Was ist ein Kalorimeter in der Physik? Definition, Verwendung. Wärmemessung Verteilung nach Typ
In diesem Artikel beantworten wir die Frage: „Was ist ein Kalorimeter?“ Lassen Sie uns die allgemeinen Eigenschaften dieses Mechanismus, sein Funktionsprinzip und seine Anwendungsbereiche, Funktionalität und Messgrößen bestimmen. Wir werden auch auf die Klassifizierung und Beschreibung einiger spezifischer Arten achten.
Einführung
Um die Frage zu beantworten, was ein Kalorimeter ist, kann es allgemein als ein Gerät charakterisiert werden, mit dem die Wärmemenge gemessen wird, die im Verlauf physikalischer, chemischer oder biologischer Prozesse freigesetzt oder absorbiert wird.
Die Einführung einer neuen terminologischen Einheit „Kalorimeter“ wurde 1780 von P. Laplace und A. Lavoisier vorgeschlagen. Ein ähnliches Gerät wird auch in der Kernphysik verwendet, in der Elementarteilchen untersucht werden, und es wird als Ionisationskalorimeter bezeichnet. Die Funktion dieses Geräts besteht jedoch darin, das Energiepotential von Partikeln zu messen.
Moderner Mechanismus
Die Bestimmung der Wärmekapazität mit einem modernen Kalorimeter ermöglicht es, den untersuchten Wert mit einer Genauigkeit von zehn bis einem Hundertstel Prozent zu erfassen. Der Bereich, in dem dieses Gerät arbeiten kann, reicht von 0,1 bis 3500 Kelvin. Die Art der Kalorimetergeräte ist sehr vielfältig. Sie kann durch die Art des untersuchten Prozesses sowie seine Dauer bestimmt werden. Ein weiterer wichtiger Parameter zur Bestimmung der Art des Mechanismus ist der Temperaturbereich, in dem gemessen wird, sowie die gemessene Wärmemenge.
Die Bestimmung des Energieäquivalents mit einem Kalorimeter kann dem Probanden zeigen, wie viel Körper bei der Verbrennung einer Brennstoffressource freigesetzt wird. Dies kann dank des Ausdrucks Q = C∆T erreicht werden, wobei C der Indikator für das thermische (Energie-)Äquivalent ist. Legen Sie die Bestimmungsparameter fest, indem Sie das Gerät kalibrieren. Eine weitere Größe, ∆T, ist eine Funktion des bekannten Ausgangssignals des Kalorimeters.
Verteilung nach Typ
Es ist unmöglich, die Frage zu beantworten, was ein Kalorimeter ist, ohne sich mit seinen Typen vertraut zu machen.
Einer der häufigsten Vertreter solcher Geräte ist das Integratorkalorimeter. Es soll die gesamte Wärmemenge Q ermittelt werden, die zu Beginn und am Ende der Reaktion freigesetzt wird.
Ein weiteres bekanntes Kalorimeter ist ein Gerät zur Messung der Wärmeleistung, also der Geschwindigkeit, mit der Wärme abgegeben wird – L. Sie können auch nach der Konstruktion des Mechanismus und der Messmethodik und dem Ansatz unterteilt werden. Es gibt auch Flüssigkeits- und Feststoffkalorimeter. Es sind auch Einzel- und Differenzgeräte erhältlich.
Wärmemessung
Was ist ein Kalorimeter in der Physik? Die Definition besagt, dass es sich um ein Gerät zur Messung der erzeugten Wärmemenge handelt. In diesem Fall kann die bei einer chemischen Reaktion freigesetzte Wärme nur mit einem Flüssigkeitsintegratorkalorimeter bestimmt werden.
Das Design wird in Form eines mit Flüssigkeit (normalerweise Wasser) gefüllten Gefäßes präsentiert. Es enthält eine Kammer zur Durchführung eines Experiments („Kalorimeterbombe“), einen Rührer, ein Thermometer und eine Heizvorrichtung.
