Kalorimeter

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi v iskanje
Prvi ledeni kalorimeter na svetu, ki sta ga v letih 1782–83 zasnovala in uporabila Antoine Lavoisier in Pierre Simon Laplace za določanje toplote, ki se sprošča med različnimi kemijskimi reakcijami, pa tudi za preučevanje toplote, ki jo morski prašički sproščajo med dihanjem; izračuni latentne toplote so temeljili na predhodnem odkritju Josepha Blacka. Ti poskusi so temelj termokemije.
Ledeni kalorimeter Lavoisier-Laplace, risba 1801
Ledeni kalorimeter Lavoisier-Laplace v Muzeju za umetnost in obrt (Pariz, Francija)

Kalorimeter (iz latinščine calor - toplota in metor - meriti) je naprava za merjenje količine toplote, ki se sprosti ali absorbira v katerem koli fizikalnem, kemičnem ali biološkem procesu. Izraz "kalorimeter" sta predlagala A. Lavoisier in P. Laplace ( 1780 ) [1] [2] .

V fiziki osnovnih delcev in jedrski fiziki se uporablja ionizacijski kalorimeter - naprava za merjenje energije delcev.

Sodobni kalorimetri

Sodobni kalorimetri delujejo v temperaturnem območju od 0,1 do 3500 K in lahko merijo količino toplote z natančnostjo 0,01-10%. Naprava kalorimetrov je zelo raznolika in je določena z naravo in trajanjem preučenega procesa, temperaturnim območjem, pri katerem se izvajajo meritve, količino izmerjene toplote in zahtevano natančnostjo [3] [4] [5] .

Vrste kalorimetrov

Kalorimeter, zasnovan za merjenje skupne količine toplote Q, ki se sprosti med postopkom od njegovega začetka do konca, se imenuje integrator kalorimeter

Kalorimeter za merjenje toplotne moči (stopnje sproščanja toplote) L in njene spremembe v različnih fazah procesa - z merilnikom moči ali kalorimetrom -osciloskopom . Glede na zasnovo kalorimetričnega sistema in metodo merjenja ločimo tekoče in masivne kalorimetre, enojne in dvojne (diferencialne).

Tekoči kalorimeter-integrator

Za merjenje toplote raztapljanja in toplote kemičnih reakcij se uporablja tekoči kalorimeter-integrator s spremenljivo temperaturo z izotermalno lupino. Sestavljen je iz posode s tekočino (običajno vodo), ki vsebuje: komoro za izvajanje raziskanega procesa ("kalorimetrična bomba"), mešalnik, grelec in termometer . Toplota, ki se sprošča v komori, se nato porazdeli med komoro, tekočino in druge dele kalorimetra, katerih celota se imenuje kalorimetrični sistem instrumenta.

V tekočih kalorimetrih je izotermna temperatura lupine konstantna. Pri določanju toplote kemične reakcije so največje težave pogosto povezane ne z upoštevanjem stranskih procesov, temveč z ugotavljanjem popolnosti reakcije in potrebo po upoštevanju več reakcij.

Kalorimetrične meritve

Spreminjanje stanja (na primer temperature) kalorimetričnega sistema omogoča merjenje količine toplote, vnesene v kalorimeter. Ogrevanje kalorimetričnega sistema se beleži s termometrom . Pred meritvami se kalorimeter kalibrira - sprememba temperature kalorimetričnega sistema se določi, ko se mu dovede znana količina toplote (s kalorimetrskim grelnikom ali kot posledica kemične reakcije z znano količino standardna snov v komori). Kot rezultat kalibracije dobimo toplotno vrednost kalorimetra, to je koeficient, s katerim je treba pomnožiti temperaturno spremembo kalorimetra, merjeno s termometrom, da se določi količina toplote, ki se vanj vnese. Toplotna vrednost takega kalorimetra je toplotna zmogljivost (c) kalorimetričnega sistema. Določanje neznane toplote zgorevanja ali druge kemijske reakcije Q se zmanjša na merjenje spremembe temperature Δ t kalorimetričnega sistema, ki jo povzroči preučevani proces: Q = c Δ t . Običajno je vrednost Q povezana z maso snovi v komori za kalorimeter.

