Kalorimeter

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 8 december 2021; kontroller kräver 3 redigeringar .

Kalorimeter (från latin  kalori  - värme och metor  - mått) - en anordning för att mäta mängden värme som frigörs eller absorberas i någon fysisk, kemisk eller biologisk process. Termen "kalorimeter" föreslogs av A. Lavoisier och P. Laplace ( 1780 ) [1] [2] .

Inom elementär partikelfysik och kärnfysik används en joniseringskalorimeter  - en anordning för att mäta partiklars energi.

Moderna kalorimetrar

Moderna kalorimetrar arbetar i temperaturområdet från 0,1 till 3500 K och tillåter mätning av värmemängden med ett relativt fel på 0,01 till 10%. Utformningen av kalorimetrar är mycket varierande och bestäms av arten och varaktigheten av processen som studeras, temperaturintervallet vid vilket mätningar görs, mängden värme som mäts och den erforderliga noggrannheten [3] [4] [5] .

Typer av kalorimetrar

En kalorimeter utformad för att mäta den totala mängden värme Q som frigörs i en process från dess början till slutförandet kallas en integratorkalorimeter.

En kalorimeter för att mäta termisk effekt (värmefrigöringshastighet) L och dess förändringar i olika skeden av processen - med en effektmätare eller en oscilloskopkalorimeter . Enligt utformningen av det kalorimetriska systemet och mätmetoden, särskiljs vätske- och bulkkalorimetrar, enkel och dubbel (differential).

Flytande kalorimeter-integrator

En vätskekalorimeterintegrator med variabel temperatur med ett isotermiskt skal används för att mäta värmen från upplösningen och värmen från kemiska reaktioner. Den består av ett kärl fyllt med en vätska (vanligtvis vatten) innehållande: en kammare för att utföra den undersökta processen (en "kalorimetrisk bomb"), en omrörare, en värmare och en termometer . Värmen som frigörs i kammaren fördelas sedan mellan kammaren, vätskan och andra delar av kalorimetern, vars helhet kallas enhetens kalorimetriska system.

I flytande kalorimetrar hålls skalets isotermiska temperatur konstant. Vid bestämning av värmen i en kemisk reaktion är de största svårigheterna ofta förknippade med att inte ta hänsyn till sidoprocesser, utan med att bestämma reaktionens fullständighet och med behovet av att ta hänsyn till flera reaktioner.

Kalorimetriska mätningar

Genom att ändra tillståndet (till exempel temperaturen) för det kalorimetriska systemet kan du mäta mängden värme som införs i kalorimetern. Uppvärmningen av det kalorimetriska systemet registreras av en termometer . Före mätningar kalibreras kalorimetern  - temperaturförändringen i det kalorimetriska systemet bestäms när en känd mängd värme tillförs den (av kalorimetervärmaren eller som ett resultat av en kemisk reaktion med en känd mängd av ett standardämne i kammaren). Som ett resultat av kalibrering erhålls det termiska värdet för kalorimetern, det vill säga koefficienten med vilken temperaturförändringen av kalorimetern som mäts av termometern ska multipliceras för att bestämma mängden värme som införs i den. Det termiska värdet för en sådan kalorimeter är värmekapaciteten (c) för det kalorimetriska systemet. Bestämning av det okända förbränningsvärmet eller annan kemisk reaktion Q reduceras till att mäta förändringen i temperatur Δ t för det kalorimetriska systemet som orsakas av processen som studeras: Q=c Δ t . Vanligtvis är Q- värdet relaterat till massan av ämnet i kalorimeterkammaren.