Messungen kalorimetrischer Systeme
Anpassungen am natürlichen Verlauf der Wärmeabgabe des Systems können erkannt werden, wenn sich einer seiner Zustände ändert. Sie werden wiederum durch die Analyse der Wärmemenge ermittelt, die in das Gerät eingebracht wird. Die Kalorimeterkonstante wird vor Beginn der Messarbeiten ermittelt und mit dem vorgegebenen und eingestellten Wert verglichen. Die Geräte werden kalibriert, wodurch der Koeffizient bestimmt wird. Sie muss mit der vom Thermometer gemessenen Temperaturänderung des Geräts multipliziert werden.
Vorhandensein von Nebenwirkungen
Tatsächlich zeigen kalorimetrische Daten direkt nur die Gesamtzahl der im Prozess untersuchten Schmelzen. Sie können dies auch anhand des Vorhandenseins eines Nebenprozesses (oder mehrerer Nebenprozesse) herausfinden, der das Phänomen der Vermischung, des Verdampfens von Flüssigkeit sowie des Zerbrechens einer Ampulle mit Substanzen usw. verursachen kann. Die Bestimmung der Kalorimeterkonstante ermöglicht einer Person den Zugriff zu einem Vergleich von Indikatoren für Veränderungen vor dem Hintergrund von etwas. Mit seiner Hilfe werden Informationen analysiert.
Die Wärme einer sekundären Prozessreihe muss durch Erfahrung oder Berechnung ermittelt werden, was in den Forschungsergebnissen nicht berücksichtigt wird. Ein Beispiel für einen Nebeneffekt ist der unvermeidliche Wärmeaustausch zwischen dem Kalorimeter und dem umgebenden Raum und der umgebenden Materie.
Isotherme Beobachtungen
Es gibt ein Integratorkalorimeter vom isothermen Typ, mit dem Sie Änderungen in den Aggregatzuständen von Körpern einführen können, die den Hauptteil des Systems bilden. Ein Beispiel ist das Schmelzen einer Eismasse in der Eiskammer eines Bunsen-Kalorimeters. Die Wärmeänderung, die den Aggregatzustand beeinflusst, aber keine Temperaturänderung verursacht, können Sie ermitteln, indem Sie die Masse des Stoffes und die Wärmemenge berechnen, die dafür aufgewendet werden müsste.
Um die spezifische Wärmekapazität eines Kalorimeters zu bestimmen, müssen Sie wissen, dass sie numerisch der Wärmemenge entspricht, die aufgewendet wird, um eine Masseneinheit Materie zu erhitzen. Seine Einheit ist J/kg▪K.
Es ist wichtig zu bedenken, dass die spezifische Wärmekapazität ein mehrdeutiges Merkmal ist. Es besteht ein Zusammenhang zwischen den Bedingungen der Wärmeübertragung und dem Arbeitswert, der mit diesem Prozess einhergeht.
Massiver Typ
Um den Enthalpiewert eines Stoffes bei Temperaturen bis 2500 Grad Celsius zu bestimmen, werden massive Integratoren eingesetzt. Das Gewicht dieses Kalorimetertyps kann je nach Gewicht der zu messenden Substanz variieren, da die Struktur aus Metallen besteht. Tatsächlich handelt es sich hierbei um einen Block mit mehreren Aussparungen für Gefäße. Sie enthalten Reaktionen, die für ein Heizgerät und/oder ein Thermometer vorgesehen sind. Das Produkt aus dem vom Kalorimeter gemessenen Wärmewert und der Differenz der Temperaturanstiege im Block zeigt uns die Enthalpie der Substanz(en).
Fließen
Mit einem Strömungslabyrinthkalorimeter können Sie die Wärmekapazität eines Gases oder einer Flüssigkeit bestimmen. Es erfasst die Temperaturdifferenz, die in stationäre Strömungen des untersuchten Stoffes ein- und austritt. Es bestimmt auch die Leistung einer solchen Strömung und die Stärke der von der elektrischen Heizung erzeugten Wärme in Joule.
