Какво е калориметър във физиката? Определение, използване. Измерване на топлина Разпределение по вид
В тази статия ще отговорим на въпроса: „Какво е калориметър?“ Нека да определим общите характеристики на този механизъм, неговия принцип на работа и области на приложение, функционалност и измервателни величини. Ще обърнем внимание и на класификацията и описанието на някои специфични видове.
Въведение
Отговаряйки на въпроса какво е калориметър, най-общо може да се характеризира като устройство, с което се измерва количеството топлина, което се отделя или абсорбира по време на протичането на физични, химични или биологични процеси.
Въвеждането на нова терминологична единица „калориметър“ е предложено през 1780 г. от П. Лаплас и А. Лавоазие. Подобно устройство се използва и в ядрения клон на физиката, който изучава елементарните частици и се нарича йонизационен калориметър. Функцията на това устройство обаче е да измерва енергийния потенциал на частиците.
Модерен механизъм
Определянето на топлинния капацитет с модерен калориметър дава възможност да се запише изследваната стойност с точност от десет до една стотна от процента. Диапазонът, в който може да работи това устройство, варира от 0,1 до 3500 Келвина. Видът на калориметричното устройство е много разнообразен. Тя може да се определи от характера на процеса, който се изучава, както и от неговата продължителност. Друг важен параметър за определяне на вида на механизма е температурният диапазон, в който се извършват измерванията, както и количеството топлина, което се измерва.
Определянето на енергийния еквивалент с калориметър може да покаже на субекта количеството тяло, което се освобождава по време на изгарянето на горивен ресурс. Това може да стане благодарение на израза Q = C∆T, в който C е показателят за топлинен (енергиен) еквивалент. Задайте параметри за определяне чрез калибриране на устройството. Друго количество, ∆T, е функция на известния изходен сигнал на калориметъра.
Разпределение по вид
Невъзможно е да се отговори на въпроса какво е калориметър, без да се запознаете с неговите видове.
Един от най-често срещаните представители на такива устройства е интеграторният калориметър. Предназначен е да се определи общото количество топлина Q, което се отделя в началото и края на реакцията.
Друг известен калориметър е устройство за измерване на топлинната мощност, тоест скоростта, с която се отделя топлина - L. Те също могат да бъдат разделени според дизайна на механизма и методологията на измерване, подхода. Има също течни и твърди калориметри. Предлагат се също единични и диференциални устройства.
Измерване на топлина
Какво е калориметър във физиката? Дефиницията казва, че това е устройство за измерване на количеството генерирана топлина. В този случай топлината, отделена по време на химическа реакция, може да се определи само с калориметър с течен интегратор.
Дизайнът е представен под формата на съд, пълен с течност (обикновено вода). Съдържа камера за провеждане на експеримент ("калориметрична бомба"), бъркалка, термометър и нагревател.
Измервания на калориметрични системи
Правенето на корекции в естествения ход на топлоотделяне на системата може да бъде открито при промяна на някое от нейните състояния. Те от своя страна се определят чрез анализ на количеството топлина, което се вкарва в устройството. Константата на калориметъра се определя преди началото на измервателната работа и се сравнява с определената и коригирана стойност. Уредите са калибрирани, благодарение на което се определя коеф. Тя трябва да се умножи с промяната в температурата на устройството, измерена от термометъра.
Наличие на странични ефекти
Всъщност калориметричните данни директно показват само общия брой нагрявания, които се изследват в процеса. Можете също така да разберете по наличието на страничен процес (или процеси), който може да причини феномена на смесване, изпаряване на течност, както и счупване на ампула с вещества и т.н. Определянето на константата на калориметъра позволява на човек да получи достъп за сравнение на индикатори за промени на фона на нещо. Именно с негова помощ се анализира информацията.
Топлината на вторична поредица от процеси трябва да се определи чрез опит или изчисление, което е изключено от резултатите от изследването. Пример за страничен ефект е неизбежният топлообмен между калориметъра и околното пространство и материя.