Sidoprocesser i kalorimetriska mätningar

Kalorimetriska mätningar gör det möjligt att direkt bestämma bara summan av värmen från den process som studeras och olika sidoprocesser, såsom blandning, vattenavdunstning, brytning av en ampull med ett ämne etc. Värmen från sidoprocesser måste bestämmas empiriskt eller genom beräkning och exkluderas från slutresultatet. En av de oundvikliga sidoprocesserna är värmeväxlingen av kalorimetern med omgivningen genom strålning och värmeledning . För att ta hänsyn till sidoprocesser och framför allt värmeöverföring är det kalorimetriska systemet omgivet av ett skal vars temperatur kontrolleras.

Isotermisk kalorimeter-integrator

I en kalorimeterintegrator av en annan typ - isotermisk (konstant temperatur), ändrar den införda värmen inte temperaturen i det kalorimetriska systemet, utan orsakar en förändring i tillståndet för aggregation av kroppen som är en del av detta system (till exempel, smältningen av is i Bunsen -iskalorimetern ). Mängden värme som införs beräknas i detta fall av massan av ämnet som ändrade aggregationstillståndet (till exempel massan av smält is, som kan mätas genom förändringen i volymen av blandningen av is och vatten) och fasövergångens värme .

Massiv kalorimeter-integrator

En massiv kalorimeter-integrator används oftast för att bestämma entalpi av ämnen vid höga temperaturer (upp till 2500 °C). Det kalorimetriska systemet för denna typ av kalorimeter är ett metallblock (vanligtvis koppar eller aluminium ) med urtag för kärlet där reaktionen äger rum, för termometern och värmaren. Entalpin för ett ämne beräknas som produkten av kalorimeterns termiska värde och skillnaden i temperaturstegringar av blocket, mätt efter att ha tappat en ampull med en viss mängd ämne i sitt bo, och sedan en tom ampull uppvärmd till samma temperatur.

Flödeslabyrintkalorimetrar

Värmekapaciteten hos gaser, och ibland vätskor, bestäms i den sk. flödeslabyrintkalorimetrar - enligt temperaturskillnaden vid inloppet och utloppet av ett stationärt flöde av vätska eller gas, kraften hos detta flöde och Joule-värmen som frigörs av kalorimeterns elektriska värmare.

Kalorimeter - effektmätare

En kalorimeter som fungerar som en effektmätare måste, i motsats till en integratorkalorimeter, ha en betydande värmeväxling så att mängden värme som införs i den snabbt avlägsnas och kalorimeterns tillstånd bestäms av det momentana värdet av effekten hos termisk process. Den termiska kraften i processen hittas från värmeväxlingen mellan kalorimetern och höljet. Sådana kalorimetrar, utvecklade av den franske fysikern E. Calvet , är ett metallblock med kanaler i vilka cylindriska celler placeras. Processen som studeras utförs i cellen; metallblocket spelar rollen som ett skal (dess temperatur hålls konstant med en noggrannhet på 10–5–10–6 K ) . Temperaturskillnaden mellan cellen och blocket mäts av en termostapel med upp till 1000 kopplingar. Cellens värmeöverföring och termostapelns EMF är proportionell mot den lilla temperaturskillnad som uppstår mellan blocket och cellen när värme frigörs eller absorberas i det. Oftast placeras två celler i blocket, som fungerar som en differentialkalorimeter: termoplarna i varje cell har samma antal korsningar, och därför låter skillnaden i deras EMF dig direkt bestämma skillnaden i värmens kraft flöden som kommer in i cellerna. Denna mätmetod gör det möjligt att eliminera förvrängningen av det uppmätta värdet genom slumpmässiga fluktuationer i blocktemperaturen. Två termopålar är vanligtvis monterade på varje cell: en tillåter kompensering av den termiska kraften i processen som studeras baserat på Peltier-effekten , och den andra (indikator) tjänar till att mäta den okompenserade delen av värmeflödet. I det här fallet fungerar enheten som en differentiell kompensationskalorimeter.Vid rumstemperatur mäter sådana kalorimetrar den termiska effekten av processer med en noggrannhet på 1 μW.