Leistungsmessgerät
Bei der Beantwortung der Frage, was ein Kalorimeter ist, ist es wichtig, den Zweck dieses Geräts zur Leistungsbestimmung zu erwähnen. Im Gegensatz zu einem Integrator muss ein solches Gerät über eine erhebliche Wärmeübertragungskapazität verfügen. Dies ist notwendig, damit die eingebrachte Wärmemenge abgeführt werden kann. Daraus folgt, dass sich der Zustand des Kalorimeters in der Momentanmessung befindet.
Der thermische Wert der Prozessleistung wird mit Schalenkalorimetern ermittelt. Die Erfindung wurde von einem Physiker aus Frankreich, E. Calvet, gemacht. Ursprünglich wurde der Mechanismus in Form eines mit Kanälen ausgestatteten Metallblocks präsentiert. Darauf wurden spezielle zylindrische Zellen ausgelegt, die zur Durchführung des untersuchten Prozesses bestimmt waren. Das für den Bau der Kamera verwendete Metall ist das Gehäuse. Seine Temperatur sollte mit einer Genauigkeit von fünf bis sechs Kelvin konstant gehalten werden.
Der Temperaturunterschied zwischen Zelle und Block wird mithilfe einer Thermosäule mit bis zu tausend Loten gemessen. Die Indikatoren für die EMF und die Wärmeübertragung der Zelle sind Größen, die proportional zu dem kleinen Temperaturunterschied sind, der zwischen Komponenten wie dem Block und der Zelle auftritt. In diesem Fall muss Wärme in der Zelle selbst abgegeben oder aufgenommen werden. Sehr oft enthalten solche Blöcke ein Zellenpaar, das unterschiedlich arbeitet.
Name und Klassifizierung
Gebräuchliche Bezeichnungen für Kalorimeter sind:
- für chemische Reaktionen;
- Bombe;
- isothermer Typ;
- Niedertemperaturtyp;
- Eisart.
Alle von ihnen verfügen über Daten zur historischen Herkunft. Ihren Namen verdanken sie meist dem Einsatzgebiet. Allerdings beziehen sich diese Namen nicht auf vergleichende oder vollständige Merkmale.
Die allgemeine Art der Klassifizierung von Kalorimetern basiert auf der Betrachtung einer der drei Hauptgrößen, einzeln oder zusammen. Es ist der Ansatz zur Analyse von Indikatoren, der die Temperaturmesstechnik bestimmt, die Folgendes aufweist:
- kalorimetrisches System Tc;
- Schale Das;
- die pro Zeiteinheit abgegebene Wärmemenge L (Wärmeleistung).
Kalorimeter mit konstanten Werten von Tc und To sind vom isothermen Typ, und Geräte mit Tc = To werden als adiabatisch bezeichnet. Wenn das Gerät unter Bedingungen mit konstantem Temperaturunterschied betrieben wird, spricht man von einem Kalorimeter mit konstantem Wärmeaustauschfluss. Der Isoperibol-Mechanismus hat eine Konstante To und Tc ist eine thermische Funktion der Leistung L.
Endgültige Ergebnisse
Es gibt eine Reihe von Faktoren, die das endgültige Messergebnis beeinflussen können. Einer davon ist das Vorhandensein von Änderungen, die sich auf das Endergebnis auswirken. Dies liegt an der Zuverlässigkeit der automatischen Temperaturregler für eine isotherme oder adiabatische Hülle. Im letzten Fall wird der Temperaturwert durch seine Nähe zu den sich ändernden Bedingungen des gesamten kalorimetrischen Systems bestimmt. Dieses Design hat die Leichtigkeit eines Metallschirms und ist mit einer Heizvorrichtung ausgestattet, die den Durchfluss und den Wert der Wärmeübertragung auf ein bestimmtes Niveau reduziert, bei dem sich die Temperatur des Kalorimeters nur um Dezimalteile eines Grads pro Minute ändert. Dadurch kann es möglich werden, den während eines kalorimetrischen Experiments auftretenden Wärmeaustausch auf extrem niedrige Werte zu reduzieren, die vernachlässigt werden können.
