Калориметр (від calor - тепло і metor - вимірювати) - прилад для вимірювання кількості. що виділяється або поглинається в будь-якому фізичному, хімічному або біологічному процесі. Термін «калориметр» був запропонований і ().
В і використовується - прилад для вимірювання енергії частинок.
Сучасні калориметри працюють в діапазоні від 0,1 до 3500 і дозволяють вимірювати кількість теплоти з точністю до 0,01-10%. Пристрій калориметр дуже різноманітно і визначається характером і тривалістю процесу, що вивчається, областю температур, при яких проводяться вимірювання, кількістю вимірюваної теплоти і необхідною точністю.
Калориметр, призначений для вимірювання сумарної кількості теплоти Q. виділяється в процесі від його початку до завершення, називають калориметр-інтегратор
Калориметр для вимірювання теплової (швидкості тепловиділення) L і її зміни на різних стадіях процесу - вимірювачем потужності або калориметр-осциллографом. По конструкції калориметричної системи і методу вимірювання розрізняють рідинні і масивні калориметри, одинарні та подвійні (диференціальні).
Рідинний калориметр-інтегратор змінної температури з ізотермічної оболонкою застосовують для вимірювань теплот розчинення і теплот хімічних реакцій. Він складається з посудини з рідиною (зазвичай водою), в якому знаходяться: камера для проведення досліджуваного процесу ( «калориметрична бомба»), мішалка, нагрівач і. Теплота, що виділилася в камері, розподіляється потім між камерою, рідиною та іншими частинами калориметр, сукупність яких називають калориметричній системою приладу.
У рідинних калориметр ізотермічну температуру оболонки підтримують постійною. При визначенні теплоти хімічної реакції найбільші труднощі часто пов'язані не з урахуванням побічних процесів, а з визначенням повноти протікання реакції і з необхідністю враховувати кілька реакцій.
Зміна стану (наприклад, температури) калориметричної системи дозволяє виміряти кількість теплоти, введене в калориметр. Нагрівання калориметричній системи фіксується. Перед проведенням вимірів калориметр - визначають зміну температури калориметричної системи при повідомленні їй відомої кількості теплоти (нагрівачем калориметр або в результаті проведення в камері хімічної реакції з відомою кількістю стандартної речовини). В результаті градуювання отримують теплове значення калориметра, тобто. на який слід помножити виміряний термометром зміну температури калориметра для визначення кількості введеної в нього теплоти. Теплове значення такого калориметра є (с) калориметричної системи. Визначення невідомої теплоти згорання або іншої хімічної реакції Q зводиться до виміру зміни температури Δt калориметричній системи, викликаного досліджуваним процесом: Q = c Δt. Зазвичай значення Q відносять до маси речовини, що знаходиться в камері калориметр.
Побічні процеси в калориметричних вимірах [| ]
Калориметрические вимірювання дозволяють безпосередньо визначити лише суму теплот досліджуваного процесу і різних побічних процесів, таких як перемішування, випаровування води, розбивання ампули з речовиною і т. П. Теплота побічних процесів повинна бути визначена дослідним шляхом або розрахунком і виключена з остаточного результату. Одним з неминучих побічних процесів є калориметр з навколишнім середовищем за допомогою і. З метою обліку побічних процесів і насамперед теплообміну калориметричну систему оточують оболонкою, температуру якої регулюють.
У калориметр-інтеграторі іншого виду - ізотермічному (постійної температури) введена теплота не змінює температури калориметричної системи, а викликає зміна тіла, що становить частину цієї системи (наприклад, танення льоду в крижаному калориметр). Кількість введеної теплоти розраховується в цьому випадку за масою речовини, яка змінила агрегатний стан (наприклад, масі розталого льоду, яку можна виміряти щодо зміни обсягу суміші льоду і води), і.
Масивний калориметр-інтегратор найчастіше застосовують для визначення речовин при високих температурах (до 2500 ° C). Калориметрична система у калориметр цього типу являє собою блок з металу (зазвичай з або) з виїмками для судини, в якому відбувається реакція, для термометра і нагрівача. Ентальпію речовини розраховують як твір теплового значення калориметра на різницю підйомів температури блоку, вимірюваних після скидання в його гніздо ампули з певною кількістю речовини, а потім порожньої ампули, нагрітої до тієї ж температури.
