Medición de la capacidad calorífica específica

La capacidad calorífica es una propiedad física intrínseca que determina el nivel de calor necesario para cambiar la temperatura de una sustancia en una cantidad predeterminada. La capacidad calorífica específica se refiere a la capacidad calorífica de un material dividida por la masa, que controla la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo en un grado centígrado (o un Kelvin). Esta es una cantidad física útil para una serie de objetivos, por ejemplo, para optimizar procesos técnicos o evaluar el riesgo térmico. Las unidades de capacidad calorífica específica suelen ser julios por gramo Kelvin o J/gK.

Para calcular la capacidad calorífica de un material, se aplica la siguiente ecuación:

c_p  =  q / (m  ∙ ∆T)

Donde c_p  =  calor específico, m = masa en gramos, q  =   energía perdida o ganada y ∆T = cambio de temperatura

Visión general de temas:

• Capacidad calorífica específica en función de la temperatura
• Valores caloríficos específicos de sustancias comunes
• Calorimetría diferencial de barrido (DSC)
• Estándares
• Software STARe: seis métodos para determinar la capacidad calorífica específica
• Ajuste y calibración
• Trucos y consejos
• Preguntas frecuentes

La capacidad calorífica específica de una sustancia es una función de la temperatura. Como se muestra en el diagrama, la capacidad calorífica específica del zafiro aumenta con la temperatura, lo cual es habitual en la mayoría de las sustancias. El agua tiene una capacidad calorífica específica excepcionalmente alta de aproximadamente 4 J/gK y muestra un comportamiento anómalo con una capacidad calorífica específica mínima de unos 35  °C.

Para obtener más información, consulte nuestro curso on-line sobre la determinación de la capacidad calorífica específica mediante DSC:

Las diferentes sustancias responden al calor de distintas maneras. Un ejemplo común y real de esto serían los objetos metálicos que se dejan a la luz solar directa en comparación con una cantidad idéntica de agua en las mismas condiciones. El metal se calienta rápidamente, mientras que el agua no. En otras palabras, el agua tiene una gran capacidad calorífica.

Los valores de sólidos y líquidos oscilan entre 0,1 y 5 J/gK. El calor específico de la mayoría de las sustancias se incrementa conforme aumenta la temperatura; por lo tanto, la medición se suele realizar en un intervalo de temperatura relativamente amplio. En la tabla se muestran algunos ejemplos a 25 °C.

Puede encontrar una explicación detallada de la capacidad calorífica específica en nuestro manual sobre análisis térmico en la práctica.

La calorimetría diferencial de barrido (DSC) es una técnica de medición versátil implementada en muchos laboratorios analíticos, de control de calidad y de I+D. Se usa para medir el flujo de calor producido en una muestra cuando se calienta, se enfría o se mantiene de forma isotérmica a temperatura constante.

La DSC es un método popular empleado para determinar la capacidad calorífica específica gracias a su facilidad de uso, sus tiempos reducidos de medición y una exactitud alcanzable de hasta ± 2 % (según el método específico que se use; consulte la siguiente sección).

Por lo general, la DSC convencional abarca mediciones de hasta 700 °C. Pero también se pueden obtener resultados excelentes por encima de 700 °C mediante un instrumento TGA/DSC de METTLER TOLEDO.

En este ejemplo de poliestireno, la curva de flujo de calor es directamente proporcional a la capacidad calorífica específica en el intervalo de temperatura medido.

Un estándar se usa para proporcionar una norma comparativa que se reconozca y aplique de forma generalizada. Esto asegura que los procesos de producción o comprobaciones se puedan comparar de modo uniforme con otros procedimientos. Es una buena forma de asegurar la fiabilidad de los resultados de las comprobaciones. Los estándares pueden, según su disponibilidad, reemplazar la validación de métodos en el análisis, que se requiere para asegurar la calidad, la acreditación o la aprobación. Hoy en día, son muchas las organizaciones nacionales e internacionales, como la ISO, la ASTM, la DIN y la CEN, las que se encargan de llevar a cabo la estandarización en el análisis térmico. En la DSC, la capacidad calorífica específica se puede calcular a partir de la curva de flujo de calor. Los resultados se evalúan según estándares como la ISO 11357-1, la ISO 11357-4, la DIN 53765, la DIN 51007-1 o la ASTM E1269.