Die in dem Artikel besprochenen Geräte spielen eine große Rolle im menschlichen Leben und sind eine der bedeutendsten Errungenschaften der Wissenschaft. Die Hauptfunktion des Kalorimeters besteht darin, Temperaturänderungsdaten zu untersuchen und das Vorhandensein von Fehlern im Wärmeübertragungsprozess festzustellen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Geräte zu klassifizieren, verbunden mit bestimmten Parametern, die sich stark voneinander unterscheiden. Als Materialien für die Herstellung können verschiedenste Metalle dienen, zum Beispiel gibt es Kupferkalorimeter, Blei, Stahl und andere. Neben reinen Stoffen können auch Legierungen verwendet werden.
Gerät zur Messung der Teilchenenergie.
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Untertitel
Moderne Kalorimeter
Moderne Kalorimeter arbeiten im Temperaturbereich von 0,1 bis 3500 und ermöglichen die Messung der Wärmemenge mit einer Genauigkeit von 0,01 bis 10 %. Die Konstruktion von Kalorimetern ist sehr vielfältig und wird durch die Art und Dauer des untersuchten Prozesses, den Temperaturbereich, in dem die Messungen durchgeführt werden, die gemessene Wärmemenge und die erforderliche Genauigkeit bestimmt.
Arten von Kalorimetern
Kalorimeter zur Messung der Gesamtwärmemenge Q, im Prozess von Anfang bis Ende freigesetzt, heißt Integratorkalorimeter
Kalorimeter zur Messung der Wärmeleistung (Wärmefreisetzungsrate) L und seine Veränderungen in verschiedenen Phasen des Prozesses - Leistungsmesser oder Kalorimeter-Oszilloskop. Aufgrund des Aufbaus des kalorimetrischen Systems und der Messmethode wird zwischen Flüssigkeits- und Feststoffkalorimetern, Einfach- und Doppelkalorimetern (Differentialkalorimetern) unterschieden.
Flüssigkeitskalorimeter-Integrator
Ein Flüssigkeitsintegratorkalorimeter mit variabler Temperatur und einem isothermen Gehäuse wird zur Messung der Lösungswärmen und der Wärme chemischer Reaktionen verwendet. Es besteht aus einem Gefäß mit einer Flüssigkeit (normalerweise Wasser), das Folgendes enthält: eine Kammer zur Durchführung des untersuchten Prozesses („Kalorimeterbombe“), einen Rührer, eine Heizung und ein Thermometer. Die in der Kammer freigesetzte Wärme wird dann zwischen der Kammer, der Flüssigkeit und anderen Teilen des Kalorimeters verteilt, dessen Gesamtheit als kalorimetrisches System des Geräts bezeichnet wird.
Bei Flüssigkeitskalorimetern wird die isotherme Temperatur der Hülle konstant gehalten. Bei der Bestimmung der Wärme einer chemischen Reaktion sind die größten Schwierigkeiten oft nicht mit der Berücksichtigung von Nebenprozessen verbunden, sondern mit der Bestimmung der Vollständigkeit der Reaktion und der Notwendigkeit, mehrere Reaktionen zu berücksichtigen.
Kalorimetrische Messungen
Durch Ändern des Zustands (z. B. der Temperatur) des kalorimetrischen Systems können Sie die in das Kalorimeter eingebrachte Wärmemenge messen. Die Erwärmung des kalorimetrischen Systems wird mit einem Thermometer aufgezeichnet. Vor der Messung wird das Kalorimeter kalibriert – die Temperaturänderung des kalorimetrischen Systems wird bestimmt, wenn ihm eine bekannte Wärmemenge zugeführt wird (durch die Kalorimeterheizung oder als Ergebnis einer chemischen Reaktion in der Kammer mit einer bekannten Menge an Wärme). eine Standardsubstanz). Als Ergebnis der Kalibrierung erhält man den thermischen Wert des Kalorimeters, d. h. den Koeffizienten, mit dem die vom Thermometer gemessene Temperaturänderung des Kalorimeters multipliziert werden sollte, um die in das Kalorimeter eingebrachte Wärmemenge zu bestimmen. Der thermische Wert eines solchen Kalorimeters ist die Wärmekapazität (c) des kalorimetrischen Systems. Bestimmung einer unbekannten Verbrennungswärme oder einer anderen chemischen Reaktion Q kommt es darauf an, die Temperaturänderung Δ zu messen T kalorimetrisches System, das durch den untersuchten Prozess verursacht wird: Q=cΔ T. Normalerweise der Wert Q bezieht sich auf die Masse der Substanz, die sich in der Kalorimeterkammer befindet.