газів, а іноді і рідин, визначають в т. н. проточних лабіринтових калориметрах - по різниці температур на вході і виході стаціонарного потоку рідини або газу, потужності цього потоку і джоулева теплоті, виділеній електричним нагрівачем калориметр.
Калориметр, який працює, як вимірювач потужності, в протилежність калориметр-інтегратора повинен володіти значним теплообміном, щоб вводяться в нього кількості теплоти швидко віддалялися і стан калориметра визначалося миттєвим значенням потужності теплового процесу. Теплова потужність процесу знаходиться з теплообміну калориметра з оболонкою. Такі калориметри, розроблені французьким фізиком. являють собою металевий блок з каналами, в які поміщають циліндричні осередки. В осередку проводиться досліджуваний процес; металевий блок грає роль оболонки (температура його підтримується постійною з точністю до 10 -5 -10 -6 К). Різниця температур осередки і блоку вимірюється термобатареей, що має до 1000 спаїв. Теплообмін осередки і термобатареи пропорційні малій різниці температур, що виникає між блоком і осередком, коли в ній виділяється або поглинається теплота. У блок поміщають частіше всього два осередки, що працюють як диференційний калориметр: термобатареи кожного осередку мають однакове число спаїв і тому різницю їх ЕРС дозволяє безпосередньо визначити різницю потужності потоків теплоти, що надходить в осередку. Цей метод вимірювань дозволяє виключити спотворення вимірюваної величини випадковими коливаннями температури блоку. На кожному осередку монтують зазвичай дві термобатареї: одна дозволяє компенсувати теплову потужність досліджуваного процесу на основі. а інша (індикаторна) служить для вимірювання нескомпенсованих частини теплового потоку. В цьому випадку прилад працює як диференціальний компенсаційний калориметр При кімнатній температурі такими калориметрами вимірюють теплову потужність процесів з точністю до 1 мкВт.
Звичайні назви калориметр - «для хімічної реакції», «бомбовий», «ізотермічний», «крижаний», «низькотемпературний» - мають історичне походження і вказують головним чином на спосіб і область використання калориметр, не будучи ні повною, ні порівняльною їх характеристикою.
Загальну класифікацію калориметр можна побудувати на основі розгляду трьох головних змінних, що визначають методику вимірювань: температури калориметричної системи Tc; температури оболонки To. навколишнього калориметричну систему; кількості теплоти L. виділяється в калориметр в одиницю часу (теплової потужності).
Калориметри з постійними Tc і To називають ізотермічним; з Tc = To - адиабатическим; калориметр, який працює при постійній різниці температур Tc - To. називають калориметром з постійним теплообміном; у ізопериболічний калориметр (його ще називають калориметром з ізотермічної оболонкою) постійна To. а Tc є функцією теплової потужності L.
Фактори, що впливають на остаточний результат вимірювань [| ]
Важливим фактором, що впливає на остаточний результат вимірювань, є надійна робота автоматичних регуляторів температури ізотермічних або адіабатичних оболонок. В адіабатичному калориметр температура оболонки регулюється так, щоб вона була завжди близька до мінливої температурі калориметричній системи. Адіабатична оболонка - легка металева ширма, забезпечена нагрівачем, - зменшує теплообмін настільки, що температура калориметра змінюється лише на кілька десятитисячних град / хв. Часто це дозволяє знизити теплообмін за час калориметричного досвіду до незначної величини, якою можна знехтувати. У разі необхідності в результати безпосередніх вимірів вводиться поправка на теплообмін, метод розрахунку якої заснований на - пропорційності теплового потоку між калориметр і оболонкою різниці їх температур, якщо ця різниця невелика (до 3-4 ° C).
Для калориметра з ізотермічної оболонкою теплоти хімічної реакції можуть бути визначені з похибкою до 0,01%. Якщо розміри калориметр малі, температура його змінюється більш ніж на 2-3 ° C і досліджуваний процес тривалий, то при ізотермічної оболонці поправка на теплообмін може скласти 15-20% від вимірюваної величини і істотно обмежити точність вимірювань. У цих випадках доцільніше застосовувати адіабатичну оболонку.
За допомогою адіабатичного калориметр визначають теплоємність твердих і рідких речовин в області від 0,1 до 1000 К. При кімнатних і нижчих температурах адіабатичний калориметр, захищений вакуумною сорочкою, занурюють в. заповнений рідким. або. При підвищених температурах (вище 100 ° C) калориметр поміщають в керується за допомогою терморегулятора електричну піч.