Se pueden emplear varios métodos diferentes para determinar la capacidad calorífica específica a partir de la curva de flujo de calor de DSC. El software STAR^e de METTLER TOLEDO admite los siguientes métodos:

Los denominados “método directo” y “método de zafiro” se llevan a cabo con un instrumento DSC convencional y un programa de temperaturas lineal. Con la DSC tradicional, solo hay una señal de flujo de calor (total). La capacidad calorífica, sin embargo, consta de dos componentes: la capacidad calorífica sensible (flujo de calor reversible) y la capacidad de calor latente (flujo de calor no reversible):

c_p = c_{p, sensible} + c_{p, latente}

La capacidad de calor latente está relacionada con transiciones físicas o químicas como la fusión, la cristalización o las reacciones químicas. Estos eventos térmicos se observan en una curva de DSC como picos endotérmicos o exotérmicos. Por consiguiente, la capacidad de calor latente resulta positiva para eventos endotérmicos y negativa para eventos exotérmicos.

La capacidad calorífica sensible está relacionada con la cantidad de calor absorbido a causa de las reorganizaciones y el movimiento general de las moléculas. Este componente es positivo. La curva de DSC del diagrama muestra que la capacidad de calor sensible está directamente relacionada con el flujo de calor medido siempre que no se produzcan eventos térmicos. En muchas transiciones, la capacidad calorífica sensible define la línea base del pico relacionado.

La DSC con modulación de temperatura (TMDSC) se diferencia de la DSC convencional en que permite separar el flujo de calor total en componentes reversibles y no reversibles. Esto es importante a la hora de proporcionar datos de cp exactos donde se solapan diferentes efectos térmicos, por ejemplo, la transición vítrea (componente de flujo de calor reversible) y la entalpía de relajación (componente de flujo de calor no reversible).

Los programas de temperatura que se emplean en la DSC con modulación de temperatura son más complejos con respecto a los empleados en los experimentos de DSC convencionales. METTLER TOLEDO ofrece tres técnicas diferentes para realizar mediciones de DSC con modulación de temperatura. A continuación, se resumen sus características más importantes.

La temperatura se debe calibrar (comprobar) en el intervalo de medición útil, ya que el calor específico es una función de la temperatura. Se deben realizar ajustes si es necesario. En la DSC, las fuentes más importantes de no reproducibilidad son la transferencia de calor entre el sensor y el crisol y entre el crisol y la muestra. La deriva isotérmica que se genera se puede corregir aplicando el método propuesto en el estándar DIN 51007.

Se pueden obtener datos exactos de capacidad calorífica cuando la DSC se ajusta correctamente mediante sustancias de referencia certificadas, por ejemplo, de LGC (Reino Unido), NIST (EE. UU.) o PTB (Alemania). Si se emplea el método directo, el flujo de calor se debe ajustar de forma adecuada para el intervalo de temperatura y los crisoles deseados.

La calibración del análisis térmico y el ajuste del flujo de calor y la temperatura se explican con mayor detalle en los siguientes recursos de METTLER TOLEDO:

La medición de datos cuantitativos de capacidad calorífica de buena calidad es una tarea complicada para la DSC. Sin embargo, es una técnica común y útil gracias a la disponibilidad de instrumentos DSC, la preparación de muestras sencilla, el tiempo de medición relativamente corto, una buena exactitud y la evaluación sencilla mediante un software comercial.

Entre los trucos y consejos para obtener buenos datos se incluyen:

• Estabilice el instrumento antes de la medición.
• Nunca use la primera medición después de encender el instrumento.
• Compruebe la reproducibilidad mediante mediciones repetidas.
• El promedio de distintas medidas mejora la exactitud.
• Use la sustracción de curva en blanco en el método (TOPEM es la excepción).
• Coloque los crisoles con exactitud en el sensor.
• Use los mismos crisoles para las tres mediciones. Si esto no es posible, use crisoles con solo una pequeña diferencia en masa, <10 µg, como se propone en el estándar ASTM.
• En el caso de crisoles que presenten mayores diferencias, use la corrección de masa del crisol.
• Recomendación: crisol de 40 µl; masa de muestra: de 10 a 20 mg para materiales orgánicos.
• Aplique velocidades de calentamiento en el intervalo de 5 a 10 K/min.
• Pese la muestra después de la medición. Una pérdida de masa importante reduce la fiabilidad de los datos de c_p. La pérdida de masa se registra automáticamente en un instrumento TGA/DSC.
• Para obtener una mayor exactitud, especialmente cuando se emplean métodos no modulados:
  • Use una masa de muestra mayor, C_p (muestra) » C_p (estándar)
  • Asegure un buen contacto térmico entre la muestra y el crisol.