Nebenprozesse bei kalorimetrischen Messungen
Kalorimetrische Messungen ermöglichen es, nur die Summe der Wärmen des untersuchten Prozesses und verschiedener Nebenprozesse, wie Mischen, Verdampfen von Wasser, Aufbrechen einer Ampulle mit einer Substanz usw., direkt zu bestimmen. Die Wärme von Nebenprozessen muss bestimmt werden experimentell oder rechnerisch ermittelt und aus dem Endergebnis ausgeschlossen. Einer der unvermeidlichen Nebenprozesse ist der Wärmeaustausch des Kalorimeters mit der Umgebung durch Strahlung und Wärmeleitung. Um Nebenprozesse und vor allem den Wärmeübergang zu berücksichtigen, ist das kalorimetrische System von einer Hülle umgeben, deren Temperatur kontrolliert wird.
Isothermes Integratorkalorimeter
Bei einem Integratorkalorimeter eines anderen Typs – isotherm (konstante Temperatur) – verändert die eingebrachte Wärme nicht die Temperatur des kalorimetrischen Systems, sondern bewirkt eine Änderung des Aggregatzustands des Körpers, der Teil dieses Systems ist (z. B. das Schmelzen). Eis in einem Bunsen-Eiskalorimeter). Die eingebrachte Wärmemenge errechnet sich in diesem Fall aus der Masse des Stoffes, der den Aggregatzustand verändert hat (z. B. der Masse geschmolzenen Eises, die an der Volumenänderung des Eis-Wasser-Gemisches gemessen werden kann). und die Wärme des Phasenübergangs.
Massives Integratorkalorimeter
Ein Massivintegratorkalorimeter wird am häufigsten zur Bestimmung der Enthalpie von Stoffen bei hohen Temperaturen (bis zu 2500 °C) eingesetzt. Das kalorimetrische System dieses Kalorimetertyps ist ein Metallblock (normalerweise Kupfer oder Aluminium) mit Aussparungen für das Gefäß, in dem die Reaktion stattfindet, ein Thermometer und eine Heizung. Die Enthalpie einer Substanz wird als Produkt aus dem thermischen Wert des Kalorimeters und der Differenz im Temperaturanstieg des Blocks berechnet, gemessen nach dem Einwerfen einer Ampulle mit einer bestimmten Substanzmenge in ihr Nest und dem anschließenden Erhitzen einer leeren Ampulle auf die gleiche Temperatur.
Strömungslabyrinthkalorimeter
Die Wärmekapazität von Gasen und manchmal auch Flüssigkeiten wird im sogenannten bestimmt. Strömungslabyrinth-Kalorimeter – durch den Temperaturunterschied am Einlass und Auslass einer stationären Flüssigkeits- oder Gasströmung, der Leistung dieser Strömung und der von der elektrischen Heizung des Kalorimeters freigesetzten Joule-Wärme.