Изотермични наблюдения
Има калориметър с изотермичен тип интегратор, който ви позволява да въвеждате промени в агрегатните състояния на телата, които формират основната част от системата. Пример за това е топенето на маса лед в ледената камера на калориметър на Бунзен. Можете да разберете промяната в топлината, която влияе върху състоянието на агрегация, но не предизвиква промяна в температурата, като изчислите масата на веществото и количеството топлина, което би било необходимо да се изразходва за това.
За да определите специфичния топлинен капацитет на калориметъра, трябва да знаете, че той е числено равен на количеството топлина, което се изразходва за нагряване на единица маса материя. Нейната единица е J/kg▪K.
Важно е да запомните, че специфичният топлинен капацитет е двусмислена характеристика. Съществува връзка между условията за пренос на топлина и стойността на работата, която съпътства този процес.
Масивен тип
За да се определи стойността на енталпията на дадено вещество при температури до 2500 градуса по Целзий, се използват масивни интегратори. Теглото на този тип калориметър може да варира в зависимост от теглото на измерваното вещество, тъй като структурата се състои от метали. Всъщност това е блок с множество вдлъбнатини за съдове. Те съдържат реакции, предназначени за нагревател и/или термометър. Произведението на топлинната стойност, измерена от калориметъра, и разликата в повишаването на температурата в блока ни показва енталпията на веществото(ата).
Поток
Можете да определите топлинния капацитет на газ или течност с помощта на поточен лабиринтен калориметър. Той записва температурната разлика, която влиза и излиза от стационарните потоци на изследваното вещество. Той също така определя мощността на такъв поток и силата на топлината, генерирана от електрическия нагревател, в джаули.
Инструмент за измерване на мощността
Когато отговаряте на въпроса какво е калориметър, ще бъде важно да споменем целта на това устройство за определяне на мощността. Такова устройство, за разлика от интегратора, трябва да бъде надарено със значителен капацитет за пренос на топлина. Това е необходимо, за да може да отнеме количеството топлина, което се въвежда в него. От това следва, че състоянието на калориметъра е в моментно измерване.
Топлинната стойност на мощността на процеса се намира с помощта на корпусни калориметри. Изобретението е направено от физик от Франция Е. Калвет. Първоначално механизмът беше представен под формата на метален блок, оборудван с канали. Върху тях са разположени специални цилиндрични клетки, предназначени за осъществяване на изследвания процес. Металът, използван в конструкцията на камерата, е корпусът. Температурата му трябва да се поддържа на постоянно ниво с точност от пет до шест Келвина.
Разликата между температурата на клетката и блока се измерва с помощта на термобатарея с до хиляда спойки. Индикаторите за неговата ЕМП и топлопреминаване на клетката са величини, пропорционални на малката разлика в температурата, която възниква между компоненти като блока и клетката. В този случай топлината трябва да се отдели или абсорбира в самата клетка. Много често такива блокове съдържат двойка клетки, които ще работят различно.
Наименование и класификация
Общите наименования на калориметрите са:
- за химични реакции;
- бомба;
- изотермичен тип;
- нискотемпературен тип;
- тип лед.
Всички те имат данни за исторически произход. Те обикновено дължат името си на областта, в която ще бъдат използвани. Тези имена обаче не се отнасят до сравнителни или пълни характеристики.
Общият тип класификация на калориметрите се изгражда, като се използва като основа разглеждането на една от трите основни величини, поотделно или заедно. Това е подходът към анализа на индикаторите, който определя техниката за измерване на температурата, която има:
- калориметрична система Tc;
- обвивка Това;
- количеството отделена топлина L за единица време (топлинна мощност).
Калориметрите с постоянни стойности на Tc и To са от изотермичен тип, а устройствата, в които Tc = To, се наричат адиабатични. Ако устройството работи в условия с постоянна разлика между температурите, то се нарича калориметър с постоянен поток на топлообмен. Изопериболният механизъм има константа To, а Tc е термична функция на степен L.