Stranski procesi pri kalorimetričnih meritvah

Kalorimetrične meritve omogočajo neposredno določanje le vsote toplot obravnavanega procesa in različnih stranskih procesov, kot so mešanje, izhlapevanje vode, razbijanje ampule s snovjo itd. Toploto stranskih procesov je treba določiti empirično ali z izračunom in izključen iz končnega rezultata. Eden od neizogibnih stranskih procesov je izmenjava toplote kalorimetra z okoljem preko sevanja in toplotne prevodnosti . Da bi upoštevali stranske procese in predvsem prenos toplote, je kalorimetrični sistem obdan z lupino, katere temperatura je nadzorovana.

Izotermični integrator kalorimeter

V kalorimetrskem integratorju druge vrste - izotermni (konstantna temperatura), vnesena toplota ne spremeni temperature kalorimetričnega sistema, ampak povzroči spremembo agregatnega stanja telesa, ki je del tega sistema (na primer taljenje ledu v ledenem kalorimetru Bunsen ). Količina vnesene toplote se v tem primeru izračuna z maso snovi, ki je spremenila agregatno stanje (na primer maso stopljenega ledu, ki jo je mogoče izmeriti s spremembo volumna mešanice ledu in vode ) in toploto faznega prehoda .

Masivni integracijski kalorimeter

Za določanje entalpije snovi pri visokih temperaturah (do 2500 ° C) se najpogosteje uporablja masivni integrator kalorimeter. Kalorimetrični sistem te vrste kalorimetra je kovinski blok (običajno baker ali aluminij ) z vdolbinami za reakcijsko posodo, termometer in grelec. Entalpija snovi se izračuna kot produkt toplotne vrednosti kalorimetra z razliko v temperaturnih dvigih bloka, izmerjeno po spuščanju ampule z določeno količino snovi v gnezdo, nato pa se prazna ampula segreje do enaka temperatura.

Pretočni labirintni kalorimetri

Toplotna zmogljivost plinov, včasih pa tudi tekočin, se določi v t.i. pretočni labirintni kalorimetri - na podlagi temperaturne razlike na vstopu in izstopu iz stacionarnega toka tekočine ali plina, moči tega pretoka in Joulove toplote, ki jo sprosti električni grelec kalorimetra.

Kalorimeter - merilnik moči

Kalorimeter, ki deluje kot merilnik moči, mora v nasprotju z integriranim kalorimetrom imeti znatno izmenjavo toplote, tako da se količine toplote, ki se vanj vnese, hitro odstranijo, stanje kalorimetra pa določi trenutna vrednost moči toplotni proces. Toplotno moč postopka najdemo pri izmenjavi toplote kalorimetra z lupino. Takšni kalorimetri, ki jih je razvil francoski fizik E. Calvet , so kovinski blok s kanali, v katere so nameščene valjaste celice. Preiskovani postopek se izvaja v celici; kovinski blok igra vlogo lupine (njegova temperatura je konstantna z natančnostjo 10−5 –10 −6 K). Temperaturna razlika med celico in blokom se meri s termopilo z do 1000 spoji. Toplotna izmenjava celice in EMF termopile sta sorazmerni z majhno temperaturno razliko, ki nastane med blokom in celico, ko se v njej sprosti ali absorbira toplota. Najpogosteje sta v bloku postavljeni dve celici, ki delujeta kot diferencialni kalorimeter: termopile vsake celice imajo enako število stikov, zato razlika v njihovem EMF omogoča neposredno določanje razlike v moči toplotnih tokov vstop v celice. Ta metoda merjenja odpravlja popačenje izmerjene vrednosti z naključnimi nihanji temperature bloka. Običajno sta na vsako celico nameščeni dve termopili: ena omogoča kompenzacijo toplotne moči obravnavanega procesa na podlagi Peltierjevega učinka , druga (indikator) pa meri nekompenziran del toplotnega toka. V tem primeru naprava deluje kot diferencialni kompenzacijski kalorimeter, pri sobni temperaturi pa takšni kalorimetri merijo toplotno moč procesov z natančnostjo 1 μW.