Kalorimeter - Leistungsmesser
Ein Kalorimeter, das als Leistungsmesser arbeitet, muss im Gegensatz zu einem Integratorkalorimeter über einen erheblichen Wärmeaustausch verfügen, damit die in es eingebrachten Wärmemengen schnell abgeführt werden und der Zustand des Kalorimeters durch den Momentanwert der thermischen Leistung bestimmt wird Verfahren. Die Wärmeleistung des Prozesses ergibt sich aus dem Wärmeaustausch zwischen dem Kalorimeter und der Hülle. Solche vom französischen Physiker E. Calvet entwickelte Kalorimeter sind ein Metallblock mit Kanälen, in die zylindrische Zellen eingesetzt werden. Der untersuchte Prozess findet in der Zelle statt; Der Metallblock übernimmt die Rolle einer Hülle (seine Temperatur wird mit einer Genauigkeit von 10 −5 -10 −6 K konstant gehalten). Der Temperaturunterschied zwischen Zelle und Block wird durch eine Thermosäule mit bis zu 1000 Übergängen gemessen. Die Wärmeübertragung der Zelle und die EMK der Thermosäule sind proportional zum kleinen Temperaturunterschied, der zwischen dem Block und der Zelle entsteht, wenn Wärme darin abgegeben oder absorbiert wird. Meistens werden zwei Zellen in einem Block angeordnet und fungieren als Differentialkalorimeter: Die Thermosäulen jeder Zelle haben die gleiche Anzahl von Verbindungen und daher ermöglicht der Unterschied in ihrer EMF, den Unterschied in der Leistung der eintretenden Wärmeströme direkt zu bestimmen Zellen. Mit dieser Messmethode ist es möglich, Verfälschungen des Messwertes durch zufällige Schwankungen der Temperatur des Blocks auszuschließen. Normalerweise sind an jeder Zelle zwei Thermosäulen angebracht: Eine ermöglicht es, die Wärmeleistung des untersuchten Prozesses auf der Grundlage des Peltier-Effekts zu kompensieren, und die andere (Indikator) dient der Messung des unkompensierten Teils des Wärmeflusses. In diesem Fall arbeitet das Gerät als Differentialkompensationskalorimeter. Bei Raumtemperatur messen solche Kalorimeter die thermische Leistung von Prozessen mit einer Genauigkeit von 1 μW.
Namen von Kalorimetern
Die üblichen Namen von Kalorimetern – „für eine chemische Reaktion“, „Bombe“, „isotherm“, „Eis“, „Niedertemperatur“ – sind historischen Ursprungs und geben hauptsächlich die Methode und den Einsatzbereich von Kalorimetern an , ohne eine vollständige oder vergleichende Beschreibung derselben zu sein.
Allgemeine Klassifizierung von Kalorimetern
Eine allgemeine Klassifizierung von Kalorimetern kann auf der Grundlage der Berücksichtigung von drei Hauptvariablen erstellt werden, die die Messtechnik bestimmen: Temperatur des kalorimetrischen Systems Tc; Manteltemperatur Zu, das kalorimetrische System umgebend; Wärmemenge L, im Kalorimeter pro Zeiteinheit freigesetzt (Wärmeleistung).
Kalorimeter mit Konstanten Tc Und Zu isotherm genannt; Mit Tc = Zu- adiabatisch; Kalorimeter, das bei einer konstanten Temperaturdifferenz arbeitet Tc - Zu, Kalorimeter mit konstantem Wärmeaustausch genannt; für ein Isoperibol-Kalorimeter (auch Kalorimeter mit isothermer Schale genannt) die Konstante Zu, A Tc ist eine Funktion der Wärmeleistung L.
Faktoren, die das endgültige Messergebnis beeinflussen
Ein wichtiger Faktor, der das endgültige Messergebnis beeinflusst, ist der zuverlässige Betrieb automatischer Temperaturregler für isotherme oder adiabatische Schalen. In einem adiabatischen Kalorimeter wird die Temperatur der Hülle so gesteuert, dass sie immer nahe an der sich ändernden Temperatur des kalorimetrischen Systems liegt. Die adiabatische Hülle – ein mit einer Heizung ausgestatteter Leichtmetallschirm – reduziert die Wärmeübertragung so stark, dass sich die Temperatur des Kalorimeters nur um wenige Zehntausendstel Grad/Minute ändert. Dadurch gelingt es oft, die Wärmeübertragung während eines kalorimetrischen Experiments auf einen unbedeutenden Wert zu reduzieren, der vernachlässigt werden kann. Bei Bedarf wird in die Ergebnisse direkter Messungen eine Korrektur der Wärmeübertragung eingeführt, deren Berechnungsmethode auf dem Newtonschen Gesetz der Wärmeübertragung basiert – der Proportionalität des Wärmeflusses zwischen Kalorimeter und Hülle zum Unterschied ihrer Temperaturen. wenn dieser Unterschied gering ist (bis zu 3-4 °C).