Namn på kalorimetrar

De vanliga namnen på kalorimetrar - "för en kemisk reaktion", "bomb", "isotermisk", "is", "lågtemperatur" - är av historiskt ursprung och indikerar främst metoden och området för användning av kalorimetrar, varken är en fullständig eller jämförande egenskap hos dem.

Allmän klassificering av kalorimetrar

En allmän klassificering av kalorimetrar kan byggas på grundval av övervägande av tre huvudvariabler som bestämmer mättekniken: temperatur hos det kalorimetriska systemet Tc ; skaltemperatur To som omger det kalorimetriska systemet; mängden värme L som frigörs i kalorimetern per tidsenhet (termisk effekt).

Kalorimetrar med konstant T c och T o kallas isotermiska; med Tc = To - adiabatisk  ; en kalorimeter som arbetar vid en konstant temperaturskillnad T c  - To kallas en kalorimeter med konstant värmeväxling; en isoperibolkalorimeter (även kallad en isotermisk skalkalorimeter) har en konstant To , och T c är en funktion av den termiska effekten L .

Faktorer som påverkar det slutliga mätresultatet

En viktig faktor som påverkar det slutliga mätresultatet är den tillförlitliga driften av automatiska temperaturregulatorer för isotermiska eller adiabatiska skal. I en adiabatisk kalorimeter styrs skaltemperaturen så att den alltid är nära den växlande temperaturen i det kalorimetriska systemet. Det adiabatiska skalet, en lättmetallskärm utrustad med en värmare, minskar värmeöverföringen så mycket att kalorimeterns temperatur ändras med bara några tiotusendelar av en grad/min. Ofta gör detta det möjligt att minska värmeväxlingen under det kalorimetriska experimentet till ett obetydligt värde, vilket kan försummas. Vid behov införs en korrigering för värmeöverföring i resultaten av direkta mätningar, vars beräkningsmetod är baserad på Newtons värmeöverföringslag  - proportionaliteten av värmeflödet mellan kalorimetern och skalet till skillnaden i deras temperaturer, om denna skillnad är liten (upp till 3-4 °C).

För en kalorimeter med ett isotermiskt skal kan värmen för en kemisk reaktion bestämmas med ett fel på upp till 0,01%. Om kalorimeterns dimensioner är små, dess temperatur ändras med mer än 2–3 °C och processen som studeras är lång, då med ett isotermiskt skal kan korrigeringen för värmeöverföring vara 15–20% av det uppmätta värdet och avsevärt begränsa mätnoggrannheten. I dessa fall är det mer ändamålsenligt att använda ett adiabatiskt skal.

Med hjälp av en adiabatisk kalorimeter bestäms värmekapaciteten hos fasta och flytande ämnen i intervallet från 0,1 till 1000 K. Vid rumstemperatur och lägre temperaturer nedsänks en adiabatisk kalorimeter skyddad av en vakuummantel i ett Dewar-kärl fyllt med flytande helium , väte eller kväve . Vid förhöjda temperaturer (över 100 °C) placeras kalorimetern i en termostatstyrd elektrisk ugn.

Se även

Länkar

  1. ↑ Cherednichenko L.K. Fysiologisk kalorimetri. - M. - L . : Nauka, 1965. - S. 135.
  2. ↑ Almyashev V.I., Vasilevskaya A.K., Kirillova S.A., Krasilin A.A., Proskurina O.V. Komplex termisk analys. - St Petersburg. : Lema, 2017. - S. 194.
  3. ↑ Hemminger W., Höhne G. Calorimetry. Teori och praktik. - M .: Chemistry, 1984. - S. 176. - ISBN 5-7245-0359-X .
  4. ↑ Popov M.M. Termometri och kalorimetri. - M. : MGU, 1954. - S. 943.
  5. ↑ Reznitsky L.A. Solid state-kalorimetri (strukturella, magnetiska, elektroniska transformationer). - M. : MGU, 1981. - S. 184.