Calorimetria de Volume Constante

Os calorímetros são úteis para determinar o calor libertado ou absorvido por uma reação química. Os calorímetros de xícara de café foram concebidos para funcionar a uma pressão (atmosférica) constante e são convenientes para medir o fluxo de calor (ou a alteração da entalpia) que acompanha os processos que ocorrem na solução a uma pressão constante. Um tipo diferente de calorímetro que opera em volume constante, coloquicamente conhecido como calorímetro de bomba, é usado para medir a energia produzida por reações que produzem grandes quantidades de calor e produtos gasosos, como reações de combustão. (O termo “bomba” provém da observação de que estas reações podem ser suficientemente vigorosas para se assemelharem a explosões que poderiam danificar outros calorímetros.) 

A primeira lei da termodinâmica sugere que a mudança na energia interna (ΔE) de uma reação é a soma do calor (q) e do trabalho (w). 

Em reações gasosas, o trabalho realizado é do tipo pressão-volume, resultando assim em alterações no volume da reação. 

Os calorímetros de bomba foram concebidos para funcionar a um volume constante, de modo a que o volume da reação não possa mudar (ΔV = 0). 

Portanto, o trabalho realizado é zero, e o calor (q_v) medido com um calorímetro de bomba é equivalente à mudança na energia interna da reação.

Um calorímetro de bomba consiste em um recipiente de aço robusto que contém os reagentes e está submerso em água. A amostra é colocada na bomba, que é então enchida com oxigénio a alta pressão. É utilizada uma pequena faísca elétrica para incendiar a amostra. A energia produzida pela reação é absorvida pela bomba de aço e pela água circundante. O aumento da temperatura (ΔT) é medido e, juntamente com a capacidade térmica conhecida do calorímetro (C_cal), é utilizado para calcular o calor absorvido pelo conjunto inteiro do calorímetro (q_cal). 

Uma vez que o calorímetro está isolado e não se perde calor para o ambiente, o calor obtido pelo calorímetro é igual ao calor libertado pela reação.

Devido a condições de volume constantes, o calor evoluído na reação corresponde à mudança de energia interna.

Esta é a alteração de energia interna para a quantidade específica de reagente submetido a combustão. ΔErxn por mole de um reagente específico é obtida dividindo o valor pelo número de moles que realmente reagiram.

Os calorímetros de bomba requerem calibração para determinar a capacidade térmica do calorímetro e garantir resultados precisos. A calibração é realizada através de uma reação com um q conhecido, como uma quantidade medida de ácido benzóico incendiada por uma faísca de um fio de fusível de níquel que é pesado antes e depois da reação. A alteração da temperatura produzida pela reação conhecida é utilizada para determinar a capacidade térmica do calorímetro. A calibração é geralmente realizada sempre que o calorímetro é utilizado para recolher dados de investigação.

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 5.2: Calorimetry.