Ejercicios de química resueltos. Termoquímica. Calorimetría a presión constante de cuerpo inerte

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La termoquímica estudia los cambios de energía térmica que acompañan a los procesos físicos y químicos. En este contexto, la calorimetría es una herramienta fundamental que permite medir el calor transferido durante un fenómeno, ya sea una reacción química o un cambio de estado. Cuando se trabaja con cuerpos inertes, es decir, sustancias que no reaccionan químicamente durante el experimento, el análisis térmico se centra únicamente en los cambios de temperatura que experimentan estos materiales al intercambiar calor con su entorno.

En los experimentos descritos en esta sección se utiliza un calorímetro de presión constante, un dispositivo que aísla suficientemente el sistema para permitir un análisis confiable del calor transferido. Se parte del supuesto de que no hay pérdida de energía hacia el ambiente, lo cual facilita el cálculo de la cantidad de calor ganada o perdida por cada componente del sistema.

Los ejercicios aquí reunidos, extraídos de manuales clásicos como los de Brown y Chang, permiten explorar cómo diferentes materiales absorben o ceden calor al ser sometidos a variaciones de temperatura. Se analizan casos de intercambio de energía entre metales y agua, comparaciones de capacidades caloríficas, y deducción de propiedades térmicas a partir de observaciones experimentales. Todos los problemas reflejan situaciones comunes de laboratorio, y su resolución contribuye a consolidar los conceptos fundamentales de la termodinámica química aplicada a sistemas simples y no reactivos.

Química de Brown

5.81 Dos objetos sólidos, A y B, se colocan en agua hirviendo y se dejan hasta alcanzar la temperatura del agua. Luego, cada uno se traslada a un vaso diferente que contiene 1000 g de agua a 10,0 °C. El objeto A incrementa la temperatura del agua en 3,50 °C; el objeto B la incrementa en 2,60 °C. (a) ¿Cuál objeto tiene mayor capacidad calorífica? (b) ¿Qué se puede decir sobre los calores específicos de A y B? [brown.15ed.5.81]

5.82 (a) ¿Qué sustancia en la Tabla 5.2 requiere la menor cantidad de energía para incrementar la temperatura de 50,0 g de dicha sustancia en 10 K?
(b) Calcula la energía necesaria para ese cambio de temperatura.

5.83 Considera los datos sobre el oro metálico en el ejercicio 5.68(b).
(a) Con base en los datos, calcula el calor específico del Au(s).
(b) Supón que se añade la misma cantidad de calor a dos bloques de 10,0 g de metal, ambos inicialmente a la misma temperatura. Uno es de oro metálico y el otro de hierro. ¿Cuál bloque experimentará un mayor aumento de temperatura tras la adición de calor?
(c) ¿Cuál es la capacidad calorífica molar del Au(s)?

Química de Chang

Ejemplo 6.7 Una bolita de plomo (Pb) con una masa de 26,47 g a 89,98 °C se colocó en un calorímetro de presión constante de capacidad calorífica despreciable que contenía 100,0 mL de agua. La temperatura del agua aumentó de 22,50 °C a 23,17 °C. ¿Cuál es el calor específico de la bolita de plomo?

Práctica 6.7 Una esfera de acero inoxidable de 30,14 g a 117,82 °C se coloca en un calorímetro de presión constante que contiene 120,0 mL de agua a 18,44 °C. Si el calor específico de la esfera es 0,474 J/g·°C, calcula la temperatura final del agua. Se asume que el calorímetro tiene capacidad calorífica despreciable.

6.31 Considera los siguientes datos: [tabla]
Cuando estos dos metales se ponen en contacto, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es correcta?
(a) El calor fluirá del Al al Cu porque el Al tiene mayor calor específico.
(b) El calor fluirá del Cu al Al porque el Cu tiene mayor masa.
(c) El calor fluirá del Cu al Al porque el Cu tiene mayor capacidad calorífica.
(d) El calor fluirá del Cu al Al porque el Cu está a mayor temperatura.

6.35 Una lámina de oro de 10,0 g a una temperatura de 18,0 °C se coloca sobre una lámina de hierro de 20,0 g a una temperatura de 55,6 °C. ¿Cuál es la temperatura final del conjunto de metales? Se asume que no hay pérdida de calor al entorno. (Sugerencia: el calor ganado por el oro debe ser igual al calor perdido por el hierro. Los calores específicos de los metales están en la Tabla 6.2).

6.36 A una muestra de agua a 23,4 °C en un calorímetro de presión constante con capacidad calorífica despreciable se le añade un trozo de aluminio de 12,1 g cuya temperatura es 81,7 °C. Si la temperatura final del agua es 24,9 °C, calcula la masa de agua en el calorímetro. (Sugerencia: consulta la Tabla 6.2).