Kalorimetriako eztabaida-galderen adibidea
Fisikan, kalorimetria zientziaren adarra da, erreakzio kimikoetan edo aldaketa fisikoetan beroaren neurketa aztertzen duena. Bero kantitatea neurtzeko erabiltzen den tresnari kalorimetro deitzen zaio. Kalorimetriak funtsezko zeregina du, batez ere termodinamikan eta kimika fisikoan, non energia termikoaren aldaketak behatu eta neurtzen diren.
Kalorimetriaren oinarrizko printzipioak
Kalorimetriaren oinarrizko printzipioa energiaren kontserbazioaren legean oinarritzen da, hau da, energia ezin da sortu ezta suntsitu ere, energia mota batetik bestera eraldatu besterik ezin daitekeela egin. Kalorimetriaren testuinguruan, sistemak galtzen duen bero-energiak inguruneak xurgatzen duen bero-energiaren berdina izan behar du. Kalorimetria esperimentuetan tresna nagusia kalorimetro bat izan ohi da, kalorimetro sinple bat izan daitekeena, hots, ur-kalorimetro bat, edo kalorimetro konplexuago bat, hala nola bonba-kalorimetro bat.
Oinarrizko kalorimetria formulak
Kalorimetriaren oinarrizko formula hau da:
Q = m ∫c ∫Delta T
Non:
– \(Q\) bero kantitatea da (jouleetan edo kalorietan)
– \(m\) substantziaren masa da (gramoetan edo kilogramoetan)
– \(c\) substantziaren bero espezifikoa da (J/(g°C) edo cal/(g°C)-tan)
– ΔT tenperaturaren aldaketa da (°C-tan)
Kalorimetriaren kontzeptua eta aplikazioa hobeto ulertzeko, ikus ditzagun galdera eta eztabaida batzuen adibide batzuk.
Galdera Adibideak eta Eztabaida 1
Galdera:
200 gramoko metalezko pieza bat 100 °C-ra berotzen da eta ondoren 100 gramo uretan murgiltzen da 20 °C-tan. Nahastearen azken tenperatura 27 °C-koa da. Zehaztu metalaren bero espezifikoa! (uraren bero espezifikoa = 4,18 J/(g °C))
Eztabaida:
Lehen urratsa urak xurgatzen duen beroa kalkulatzea da. Oinarrizko formula erabiliz:
\[ Q_{\text{aire}} = m_{\text{aire}} \cdot c_{\text{aire}} \cdot \Delta T_{\text{aire}} \]
\(m_{\text{aire}} = 100 \) gramo, \(c_{\text{aire}} = 4.18 \) J/(g°C) eta \(ΔT_{\text{aire}} = 27 °C – 20 °C = 7 °C) direnean,
Q_{\text{aire}} = 100 \text{4.18 \text{7} = 2926 \text{J}]
Metalak askatzen duen beroa urak xurgatzen duen beroaren berdina da, beraz:
Q_{\text{metala}} = 2926 \text{ J}
Beroaren formula erabiliz:
\[ m_{\text{metala}} \cdot c_{\text{metala}} \cdot \Delta T_{\text{metala}} = Q_{\text{metala}} \]
m_{\text{metal}} = 200 \) gramorekin, \(\Delta T_{\text{metal}} = 100 °C – 27 °C = 73 °C \),
200 c_{\text{metal}} 73 = 2926 J]
\[ c_{\text{metal}} = \frac{2926}{200 \time 73} \]
\[ c_{\text{metal}} = 0.2 \text{ J/(g°C)} \]
Beraz, metalaren bero espezifikoa 0.2 J/(g°C) da.
Galdera Adibideak eta Eztabaida 2
Galdera:
50 g-ko masa duen izotz bloke bat 0 °C-ko tenperaturan 200 g uretan jartzen da kalorimetro batean, 30 °C-ko tenperaturan. Zehaztu nahastearen azken tenperatura oreka termikoa lortu ondoren! (izotzaren fusio-beroa = 334 J/g, uraren bero espezifikoa = 4,18 J/g°C)
Eztabaida:
Lehen urratsa izotza urtzeko behar den beroa kalkulatzea da:
\[ Q_{\text{urtu}} = m_{\text{es}} \cdot L \]
\(m_{\text{es}} = 50 \) gramo eta \(L = 334 \) J/g-rekin,
Q_{\text{urtzea}} = 50 \times 334 = 16700 \text{ J} \]
Ondoren, aurkitu izotzak urtu ondoren xurgatzen duen beroa azken tenperaturara iristeko (T nahastearen azken tenperatura dela suposatuz):
Q_{\text{izotz-ura}} = m_{\text{es}} \cdot c_{\text{aire}} \cdot (T – 0°C) \]
\( c_{\text{aire}} = 4.18 \text{ J/g°C} \)rekin,
Q_{\text{ur izotza}} = 50 \times 4.18 \times T \]
Ur hotzak askatzen duen beroa (30 °C-tik T-ra):
Q_{\text{aire}} = m_{\text{aire}} \cdot c_{\text{aire}} \cdot (30°C – T) \]
\(m_{\text{aire}} = 200 \) gramorekin,
Q_{\text{aire}} = 200 \times 4.18 \times (30 – T)
Oreka termikoan, izotzak xurgatzen duen bero kopurua (urtzeko eta T-ra berotzeko) urak askatzen duen bero kopuruaren berdina izango da:
\[ Q_{\text{urtu}} + Q_{\text{izotz-ura}} = Q_{\text{ura}} \]
\[ 16700 + 50 × 4.18 × T = 200 × 4.18 × (30 – T) \]
\[ 16700 + 209T = 8360 \times (30 – T) \]
\[ 16700 + 209T = 250800 – 8360T \]
\[ 8569T = 234100 \]
\[ T = \frac{234100}{8569} \gutxi gorabehera 27.3 °C \]
Beraz, oreka termikoa lortu ondoren nahastearen azken tenperatura 27.3 °C ingurukoa da.
Ondorioa
Kalorimetria fisikan eta kimikan teknika garrantzitsua da, prozesu fisiko edo kimiko batean bero-energiaren kantitatea zehazteko erabiltzen dena. Kalorimetriaren oinarrizko printzipioak eta formulak erabiliz, hainbat parametro kalkula ditzakegu, hala nola substantzia baten bero espezifikoa, tenperaturaren aldaketa edo prozesu batean xurgatzen/askatzen den energia. Artikulu honetan, kalorimetria ulertzeko testuinguruan, arazoen adibideak eta haien irtenbideak aztertu ditugu. Kontzeptu hauek ondo ulertzea ezinbestekoa da hainbat arazo termodinamiko eta beste aplikazio praktiko batzuk konpontzeko.
