com estes dados, e com a utilização do calor específico da água (4,18 J / g.ºC), pode-se calcular a capacidade calórica do calorímetro. Essa capacidade também é chamada de constante do calorímetro.

Por outro lado, o calor ganho pela solução aquosa é igual a m · ce · Δt. Na fórmula m = massa de água, ce = calor específico de água e Δt = variação de temperatura. Sabendo de tudo isso, pode-se então calcular a quantidade de calor liberada pela reação exotérmica.

História do calorímetro

Em 1780, A. L. Lavoisier, químico francês, considerado um dos pais da química, utilizou uma cobaia para medir a produção de calor por sua respiração.

Como? Usando um dispositivo semelhante a um calorímetro. O calor produzido pela cobaia foi evidenciado pela neve derretida que cercou o aparelho.

Os pesquisadores A. L Lavoisier (1743-1794) e P. S. Laplace (1749-1827) projetaram um calorímetro que era usado para medir o calor específico de um corpo pelo método de derreter o gelo.

O calorímetro consistia em um copo cilíndrico de lata envernizado, apoiado em um tripé e terminado internamente por um funil. No seu interior foi colocado outro copo, semelhante ao anterior, com um tubo que atravessava a câmara exterior e que era munido de uma chave. Dentro do segundo copo havia uma prateleira.

Nesta grade o ser ou objeto cujo calor específico se desejava ser determinado foi colocado. O gelo foi colocado dentro dos copos concêntricos, como na cesta.

O calor produzido pelo corpo foi absorvido pelo gelo, causando seu derretimento. E o produto líquido da água do derretimento do gelo foi coletado, abrindo a chave de vidro interna.

E finalmente, com a água pesada, a massa do gelo derretido era conhecida.

Peças

O calorímetro mais utilizado em laboratórios de ensino de química é o chamado calorímetro da xícara de café. Este calorímetro consiste em um béquer, ou em vez disso, um recipiente de material de anime que possui certas propriedades isolantes. Dentro desse recipiente a solução aquosa é colocada com o corpo que vai produzir ou absorver calor.

Uma tampa de material isolante com dois orifícios é colocada na parte superior do recipiente. Em uma delas é inserido um termômetro para medir as variações de temperatura, e na outra um agitador, preferencialmente feito de material de vidro, que cumpre a função de movimentar o conteúdo da solução aquosa.

A imagem mostra as partes de um calorímetro de bomba; entretanto, pode-se observar que possui o termômetro e o agitador, elementos comuns em vários calorímetros.

Tipos e suas características

A xícara de café

É aquele utilizado na determinação do calor liberado por uma reação exotérmica e do calor absorvido por uma reação endotérmica.

Além disso, pode ser usado para determinar o calor específico de um corpo; isto é, a quantidade de calor que um grama da substância precisa absorver para elevar sua temperatura em um grau Celsius. .

A bomba calorimétrica

É um dispositivo no qual a quantidade de calor que é emitida ou absorvida em uma reação que ocorre em volume constante é medida.

A reação ocorre em um resistente recipiente de aço (a bomba), que é imerso em um grande volume de água. Isso mantém as mudanças de temperatura da água pequenas. Portanto, é assumido que as mudanças associadas à reação são medidas em volume e temperatura constantes.

Isso indica que nenhum trabalho é realizado quando uma reação é realizada em um calorímetro de bomba.

A reação é iniciada fornecendo eletricidade por meio de cabos conectados à bomba.

O calorímetro adiabático

É caracterizado por possuir uma estrutura isolante denominada blindagem. O escudo está localizado ao redor da célula onde ocorrem as mudanças de calor e temperatura. Da mesma forma, está conectado a um sistema eletrônico que mantém sua temperatura muito próxima à da célula, evitando assim a transferência de calor.

Em um calorímetro adiabático, a diferença de temperatura entre o calorímetro e seus arredores é minimizada; além de minimizar o coeficiente de transferência de calor e o tempo de troca de calor.

Suas partes consistem no seguinte:

-A célula (ou recipiente), integrada em um sistema de isolamento por meio do qual tenta evitar a perda de calor.

-O termômetro, para medir as mudanças de temperatura.

-Um aquecedor, conectado a uma fonte controlável de voltagem elétrica.