Крайни резултати
Има редица фактори, които могат да повлияят на крайния резултат от измерването. Едно от тях е наличието на промени, които влияят върху крайния им резултат. Това се дължи на надеждността на автоматичния комплект терморегулатори за изотермична или адиабатна обвивка. В последния от тях стойността на температурата се определя от нейната близост до променящите се условия на цялата калориметрична система. Този дизайн има лекотата на метален екран и е оборудван с нагревателно устройство, което намалява потока и стойността на преноса на топлина до определено ниво, при което температурата на калориметъра ще се променя само с десетични части от градус в минута. Това може да направи възможно намаляването на топлообмена, възникващ по време на калориметричен експеримент, до изключително ниски стойности, които могат да бъдат пренебрегнати.
Устройствата, разгледани в статията, играят огромна роля в човешкия живот и са едно от най-значимите постижения на науката. Основната функция на калориметъра е да изследва данните за промяна на температурата и да определи наличието на дефекти в процеса на пренос на топлина. Има различни начини за класифициране на тези устройства, свързани със специфични параметри, които рязко се различават един от друг. Голямо разнообразие от метали могат да служат като материали за производство, например има медни калориметри, олово, стомана и други. Освен чисти вещества могат да се използват и сплави.
Устройство за измерване на енергията на частиците.
Енциклопедичен YouTube
1 / 5
✪ Единен държавен изпит 2014 Физика: A9 - алуминиев цилиндър е потопен в калориметър със студена вода
✪ Физика 8 клас. Количество топлина. Единици за измерване на количеството топлина
✪ Физика Калориметърът съдържа вода с маса mw = 2 kg, чиято температура е 30 0C. За калориметър
✪ Експерименти на Джаул
✪ Физика | Подготовка за Олимпийските игри 2017 | Проблем "Ние изпарихме калориметъра"
субтитри
Съвременни калориметри
Съвременните калориметри работят в температурен диапазон от 0,1 до 3500 и позволяват измерване на количеството топлина с точност от 0,01-10%. Конструкцията на калориметрите е много разнообразна и се определя от естеството и продължителността на процеса, който се изследва, температурния диапазон, при който се извършват измерванията, количеството измерена топлина и необходимата точност.
Видове калориметри
Калориметър, предназначен да измерва общото количество топлина Q, освободен в процеса от началото до завършването му, се нарича интегратор калориметър
Калориметър за измерване на топлинна мощност (скорост на топлоотдаване) Ли неговите промени на различни етапи от процеса - силометърили калориметър-осцилоскоп. Въз основа на конструкцията на калориметричната система и метода на измерване се прави разлика между течни и твърди калориметри, единични и двойни (диференциални).
Течен калориметър-интегратор
Калориметър с течен интегратор с променлива температура с изотермична обвивка се използва за измерване на топлината на разтвора и топлината на химичните реакции. Състои се от съд с течност (обикновено вода), който съдържа: камера за провеждане на изследвания процес („калориметрична бомба”), бъркалка, нагревател и термометър. Топлината, отделена в камерата, след това се разпределя между камерата, течността и другите части на калориметъра, чиято съвкупност се нарича калориметрична система на устройството.
При течните калориметри изотермичната температура на черупката се поддържа постоянна. При определяне на топлината на химическа реакция най-големите трудности често са свързани не с отчитането на страничните процеси, а с определянето на пълнотата на реакцията и необходимостта да се вземат предвид няколко реакции.
Калориметрични измервания
Промяната на състоянието (например температура) на калориметричната система ви позволява да измервате количеството топлина, въведено в калориметъра. Загряването на калориметричната система се записва с термометър. Преди извършване на измервания калориметърът се калибрира - определя се промяната в температурата на калориметричната система, когато към нея се придаде известно количество топлина (от нагревателя на калориметъра или в резултат на химическа реакция в камерата с известно количество стандартно вещество). В резултат на калибриране се получава топлинната стойност на калориметъра, т.е. коефициентът, с който трябва да се умножи промяната в температурата на калориметъра, измерена от термометъра, за да се определи количеството топлина, въведено в него. Топлинната стойност на такъв калориметър е топлинният капацитет (c) на калориметричната система. Определяне на неизвестна топлина на изгаряне или друга химическа реакция Qсе свежда до измерване на изменението на температурата Δ Tкалориметрична система, причинена от изследвания процес: Q=cΔ T. Обикновено стойността Qсе отнася до масата на веществото, намиращо се в калориметърната камера.
