Calorimetru

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 8 decembrie 2021; verificările necesită 3 modificări .

Calorimetru (din latină  calor  - căldură și metor  - măsură) - un dispozitiv pentru măsurarea cantității de căldură eliberată sau absorbită în orice proces fizic, chimic sau biologic. Termenul de „calorimetru” a fost propus de A. Lavoisier și P. Laplace ( 1780 ) [1] [2] .

În fizica particulelor elementare și în fizica nucleară , se folosește un calorimetru cu ionizare  - un dispozitiv pentru măsurarea energiei particulelor.

Calorimetre moderne

Calorimetrele moderne funcționează în intervalul de temperatură de la 0,1 la 3500 K și permit măsurarea cantității de căldură cu o eroare relativă de 0,01 la 10%. Proiectarea calorimetrelor este foarte diversă și este determinată de natura și durata procesului studiat, de intervalul de temperatură la care se fac măsurătorile, de cantitatea de căldură măsurată și de precizia necesară [3] [4] [5] .

Tipuri de calorimetre

Un calorimetru conceput pentru a măsura cantitatea totală de căldură Q eliberată într-un proces de la începutul său până la finalizare se numește calorimetru integrator.

Un calorimetru pentru măsurarea puterii termice (rata de eliberare a căldurii) L și modificările acesteia în diferite etape ale procesului - cu un contor de putere sau un calorimetru cu osciloscop . În funcție de proiectarea sistemului calorimetric și a metodei de măsurare, se disting calorimetrele lichide și vrac, simple și duble (diferențiale).

calorimetru-integrator lichid

Un calorimetru-integrator lichid de temperatură variabilă cu o înveliș izotermă este utilizat pentru a măsura căldurile de dizolvare și căldurile reacțiilor chimice. Este format dintr-un vas umplut cu un lichid (de obicei apă) care conține: o cameră pentru efectuarea procesului investigat (o „bombă calorimetrică”), un agitator, un încălzitor și un termometru . Căldura eliberată în cameră este apoi distribuită între cameră, lichid și alte părți ale calorimetrului, a cărui totalitate se numește sistemul calorimetric al dispozitivului.

În calorimetrele lichide, temperatura izotermă a învelișului este menținută constantă. La determinarea căldurii unei reacții chimice, cele mai mari dificultăți sunt adesea asociate nu cu luarea în considerare a proceselor secundare, ci cu determinarea completității reacției și cu necesitatea de a lua în considerare mai multe reacții.

Măsurători calorimetrice

Schimbarea stării (de exemplu, a temperaturii) a sistemului calorimetric vă permite să măsurați cantitatea de căldură introdusă în calorimetru. Încălzirea sistemului calorimetric este înregistrată de un termometru . Înainte de măsurători, calorimetrul este calibrat  - modificarea temperaturii sistemului calorimetric este determinată atunci când îi este transmisă o cantitate cunoscută de căldură (de încălzitorul calorimetrului sau ca urmare a unei reacții chimice cu o cantitate cunoscută de substanță standard în camera). În urma calibrării, se obține valoarea termică a calorimetrului, adică coeficientul cu care trebuie înmulțită modificarea temperaturii calorimetrului măsurată de termometru pentru a determina cantitatea de căldură introdusă în acesta. Valoarea termică a unui astfel de calorimetru este capacitatea termică (c) a sistemului calorimetric. Determinarea căldurii necunoscute de ardere sau a altei reacții chimice Q se reduce la măsurarea modificării temperaturii Δ t a sistemului calorimetric cauzată de procesul studiat: Q=c Δ t . De obicei, valoarea Q este legată de masa substanței din camera calorimetrului.

