El calorímetro es un instrumento utilizado para medir la "cantidad de calor"; más concretamente, es un dispositivo para determinar magnitudes calorimétricas como el calor específico, la capacidad calorífica y el calor latente. Existen varios tipos de calorímetros, por ejemplo, el calorímetro de "mezcla", el calorímetro "Bunsen", el calorímetro "de hielo" o la llamada "bomba Mahler"; el principio de funcionamiento, que no puede analizarse en detalle aquí, se basa en el cálculo de la variación de entalpía por mol entre dos sustancias. Aquí nos limitamos a describir el llamado "calorímetro de mezclas", que es también el más utilizado con fines didácticos, es decir, para calcular el calor específico de una sustancia o un cuerpo "X".
¿Cómo funciona el calorímetro?
Se trata de un instrumento capaz de medir el intercambio de calor entre sustancias y en los distintos cambios de estado: consiste en un recipiente de paredes adiabáticas con cierre de tapa y baja conductividad térmica para minimizar las pérdidas de calor.
En contacto térmico con el interior del recipiente se conecta un termómetro para medir las diferencias de temperatura y un agitador; a continuación se vierte agua en el recipiente a la temperatura TA y luego la sustancia (o cuerpo) X que se examina a la temperatura TX mayor que TA. El calor específico de la sustancia X puede deducirse (mediante algunos cálculos que tienen en cuenta no sólo la masa del agua y del cuerpo X sino también el calor absorbido o cedido durante la medición) a partir de la variación de la temperatura del agua para alcanzar la condición de equilibrio térmico.
Supongamos que queremos determinar el calor específico de una barra de un determinado metal.
En primer lugar, necesitamos saber la cantidad de agua que vamos a utilizar y su temperatura inicial. A continuación, podemos sumergir la varilla (cuya masa y temperatura inicial conocemos) dentro del calorímetro.
Como sabemos, cuando dos cuerpos de diferente temperatura entran en contacto, se produce un paso de calor del cuerpo más caliente al más frío, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura.
Por lo tanto, también en este caso, independientemente de cuál de los dos sea el cuerpo más caliente, al cabo de un cierto tiempo, el agua del calorímetro y la varilla metálica habrán alcanzado la misma temperatura, que es una temperatura de equilibrio.
Tipos de calorímetro
Los dos tipos de calorímetro (de presión constante o de volumen constante) funcionan de forma diferente. El calorímetro de presión constante es un tipo de instrumento muy económico, que consiste en dos recipientes, generalmente de poliestireno, que proporcionan un buen aislamiento contra el ambiente externo. El recipiente interior contiene un termómetro.
El calorímetro de volumen constante, o calorímetro de bomba, es un dispositivo más sofisticado que permite una medición más precisa de las transferencias de energía.
Calorímetro de presión constante
El calorímetro de presión constante mide el cambio de entalpía en una reacción química. Los reactivos, en fase líquida, se colocan en el centro del recipiente principal. La reacción puede proceder de dos maneras: transfiriendo calor al exterior o absorbiendo calor del exterior. En el primer caso, la reacción es exoergónica porque libera calor al entorno, mientras que en el segundo caso, la reacción es endoergónica porque adquiere calor del entorno.
Calorímetro de volumen constante
El calorímetro de volumen constante es mucho más complejo que el de presión constante. En el calorímetro de volumen constante, la reacción tiene lugar dentro de un recipiente muy resistente, capaz de trabajar a altas presiones. En este sistema, en lugar del cambio de entalpía, se mide la energía transferida al entorno. Por ello, las tablas calorimétricas de los alimentos se elaboran mediante análisis con un calorímetro de volumen constante.
El funcionamiento del calorímetro de volumen constante es muy sencillo: el cilindro interior, generalmente de acero, contiene la muestra para analizar más oxígeno puro. Un sistema de ignición, mediante una breve descarga eléctrica, permite quemar la muestra, lo que libera una cantidad de energía. La transferencia de energía, en forma de calor, hace que la temperatura del agua en el segundo cilindro aumente. Basándose en el aumento de la temperatura, es posible estimar la cantidad de energía transferida entre el primer y el segundo cilindro.
