Калориметр - пристрій для вимірювання кількості теплоти, що виділяється або поглинається в будь-якому фізичному, хімічному або біологічному процесі.
Сучасні калориметри працюють в діапазоні температур від 0,1 до 3500 Кельвінів і дозволяють вимірювати кількість тепла з точністю до 0,01-10%. Розташування калориметрів дуже різноманітне і визначається характером і тривалістю досліджуваного процесу, діапазоном температур, при якому проводяться вимірювання, кількістю виміряного тепла та необхідною точністю.
У термодинаміці для вимірювання ентальпії термодинамічного процесу використовують калориметри.
Калориметри та сонячна енергія
Одне із застосувань калориметрів у галузі сонячної енергії знаходиться в системах сонячної теплової енергії. Ці пристрої важливі для розрахунку теплової ефективності в системах опалення та виробництва гарячої води для побутового використання.
Калориметр в системі опалення - це пристрій, який встановлюється в кожному радіаторі і вимірює дві температури: поверхню радіатора та навколишнього середовища приміщення, розраховуючи споживання за цими даними на основі характеристик та розміру радіатора.
Види калориметрів
Калориметр, призначений для вимірювання загальної кількості теплоти Q, що виділяється під час процесу від його початку до його завершення, називається інтегруючим калориметром.
Калориметр використовується для вимірювання теплової потужності та її змін на різних стадіях термодинамічного процесу за допомогою лічильника потужності або калориметра-осцилографа. Конструкція калориметричної системи та метод вимірювання розрізняють рідкі та масивні калориметри, одинарні та подвійні (диференціальні).
Рідкий калориметр інтегратора
Інтегратор рідкого калориметра із змінною температурою із ізотермічною сорочкою використовується для вимірювання теплоти розчину та теплоти хімічних реакцій або хімічної енергії. Він складається з ємності з рідиною (як правило, з водою), в якій є: камера для проведення досліджуваного процесу ("калориметрична бомба"), мішалка, нагрівач і термометр. Потім тепло, що виділяється в камеру, розподіляється між камерою, рідиною та іншими частинами калориметра, сукупність яких називається калориметричною системою приладу.
У рідких калориметрах ізотермічна температура оболонки підтримується постійною. При визначенні теплоти хімічної реакції найбільші труднощі часто пов'язані не з урахуванням вторинних процесів, а з визначенням цілісності реакції та необхідністю врахування декількох реакцій.
Калориметричні вимірювання
Зміна стану (наприклад, температури) калориметричної системи дозволяє вимірювати кількість тепла, що вводиться в калориметр. Нагрівання калориметричної системи реєструють за допомогою термометра. Перед проведенням вимірювань калориметр калібрується: зміна температури калориметричної системи визначається, коли їй передається відома кількість тепла (калориметричним нагрівачем або в результаті хімічної реакції в камері з відомою кількістю стандартна речовина).
В результаті калібрування отримується теплова величина калориметра, тобто коефіцієнт, на який потрібно помножити зміну температури калориметра, виміряну термометром, щоб визначити кількість теплоти, що вводиться в нього. Теплова величина такого калориметра - це теплоємність калориметричної системи. Визначення невідомої теплотворної здатності або іншої хімічної термодинамічної реакції Q зводиться до вимірювання зміни температури Δt калориметричної системи, спричиненої досліджуваним процесом: Q = c Δt. Як правило, значення Q відноситься до маси речовини в калориметричній камері.
Вторинні процеси при калориметричних вимірах
Калориметричні вимірювання дозволяють безпосередньо визначати лише суму нагрівань досліджуваного процесу та кількох вторинних процесів, таких як змішування, випаровування води, розрив флакона з речовиною тощо. Тепло вторинного процесу повинно бути визначено емпіричним шляхом або шляхом розрахунку та виключено з кінцевого результату.
Одним з неминучих вторинних термодинамічних процесів є теплообмін калориметра з навколишнім середовищем за рахунок випромінювання та теплопровідності. Для врахування вторинних процесів і, насамперед, тепловіддачі, калориметрична система оточена оболонкою, температура якої регулюється.
Ізотермічний інтегруючий калориметр
При вивченні термодинаміки існує ще один тип інтегруючого калориметра: ізотермічний (постійна температура), тепло, що вводиться, не змінює температуру калориметричної системи, а спричиняє зміну агрегатного стану тіла, що входить до цієї системи (наприклад, танення льоду в калориметрі Бунзена).
Кількість введеного тепла обчислюється в цьому випадку за масою речовини, що змінила агрегатний стан (наприклад, за масою розтопленого льоду, яку можна виміряти за зміною об’єму суміші льоду і води) і теплота фазового переходу.
Масивний інтегруючий калориметр
Масивний інтегруючий калориметр найчастіше використовується для визначення ентальпії речовин при високих температурах (до 2500 градусів Цельсія). Калориметрична система для цього типу калориметрів являє собою металевий блок (зазвичай мідний або алюмінієвий) з отворами для ємності, в якій відбувається реакція, для термометра та нагрівача.
Ентальпія речовини обчислюється як добуток теплового значення калориметра на різницю в підвищенні температури блоку, виміряну після опускання флакона з певною кількістю речовини в гніздо, а потім порожнього флакона, нагрітого до однакова температура.
Потік калориметричного лабіринту
Теплоємність газів, а іноді і рідин, визначається т. Зв. потокові калориметричні лабіринти: відповідно до різниці температур на вході та виході постійного потоку рідини або газу, потужності цього потоку та тепла в джоулях, що виділяється електронагрівачем калориметра.
Калориметр - лічильник потужності
Калориметр, який працює як вимірювач потужності, на відміну від інтегруючого калориметра, повинен мати значний теплообмін, щоб кількість теплоти, що вводиться в нього, швидко відводилася, а стан калориметра визначався миттєвим значенням потужності теплового процес. Теплова потужність процесу виявляється в теплообміні калориметра з оболонкою.
Ці калориметри, розроблені французьким фізиком Е. Кальве, являють собою металевий блок з каналами, в яких розміщені циліндричні комірки. У камері проводиться досліджуваний процес; металевий блок виконує роль оболонки (його температура підтримується постійною з точністю 10−5 –10 −6K). Різниця температур між коміркою та блоком вимірюється термоелементом, що має до 1000 переходів. Теплообмін комірки і ЕРС термоелемента пропорційні невеликій різниці температур, яка виникає між блоком і коміркою при виділенні або поглинанні тепла.
Найчастіше в блоці розміщують дві комірки, які функціонують як диференціальний калориметр: термоелемент кожної комірки має однакову кількість переходів, і тому різниця в його ЕРС дозволяє безпосередньо визначити різницю в потужності теплового потоку, що надходить клітини.
Цей метод вимірювання усуває спотворення виміряного значення через випадкові коливання температури блоку. Зазвичай у кожну комірку встановлюють дві теплові батареї: одна дозволяє компенсувати теплову потужність досліджуваного процесу на основі ефекту Пельтьє, а інша (індикатор) служить для вимірювання некомпенсованої частини теплового потоку. У цьому випадку пристрій працює як калориметр з диференціальною компенсацією. При кімнатній температурі калориметри вимірюють теплову потужність процесів з точністю до 1 мкВт.
Дата публікації: 26 вересня 2019 р
Останній огляд: 26 вересня 2019 р