Калориметър - устройство за измерване на количеството топлина, отделено или абсорбирано във всеки физичен, химичен или биологичен процес.

какво

Съвременните калориметри работят в температурния диапазон от 0,1 до 3500 Келвина и ви позволяват да измервате количеството топлина с точност от 0,01-10%. Разположението на калориметрите е много разнообразно и се определя от естеството и продължителността на изследвания процес, диапазона на температурите, при които се извършват измерванията, количеството на измерваната топлина и изискваната точност.

В термодинамиката калориметрите се използват за измерване на енталпията на термодинамичния процес.

Калориметри и слънчева енергия

Едно от приложенията на калориметрите в областта на слънчевата енергия се намира в системите за слънчева топлинна енергия. Тези устройства са важни за изчисляване на топлинната ефективност в отоплителните системи и генерирането на битова топла вода.

Калориметърът в отоплителна система е устройство, което е инсталирано във всеки радиатор и което измерва две температури: тази на повърхността на радиатора и околната среда на помещението, изчислявайки консумацията с тези данни и въз основа на характеристиките и размера на радиатора.

Видове калориметри

Калориметърът, предназначен за измерване на общото количество топлина Q, отделена по време на процеса от началото му до завършването му, се нарича интегриращ калориметър.

Калориметърът се използва за измерване на топлинната мощност и нейните промени в различните етапи от термодинамичния процес, посредством измервателен уред или калориметър-осцилоскоп. Дизайнът на калориметричната система и методът на измерване разграничават течните и масивните калориметри, единични и двойни (диференциални).

Течен калориметър за интегратор

Интегратор на течен калориметър с променлива температура с изотермична обвивка се използва за измерване на топлините на разтвора и топлините на химичните реакции или химическата енергия. Състои се от съд с течност (обикновено вода), в който има: камера за провеждане на изследвания процес („калориметрична бомба“), бъркалка, нагревател и термометър. Топлината, отделена в камерата, след това се разпределя между камерата, течността и други части на калориметъра, чиято цялост се нарича калориметрична система на устройството.

В течните калориметри изотермичната температура на черупката се поддържа постоянна. При определяне на топлината на химична реакция най-големите трудности често са свързани не с отчитане на вторични процеси, а с определяне целостта на реакцията и необходимостта да се вземат предвид няколко реакции.

Калориметрични измервания

Промяна в състоянието (например температура) на калориметричната система ви позволява да измервате количеството топлина, въведено в калориметъра. Нагряването на калориметричната система се записва с термометър. Преди извършване на измерванията калориметърът се калибрира: температурната промяна на калориметричната система се определя, когато към нея се съобщава известно количество топлина (чрез калоримерен нагревател или в резултат на химическа реакция в камерата с известно количество стандартно вещество).

В резултат на калибрирането се получава топлинната стойност на калориметъра, тоест коефициентът, по който изменението на температурата на калориметъра, измерено с термометъра, трябва да се умножи, за да се определи количеството топлина, вложено в него. Топлинната стойност на такъв калориметър е топлинният капацитет на калориметричната система. Определянето на неизвестната калоричност или друга химична термодинамична реакция Q се свежда до измерване на температурната промяна Δt на калориметричната система, причинена от изследвания процес: Q = c Δt. Обикновено стойността Q се отнася до масата на веществото в калориметровата камера.

Вторични процеси при калориметрични измервания

Калориметричните измервания позволяват директно да се определи само сумата от топлините на изследвания процес и няколко вторични процеса, като смесване, изпаряване на вода, разкъсване на флакон с вещество и т.н. Топлината на вторичния процес трябва да се определя емпирично или чрез изчисление и да се изключи от крайния резултат.

Един от неизбежните вторични термодинамични процеси е топлообменът на калориметъра с околната среда чрез радиация и топлопроводимост. За да се вземат предвид вторичните процеси и най-вече преносът на топлина, калориметричната система е заобиколена от обвивка, чиято температура се контролира.

Изотермичен интегриращ калориметър

При изследването на термодинамиката има и друг тип интегриращ калориметър: изотермичен (постоянна температура), въведената топлина не променя температурата на калориметричната система, но предизвиква промяна в агрегационното състояние на тялото, което е част от тази система (например топене на лед в калориметъра на Бунзен).

Количеството въведена топлина се изчислява в този случай от масата на веществото, което е променило агрегатното състояние (например масата на разтопения лед, която може да бъде измерена чрез промяната в обема на сместа от лед и вода) и топлината на фазовия преход.

Масивен интегриращ калориметър

Масивен интегриращ калориметър най-често се използва за определяне на енталпията на веществата при високи температури (до 2500 градуса по Целзий). Калориметричната система за този тип калориметри е метален блок (обикновено меден или алуминиев) с отвори за контейнера, в който протича реакцията, за термометъра и нагревателя.

Енталпията на веществото се изчислява като произведение на топлинната стойност на калориметъра чрез разликата в повишаването на температурата на блока, измерена след пускане на флакон с определено количество вещество в гнездото му и след това празен флакон, загрят до същата температура.

Лабиринт калориметър поток

Топлинният капацитет на газовете, а понякога и на течностите, се определя в т.нар. калориметрични лабиринтни потоци: според разликата в температурата на входа и изхода на постоянен поток от течност или газ, мощността на този поток и топлината в джаули, излъчвана от електрическия нагревател на калориметъра.

Калориметър - електромер

Калориметърът, който работи като електромер, за разлика от интегриращия калориметър, трябва да има значителен топлообмен, така че количествата топлина, въведени в него, да се отстраняват бързо и състоянието на калориметъра да се определя от моментната стойност на мощността на топлината процес. Топлинната мощност на процеса се намира в топлообмена на калориметъра с обвивката.

Тези калориметри, разработени от френския физик Е. Калвет, представляват метален блок с канали, в които са поставени цилиндричните клетки. В клетката се извършва изследваният процес; метален блок играе ролята на черупка (температурата му се поддържа постоянна с точност 10 −5 –10 −6K). Температурната разлика между клетката и блока се измерва с термопила, която има до 1000 съединения. Топлообменът на клетката и ЕМП на термопилата е пропорционален на малката температурна разлика, която възниква между блока и клетката, когато топлината се отделя или абсорбира.

Най-често в блока се поставят две клетки, които функционират като диференциален калориметър: термопилът на всяка клетка има еднакъв брой кръстовища и следователно разликата в тяхната ЕМП ви позволява директно да определите разликата в мощността на топлинния поток влизане в клетките.

Този метод на измерване елиминира изкривяването на измерената стойност поради случайни колебания в температурата на блока. Обикновено във всяка клетка са монтирани две термични батерии: едната ви позволява да компенсирате топлинната мощност на изследвания процес въз основа на ефекта на Пелтие, а другата (индикатор) служи за измерване на некомпенсираната част от топлинния поток. В този случай устройството работи като калориметър с диференциална компенсация. При стайна температура калориметрите измерват топлинната мощност на процесите с точност до 1 μW.

Дата на публикуване: 26 септември 2019 г.
Последен преглед: 26 септември 2019 г.