-E o escudo, já mencionado.

Nesse tipo de calorímetro, propriedades como entropia, temperatura de Debye e densidade eletrônica do estado podem ser determinadas.

O calorímetro isoperibol

É um dispositivo no qual a célula de reação e a bomba estão imersas em uma estrutura chamada camisa. Neste caso, a chamada camisa é constituída por água, mantida a uma temperatura constante.

A temperatura da célula e da bomba aumentam conforme o calor é liberado durante o processo de combustão; Mas a temperatura da camisa de água é mantida em uma temperatura fixa.

Um microprocessador controla a temperatura da célula e da camisa, fazendo as correções necessárias para o calor de vazamento que resulta das diferenças entre as duas temperaturas.

Essas correções são aplicadas continuamente, e com uma correção final, com base nas medições antes e depois do teste.

O calorímetro de fluxo

Desenvolvido pela Caliendar, possui um dispositivo para movimentar um gás em um recipiente em velocidade constante. Ao adicionar calor, o aumento da temperatura no fluido é medido.

O calorímetro de fluxo é caracterizado por:

- Uma medição precisa da velocidade de fluxo constante.

- Medição precisa da quantidade de calor introduzido no fluido por meio de um aquecedor.

- Uma medição precisa do aumento de temperatura no gás causado pela entrada de energia

- Um projeto para medir a capacidade de um gás sob pressão.

O calorímetro para calorimetria diferencial de varredura

Caracteriza-se por possuir dois recipientes: em um é colocada a amostra a ser estudada, enquanto o outro é mantido vazio ou é utilizado um material de referência.

Os dois recipientes são aquecidos a uma taxa constante de energia, por meio de dois aquecedores independentes. Quando os dois recipientes começarem a aquecer, o computador representará a diferença no fluxo de calor dos aquecedores em relação à temperatura, permitindo assim que o fluxo de calor seja determinado.

Além disso, a variação da temperatura em função do tempo pode ser determinada; e, por fim, a capacidade calórica.

Formulários

Em fisicoquímica

-Os calorímetros básicos, tipo xícara de café, permitem medir a quantidade de calor que um corpo emite ou absorve. Neles você pode determinar se uma reação é exotérmica ou endotérmica. Além disso, o calor específico de um corpo pode ser determinado.

-Com o calorímetro adiabático foi possível determinar a entropia de um processo químico e a densidade eletrônica do estado.

Em sistemas biológicos

-Os microcalorímetros são usados para estudar sistemas biológicos que incluem interações entre moléculas, bem como as alterações conformacionais moleculares que ocorrem; por exemplo, no desdobramento de uma molécula. A linha inclui varredura diferencial e titulação isotérmica.

-O microcalorímetro é utilizado no desenvolvimento de medicamentos de pequenas moléculas, bioterapêuticos e vacinas.

Calorímetro da bomba de oxigênio e potência calórica

No calorímetro da bomba de oxigênio, ocorre a combustão de muitas substâncias e seu valor calórico pode ser determinado. Entre as substâncias estudadas com o uso desse calorímetro estão: carvão e coque; óleos comestíveis, pesados e leves; gasolina e todos os combustíveis para motores.

Bem como os tipos de combustíveis para jatos de aeronaves; combustível residual e eliminação de resíduos; produtos e suplementos alimentares para nutrição humana; culturas forrageiras e suplementos para alimentação animal; materiais de construção; combustíveis e propelentes para foguetes.

Da mesma forma, o poder calórico foi determinado por calorimetria em estudos termodinâmicos de materiais combustíveis; no estudo do balanço energético em ecologia; em explosivos e pós térmicos e no ensino de métodos termodinâmicos básicos.

Referências

Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química. (8ª ed.). CENGAGE Learning.
González J., Cortés L. & Sánchez A. (s.f.). Calorimetria adiabática e suas aplicações. Recuperado de: cenam.mx
Wikipedia. (2018). Calorímetro. Recuperado de: en.wikipedia.org
Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 de junho de 2018). Definição de Calorímetro em Química. Recuperado de: Thoughtco.com
Gillespie, Claire. (11 de abril de 2018). Como funciona um calorímetro? Ciência. Recuperado de: sciencing.com