Странични процеси при калориметрични измервания
Калориметричните измервания позволяват директно да се определи само сумата от топлината на изследвания процес и различни странични процеси, като смесване, изпаряване на вода, счупване на ампула с вещество и др. Трябва да се определи топлината на страничните процеси експериментално или изчислително и се изключват от крайния резултат. Един от неизбежните странични процеси е топлообменът на калориметъра с околната среда чрез излъчване и топлопроводимост. За да се вземат предвид страничните процеси и най-вече топлообменът, калориметричната система е обградена от обвивка, чиято температура се контролира.
Изотермичен интеграторен калориметър
В калориметър интегратор от друг тип - изотермичен (постоянна температура), въведената топлина не променя температурата на калориметричната система, но предизвиква промяна в агрегатното състояние на тялото, което е част от тази система (например топенето лед в леден калориметър на Bunsen). 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 фазов преход.
Масивен интегратор калориметър
Масивен интегриращ калориметър най-често се използва за определяне на енталпията на веществата при високи температури (до 2500 °C). Калориметричната система на този тип калориметър е блок от метал (обикновено мед или алуминий) с вдлъбнатини за съда, в който протича реакцията, термометър и нагревател. Енталпията на веществото се изчислява като произведение на топлинната стойност на калориметъра и разликата в повишаването на температурата на блока, измерена след пускане на ампула с определено количество вещество в гнездото й и след това празна ампула, нагрята до същата температура.
Проточни лабиринтни калориметри
Топлинният капацитет на газовете, а понякога и на течностите, се определя в т.нар. проточни лабиринтни калориметри - от температурната разлика на входа и изхода на неподвижен поток течност или газ, мощността на този поток и джаулова топлина, отделена от електрическия нагревател на калориметъра.
Калориметър - измервател на мощността
Калориметър, работещ като измервател на мощност, за разлика от калориметър с интегратор, 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 топлинната енергия. процес. Топлинната мощност на процеса се намира от топлообмена между калориметъра и корпуса. Такива калориметри, разработени от френския физик Е. Калве, представляват метален блок с канали, в които са поставени цилиндрични клетки. Изследваният процес се осъществява в клетката; металният блок играе ролята на черупка (температурата му се поддържа постоянна с точност до 10 −5 -10 −6 K). Температурната разлика между клетката и блока се измерва с термобатарея с до 1000 прехода. Преносът на топлина на клетката и ЕДС на термобатареята са пропорционални на малката температурна разлика, която възниква между блока и клетката, когато топлината се отделя или абсорбира в нея. Най-често две клетки се поставят в блок, работещ като диференциален калориметър: термопилеите на всяка клетка имат еднакъв брой кръстовища и следователно разликата в тяхната ЕМП позволява директно да се определи разликата в мощността на топлинните потоци, влизащи в клетки. Този метод на измерване позволява да се изключат изкривявания на измерената стойност от случайни колебания в температурата на блока. На всяка клетка обикновено се монтират две термобатареи: едната позволява да се компенсира 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 диференциален компенсационен калориметър. При стайна температура такива калориметри измерват топлинната мощност на процесите с точност до 1 μW.
Имена на калориметри
Обичайните наименования на калориметрите - "за химическа реакция", "бомба", "изотермичен", "лед", "ниска температура" - са с исторически произход и показват главно метода и областта на използване на калориметрите, без да е пълно или сравнително тяхно описание.
Обща класификация на калориметрите
Може да се изгради обща класификация на калориметрите въз основа на разглеждането на три основни променливи, които определят техниката на измерване: температура на калориметричната система Tc; температура на обвивката Да се, около калориметричната система; количество топлина Л, отделена в калориметъра за единица време (топлинна мощност).
Калориметри с константи TcИ Да сенаречен изотермичен; с Tc = Да се- адиабатен; калориметър, работещ при постоянна температурна разлика Tc - Да се, наречен калориметър с постоянен топлообмен; за изопериболен калориметър (наричан още калориметър с изотермична обвивка) константата Да се, А Tcе функция на топлинната мощност Л.