Тема сьогоднішнього заняття присвячена тому, яким чином можна визначити питому теплоємність речовини досвідченим шляхом, т. Е. На практиці. Конкретно, ми розглянемо визначення теплоємності на прикладі твердого тіла - металевого (латунного) циліндра.
Мета роботи: визначити питому теплоємність металевого циліндра.
Об'єкт дослідження: латунний циліндр, підвішений на нитці.
Прилади й матеріали: металевий циліндр на нитки (рис. 1), склянку з гарячою і стакан з холодною водою (рис. 2), два термометра (рис. 3), ваги (рис. 4), калориметр (рис. 5).
Мал. 3. Термометр ()
Мал. 5. Калориметр ()
Обробка даних і обчислення результату:
Виміряна встановилася кінцева температура в калориметр і інші дані дозволять нам розрахувати питому теплоємність металу, з якого виготовлений циліндр. Обчислювати шукану величину ми будемо виходячи з того, що, остигаючи, циліндр віддає рівно така ж кількість теплоти, що і отримує вода при нагріванні, відбувається так званий теплообмін.
Відповідно отримуємо наступні рівняння. Для нагріву води кількість теплоти:
питома теплоємність води (таблична величина),;
маса води, яку можна визначити за допомогою ваг, кг;
кінцева температура води і циліндра, виміряна за допомогою термометра, o;
початкова температура холодної води, виміряна за допомогою термометра, o.
Для охолодження металевого циліндра кількість теплоти:
питома теплоємність металу, з якого виготовлений циліндр (шукана величина),;
маса циліндра, яку можна визначити за допомогою ваг, кг;
температура гарячої води і, відповідно, початкова температура циліндра, виміряна за допомогою термометра, o;
кінцева температура води і циліндра, виміряна за допомогою термометра, o.
Зауваження. В обох формулах ми віднімаємо з більшою температури меншу для визначення позитивного значення кількості теплоти.
Як було зазначено раніше, через процес теплообміну між холодною водою і металевим циліндром їх кількості теплоти рівні:
.
Отже, питома теплоємність матеріалу циліндра:
Отримані результати в будь-який лабораторній роботі зручно записувати в таблицю, причому, проводити для отримання усередненого максимально точно наближеного результату кілька вимірів і обчислень. У нашому випадку таблиця може виглядати приблизно так:
Маса води в калориметр
Висновок: обчислене значення питомої теплоємності матеріалу циліндра.
Сьогодні ми розглянули методику проведення лабораторної роботи з вимірювання питомої теплоємності твердого тіла. На наступному уроці ми поговоримо про виділення енергії при згорянні палива.
Список рекомендованої літератури
1. Генденштейн Л. Е, Кайдалов А. Б. Кожевников В. Б. / Под ред. Орлова В. А. Ройз І. І. Фізика 8. - М. Мнемозина.
3. Фадєєва А. А. Засов А. В. Кисельов Д. Ф. Фізика 8. - М. Просвітництво.
Рекомендовані посилання на інтернет-ресурси
Рекомендоване домашнє завдання
1. На якому з етапів проведення лабораторної роботи є ймовірність отримати найбільшу похибку вимірювань?
2. Якими повинні бути матеріали і пристрій калориметр для отримання найбільш точних результатів вимірювань?
3. Запропонуйте свою методику вимірювання питомої теплоємності рідини.
Калориметр - прилад для вимірювання кількості теплоти, теплоємності, теплоти згорання і т. Д Найпростіший калориметр являє собою систему з двох циліндричних судин різного діаметра. Менший посудину 1 вставлений всередину більшого 2 на теплоізоляційну підставку 3. Бічні поверхні судин розділені шаром воз-j духу 4, який також володіє теплоізоляційними властивостями.
Така система дозволяє звести до мінімуму тепловтрати при вимірюванні кількості теплоти, що виділяється або поглинається в теплових процесах: нагріванні, плавленні, кипінні, кристалізації і т. П Калориметрія - сукупність методів вимірювання теплових ефектів (кількостей теплоти), що супроводжують різні фізичні, хімічні та біологічні процеси (наприклад, горіння Речовини, теплообмін, виділення або поглинання енергії при хімічних реакціях).