Procese secundare în măsurători calorimetrice

Măsurătorile calorimetrice fac posibilă determinarea directă numai a sumei căldurilor procesului studiat și a diferitelor procese secundare, cum ar fi amestecarea, evaporarea apei, spargerea unei fiole cu o substanță etc. Căldura proceselor secundare trebuie determinată empiric sau prin calcul și exclus din rezultatul final. Unul dintre procesele secundare inevitabile este schimbul de căldură al calorimetrului cu mediul prin radiație și conducție de căldură . Pentru a ține cont de procesele secundare și, mai ales, de transferul de căldură, sistemul calorimetric este înconjurat de o carcasă, a cărei temperatură este controlată.

calorimetru-integrator izotermic

Într-un calorimetru-integrator de alt tip - izoterm (temperatura constantă), căldura introdusă nu modifică temperatura sistemului calorimetric, ci provoacă o modificare a stării de agregare a corpului care face parte din acest sistem (de exemplu, topirea gheții în calorimetrul de gheață Bunsen ). Cantitatea de căldură introdusă se calculează în acest caz prin masa substanței care a schimbat starea de agregare (de exemplu, masa gheții topite, care poate fi măsurată prin modificarea volumului amestecului de gheață și apă) , și căldura de tranziție de fază .

Calorimetru-integrator masiv

Un calorimetru-integrator masiv este cel mai adesea folosit pentru a determina entalpia substanțelor la temperaturi ridicate (până la 2500 °C). Sistemul calorimetric al acestui tip de calorimetru este un bloc de metal (de obicei din cupru sau aluminiu ) cu niște adâncituri pentru vasul în care are loc reacția, pentru termometru și încălzitor. Entalpia unei substanțe este calculată ca produsul dintre valoarea termică a calorimetrului și diferența de creștere a temperaturii blocului, măsurată după scăparea unei fiole cu o anumită cantitate de substanță în cuibul său și apoi a unei fiole goale încălzite la aceeasi temperatura.

Calorimetre labirint de debit

Capacitatea termică a gazelor, și uneori a lichidelor, este determinată în așa-numitul. calorimetre labirint de curgere - în funcție de diferența de temperatură la intrarea și ieșirea unui flux staționar de lichid sau gaz, puterea acestui flux și căldura Joule eliberată de încălzitorul electric al calorimetrului.

Calorimetru - contor de putere

Un calorimetru care funcționează ca un contor de putere, spre deosebire de un calorimetru integrator, trebuie să aibă un schimb de căldură semnificativ, astfel încât cantitățile de căldură introduse în el să fie îndepărtate rapid, iar starea calorimetrului să fie determinată de valoarea instantanee a puterii proces termic. Puterea termica a procesului se gaseste din schimbul de caldura dintre calorimetru si manta. Astfel de calorimetre, dezvoltate de fizicianul francez E. Calvet , sunt un bloc metalic cu canale în care sunt plasate celule cilindrice. Procesul studiat se desfășoară în celulă; blocul metalic joacă rolul unei învelișuri (temperatura sa este menținută constantă cu o precizie de 10–5–10–6 K ) . Diferența de temperatură dintre celulă și bloc este măsurată printr-un termopil cu până la 1000 de joncțiuni. Transferul de căldură al celulei și EMF -ul termopilului sunt proporționale cu diferența mică de temperatură care apare între bloc și celulă atunci când căldura este eliberată sau absorbită în acesta. Cel mai adesea, două celule sunt plasate în bloc, care funcționează ca un calorimetru diferențial: termopilele fiecărei celule au același număr de joncțiuni și, prin urmare, diferența de EMF lor vă permite să determinați direct diferența de putere a căldurii. fluxurile care intră în celule. Această metodă de măsurare face posibilă eliminarea distorsiunii valorii măsurate prin fluctuații aleatorii ale temperaturii blocului. Pe fiecare celulă sunt de obicei montate două termopile: unul permite compensarea puterii termice a procesului studiat pe baza efectului Peltier , iar celălalt (indicator) servește la măsurarea părții necompensate a fluxului de căldură. În acest caz, dispozitivul funcționează ca un calorimetru de compensare diferențială.La temperatura camerei, astfel de calorimetre măsoară puterea termică a proceselor cu o precizie de 1 μW.