Фактори, влияещи върху крайния резултат от измерването
Важен фактор, влияещ върху крайния резултат от измерването, е надеждната работа на автоматичните температурни регулатори за изотермични или адиабатни корпуси. В адиабатен калориметър температурата на обвивката се контролира така, че винаги да е близка до променящата се температура на калориметричната система. Адиабатната обвивка - лек метален екран, снабден с нагревател - намалява преноса на топлина толкова много, че температурата на калориметъра се променя само с няколко десетхилядни от градуса/мин. Често това позволява да се намали преносът на топлина по време на калориметричен експеримент до незначителна стойност, която може да бъде пренебрегната. Ако е необходимо, в резултатите от директните измервания се въвежда корекция за пренос на топлина, чийто метод за изчисление се основава на закона за пренос на топлина на Нютон - пропорционалността на топлинния поток между калориметъра и корпуса на разликата в техните температури, ако тази разлика е малка (до 3-4 ° C).
За калориметър с изотермична обвивка топлината на химическа реакция може да се определи с грешка до 0,01%. Ако размерите на калориметъра са малки, температурата му се променя с повече от 2-3 °C и изследваният процес е дълъг, тогава с изотермична обвивка корекцията за пренос на топлина може да бъде 15-20% от измерената стойност и значително ограничаване на точността на измерванията. В тези случаи е по-целесъобразно да се използва адиабатна обвивка.
С помощта на адиабатен калориметър се определя топлинният капацитет на твърди и течни вещества в диапазона от 0,1 до 1000 К. При стайна и по-ниска температура адиабатен калориметър, защитен от вакуумна риза, се потапя в колба на Дюар, пълна с течен хелий , водород или азот. При повишени температури (над 100 °C) калориметърът се поставя в термостатно контролирана електрическа пещ.
"Конвекция" - Процесът на смесване. Термогравитационна конвекция. Конвекция. Естествена конвекция. Видове конвекции, дължащи се на тяхното възникване. Какво е конвекция? Има два вида конвекция. Видове конвекция. Движението на материята се предизвиква от действието на някакви външни сили. Пренос на топлина. Принудителна конвекция. Атмосферни явления.
“Химична технология на горивата” - Горива за реактивни двигатели. Газове. Цетаново число. Бензини. Изчислително определяне на централната честота. Октаново число на различни групи въглеводороди. Парафини и церезини. Методи за изчисление. Склонността на моторните горива към детонация. Дизелови горива. Запалимост. Гориво за газови турбини и котли. Теоретични основи на химичната технология.
“Вътрешна енергия” - Материали с лоша топлопроводимост. Вътрешна енергия. Частици материя. Енергията също се увеличава с деформация. Нагрети тела. Вътрешната енергия намалява. Загряване на лъжица във вряща вода. Видове топлообмен. метали. В какво агрегатно състояние е тялото? Механична енергия.
„Изчисляване на количеството топлина“ - Определяне на количеството топлина. Количество топлина. Разрешаване на проблем. Формула за изчисляване на количеството топлина. Повторение. Изчисляване на количеството топлина. Учене на нов материал. Решавам проблеми. Реши задачата. Колко топлина е необходима за отопление. Разлика. Какво показва специфичният топлинен капацитет на дадено вещество?
“Методи за пренос на топлина” - Течно отопление. Хартиено колело. Топка. Топлопроводимост. Отопление на вода. Керосинова лампа. Пригответе лед във фризера. Дупки. Методи за пренос на топлина. Защо се чувстваме готини, когато се ветрим? Прозоречно стъкло. Видове пренос на топлина в термос. Огън в решето. Видове топлообмен. Радиация.
“Количество топлина” - Q – получената от тялото топлина. Топлообмен. История на възникването на понятията. Какво е количеството топлина? Количество топлина. Устройство за измерване на количеството топлина. Съвременни калориметри. Дж. Джаул, английски физик, който изучава термичните явления. Калориметър. Адиабатен калориметър с висока точност.
Има общо 30 презентации
Калориметър, м. [от лат. calor – топлина и гръцки. metron – мярка] (физ.). Устройство за измерване на количеството топлина. Голям речник на чуждите думи
Учените започнаха да измерват количеството топлина много преди понятието енергия да се появи във физиката. Тогава е създадена специална единица за измерване на количеството топлина - калория (cal).