Imena kalorimetrov

Tipična zasnova kalorimetra bombe.

Splošna imena kalorimetrov - "za kemijsko reakcijo", "bomba", "izotermična", "led", "nizkotemperaturna" - imajo zgodovinski izvor in večinoma označujejo metodo in področje uporabe kalorimetrov, saj niso niti popolna niti primerjalna značilnost.

Splošna klasifikacija kalorimetrov

Splošno klasifikacijo kalorimetrov lahko sestavimo na podlagi upoštevanja treh glavnih spremenljivk, ki določajo merilno tehniko: temperatura kalorimetričnega sistema T c ; temperatura lupine T o, ki obdaja kalorimetrični sistem; količina toplote L, ki se sprosti v kalorimetru na enoto časa (toplotna moč).

Kalorimetre s konstantama T c in T o imenujemo izotermni; s T c = T o - adiabatsko; kalorimeter, ki deluje pri konstantni temperaturni razliki T c - T o, se imenuje kalorimeter s konstantno izmenjavo toplote; za izoperibol kalorimeter (imenovan tudi kalorimeter z izotermalno lupino) je T o konstanten in T c je funkcija toplotne moči L.

Dejavniki, ki vplivajo na končni rezultat merjenja

Pomemben dejavnik, ki vpliva na končni rezultat merjenja, je zanesljivo delovanje avtomatskih regulatorjev temperature za izotermične ali adiabatske lupine. V adiabatskem kalorimetru se temperatura lupine nadzoruje tako, da je vedno blizu spreminjajoči se temperaturi kalorimetričnega sistema. Adiabatna lupina, zaslon iz lahke kovine, opremljen z grelcem, zmanjša prenos toplote do te mere, da se temperatura kalorimetra spremeni le za nekaj deset tisočakov stopinj / min. To pogosto omogoča prenos toplote med kalorimetričnim poskusom na zanemarljivo vrednost, ki jo lahko zanemarimo. Če je potrebno, se v rezultate neposrednih meritev vnese popravek za prenos toplote, katerega metoda izračuna temelji na Newtonovem zakonu o prenosu toplote - sorazmernosti toplotnega toka med kalorimetrom in lupino njihove temperaturne razlike, če to razlika je majhna (do 3-4 ° C).

Za kalorimeter z izotermalno lupino lahko toplote kemijske reakcije določimo z napako do 0,01%. Če so dimenzije kalorimetra majhne, ​​se njegova temperatura spremeni za več kot 2–3 ° C in je postopek, ki se preučuje, dolg, potem lahko z izotermalno lupino popravek za prenos toplote znaša 15–20% izmerjene vrednost in znatno omejijo natančnost merjenja. V teh primerih je bolj primerno uporabiti adiabatsko lupino.

S pomočjo adiabatskega kalorimetra se toplotna zmogljivost trdnih in tekočih snovi določi v območju od 0,1 do 1000 K. Pri sobnih in nižjih temperaturah adiabatski kalorimeter, zaščiten z vakuumsko plaščjo, potopimo v Dewarjevo bučko, napolnjeno s tekočim helijem , vodikom , ali dušik . Pri povišanih temperaturah (nad 100 ° C) se kalorimeter postavi v termostatirano električno pečico.

Poglej tudi

Povezave

  1. Cherednichenko L.K. Fiziološka kalorimetrija. - M.- L .: Nauka, 1965.- str.
  2. Almyashev V.I., Vasilevskaya A.K., Kirillova S.A., Krasilin A.A., Proskurina O.V. Celovita toplotna analiza. - SPb. : Lema, 2017.- str. 194.
  3. Hemminger W., Hyone G. Kalorimetrija. Teorija in praksa. - M .: Kemija, 1984.- S. 176.- ISBN 5-7245-0359-X .
  4. Popov M.M. Termometrija in kalorimetrija. - M .: Moskovska državna univerza, 1954.- S. 943.
  5. Reznitsky L.A. Trdna kalorimetrija (strukturne, magnetne, elektronske transformacije). - M .: Moskovska državna univerza, 1981.- S. 184.