Denumirile calorimetrelor

Denumirile obișnuite pentru calorimetre - „pentru o reacție chimică”, „bombă”, „izotermă”, „gheață”, „temperatură joasă” - sunt de origine istorică și indică în principal metoda și zona de utilizare a calorimetre, nefiind nici o caracteristică completă, nici comparativă a acestora.

Clasificarea generală a calorimetrelor

O clasificare generală a calorimetrelor poate fi construită pe baza luării în considerare a trei variabile principale care determină tehnica de măsurare: temperatura sistemului calorimetric T c ; temperatura învelișului T o înconjoară sistemul calorimetric; cantitatea de căldură L eliberată în calorimetru pe unitatea de timp (putere termică).

Calorimetrele cu T c și T o constante se numesc izoterme; cu T c = T o  - adiabatic; un calorimetru care funcționează la o diferență de temperatură constantă T c  - T o se numește calorimetru cu schimb de căldură constant; un calorimetru cu izoperibol (numit și calorimetru cu înveliș izoterm) are o constantă T o , iar T c este o funcție a puterii termice L .

Factori care afectează rezultatul final al măsurării

Un factor important care influențează rezultatul final al măsurării este funcționarea fiabilă a regulatoarelor automate de temperatură pentru carcase izoterme sau adiabatice. Într-un calorimetru adiabatic, temperatura învelișului este controlată astfel încât să fie întotdeauna aproape de temperatura în schimbare a sistemului calorimetric. Învelișul adiabatic, un ecran metalic ușor dotat cu un încălzitor, reduce transferul de căldură în așa măsură încât temperatura calorimetrului se modifică doar cu câteva zece miimi de grad/min. Adesea, acest lucru face posibilă reducerea schimbului de căldură în timpul experimentului calorimetric la o valoare nesemnificativă, care poate fi neglijată. Dacă este necesar, se introduce o corecție pentru transferul de căldură în rezultatele măsurătorilor directe, a cărei metodă de calcul se bazează pe legea lui Newton de transfer de căldură  - proporționalitatea fluxului de căldură dintre calorimetru și carcasă cu diferența de temperaturi ale acestora, dacă această diferență este mică (până la 3-4 °C).

Pentru un calorimetru cu o înveliș izotermă, căldurile unei reacții chimice pot fi determinate cu o eroare de până la 0,01%. Dacă dimensiunile calorimetrului sunt mici, temperatura acestuia se modifică cu mai mult de 2–3 °C, iar procesul studiat este lung, atunci cu o carcasă izotermă, corecția pentru transferul de căldură poate fi de 15–20% din valoarea măsurată. și limitează semnificativ precizia măsurării. În aceste cazuri, este mai convenabil să se folosească o coajă adiabatică.

Folosind un calorimetru adiabatic, capacitatea termică a substanțelor solide și lichide este determinată în intervalul de la 0,1 la 1000 K. La temperaturi camere și mai mici, un calorimetru adiabatic protejat de o manta de vid este scufundat într- un vas Dewar umplut cu heliu lichid , hidrogen . sau azot . La temperaturi ridicate (peste 100 °C), calorimetrul este plasat într-un cuptor electric controlat termostatic.

Vezi și

Link -uri

  1. ↑ Cherednichenko L.K. Calorimetrie fiziologică. - M. - L . : Nauka, 1965. - S. 135.
  2. ↑ Almyashev V.I., Vasilevskaya A.K., Kirillova S.A., Krasilin A.A., Proskurina O.V. Analiză termică complexă. - Sankt Petersburg. : Lema, 2017. - S. 194.
  3. ↑ Hemminger W., Höhne G. Calorimetry. Teorie și practică. - M .: Chimie, 1984. - S. 176. - ISBN 5-7245-0359-X .
  4. ↑ Popov M.M. Termometrie și calorimetrie. - M. : MGU, 1954. - S. 943.
  5. ↑ Reznitsky L.A. Calorimetrie în stare solidă (transformări structurale, magnetice, electronice). - M. : MGU, 1981. - S. 184.