Една калория е количеството топлина, необходимо за затопляне на \(1\) g вода с \(1\)°C.
\(1\) кал \(= 4,19\) J \(≈ 4,2\) J.
Терминът „калория“ (от латинското „calor“ – топлина) е въведен в научната употреба от френския химик Никола Клеман-Дезорм (\(1779-1842\)).
Никола Клеман-Дезорм
Неговото определение за калориите като единица за топлина е публикувано за първи път през 1824 г. в списанието Le Producteur и се появява във френските речници през 1842 г.
Въпреки това, много преди да се появи този термин, първият калориметри - инструменти за измерване на топлина.
Първият калориметър е изобретен от английския химик Джоузеф Блек и през \(1759-1763\) той го използва за определяне на топлинния капацитет на различни вещества, латентната топлина от топенето на леда и изпарението на водата.
Джоузеф Блек
Известните френски учени Антоан Лоран Лавоазие (\(1743-1794\)) и Пиер Симон Лаплас (\(1749-1827\)) се възползват от изобретението на Д. Блек.
Антоан Лоран Лавоазие
Пиер Симон Лаплас
През \(1780\) те започнаха серия от калориметрични експерименти, които направиха възможно измерването на топлинната енергия.
Тази концепция се среща още през 18 век в трудовете на шведския физик Йохан Карл Вилке (1732-1796), който изучава електрически, магнитни и топлинни явления и мисли за еквиваленти, в които може да се измери топлинната енергия.
Йохан Карл Вилке
Устройството, което по-късно започва да се нарича калориметър, е използвано от Лавоазие и Лаплас за измерване на количеството топлина, отделена при различни физични, химични и биологични процеси. По това време нямаше точни термометри, така че за измерване на топлината беше необходимо да се прибегне до трикове.
Първият калориметър беше ледено студен. Вътрешната куха камера, където е поставен обект, излъчващ топлина (например мишка), е заобиколена от яке, пълно с лед или сняг. А леденото яке от своя страна беше заобиколено от въздух, така че ледът да не се стопи под въздействието на външна топлина. Топлината от обекта вътре в калориметъра нагрява и разтопява леда. Чрез претегляне на стопената вода, изтичаща от кожуха в специален съд, изследователите определят топлината, генерирана от обекта.
Всички топлинни промени, които всяка материална система изпитва, променяйки състоянието си, се случват в обратен ред, когато системата се върне в първоначалното си състояние.
С други думи, за да се разложи водата на водород и кислород, е необходимо да се изразходва същото количество енергия, каквото се освобождава, когато водородът реагира с кислорода, за да образува вода.
През същата \(1780\) година Лавоазие поставя морско свинче в калориметъра. Топлината от дъха й разтопи снега по ризата му. След това последваха други експерименти, които бяха от голямо значение за физиологията.
Тогава Лавоазие изрази идеята, че дишането на животно е подобно на изгарянето на свещ, поради което в тялото се поддържа необходимото количество топлина. Той е и първият, който свързва трите най-важни функции на живия организъм: дишане, хранене и транспирация (изпаряване на вода). Очевидно оттогава започнаха да говорят за това, че храната гори в тялото ни.
През \(XIX\) век, благодарение на усилията на известния френски химик Марселин Бертло (\(1827-1907\)), който публикува повече от 200 труда по термохимия, точността на калориметричните методи значително се увеличи и по-модерните инструменти се появиха - воден калориметър и запечатана калориметрична бомба.
Марселин Бертло
Последният уред е особено интересен за нас, защото може да измерва топлината, отделена при много бързи реакции – горене и експлозия.
Проба от сухото изпитвано вещество се изсипва в тигел, поставя се вътре в бомбата и съдът се затваря херметически. След това веществото се запалва с електрическа искра. Той гори, отделяйки топлина на водата в околната водна риза. Термометрите ви позволяват точно да записвате промените в температурата на водата.
В подобен калориметър през 30-те години на 19 век известният немски химик Юстус фон Либих (\(1803-1873)) провежда първите си експерименти с храна, който споделя идеите на Лавоазие, че храната е гориво за тялото, както дървата за огрев за печка.
Юстус фон Либих