Bei einem Kalorimeter mit isothermer Hülle kann die Wärme einer chemischen Reaktion mit einem Fehler von bis zu 0,01 % bestimmt werden. Wenn die Abmessungen des Kalorimeters klein sind, sich seine Temperatur um mehr als 2–3 °C ändert und der untersuchte Prozess langwierig ist, kann die Korrektur der Wärmeübertragung bei einer isothermen Hülle 15–20 % des Messwerts betragen und erheblich sein die Genauigkeit der Messungen einschränken. In diesen Fällen ist es sinnvoller, eine adiabatische Schale zu verwenden.
Mit einem adiabatischen Kalorimeter wird die Wärmekapazität von festen und flüssigen Stoffen im Bereich von 0,1 bis 1000 K bestimmt. Bei Raumtemperatur und niedrigeren Temperaturen wird ein adiabatisches Kalorimeter, geschützt durch einen Vakuummantel, in einen mit flüssigem Helium gefüllten Dewar-Kolben eingetaucht , Wasserstoff oder Stickstoff. Bei erhöhten Temperaturen (über 100 °C) wird das Kalorimeter in einen thermostatisch gesteuerten Elektroofen gestellt.
„Konvektion“ – Der Prozess des Mischens. Thermogravitative Konvektion. Konvektion. Natürliche Konvektion. Arten von Konvektionen aufgrund ihres Auftretens. Was ist Konvektion? Es gibt zwei Arten von Konvektion. Arten von Konvektionen. Die Bewegung der Materie wird durch die Einwirkung einiger äußerer Kräfte verursacht. Wärmeübertragung. Erzwungene Konvektion. Atmosphärische Phänomene.
„Chemische Treibstofftechnologie“ – Treibstoffe für Strahltriebwerke. Gase. Cetan-Zahl. Benzine. Rechnerische Ermittlung der Mittenfrequenz. Oktanzahlen verschiedener Gruppen von Kohlenwasserstoffen. Paraffine und Ceresine. Berechnungsmethoden. Die Neigung von Kraftstoffen zur Detonation. Dieselkraftstoffe. Entflammbarkeit. Gasturbinen- und Kesselbrennstoff. Theoretische Grundlagen der chemischen Technologie.
„Innere Energie“ – Materialien mit schlechter Wärmeleitfähigkeit. Innere Energie. Materieteilchen. Mit der Verformung nimmt auch die Energie zu. Erhitzte Körper. Die innere Energie nimmt ab. Einen Löffel in kochendem Wasser erhitzen. Arten der Wärmeübertragung. Metalle. In welchem Aggregatzustand befindet sich der Körper? Mechanische Energie.
„Berechnung der Wärmemenge“ – Bestimmung der Wärmemenge. Wärmemenge. Probleme lösen. Formel zur Berechnung der Wärmemenge. Wiederholung. Berechnung der Wärmemenge. Neues Material lernen. Probleme lösen. Das Problem lösen. Wie viel Wärme wird zum Heizen benötigt? Unterschied. Was zeigt die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes?
„Methoden der Wärmeübertragung“ – Erhitzen von Flüssigkeiten. Windrad aus Papier. Ball. Wärmeleitfähigkeit. Wasser erhitzen. Kerosinlampe. Bereiten Sie Eis im Gefrierschrank vor. Löcher. Methoden der Wärmeübertragung. Warum fühlen wir uns cool, wenn wir uns Luft zufächeln? Fensterglas. Arten der Wärmeübertragung in einer Thermoskanne. Feuer im Sieb. Arten der Wärmeübertragung. Strahlung.
„Wärmemenge“ – Q – vom Körper aufgenommene Wärme. Wärmeaustausch. Geschichte der Entstehung von Konzepten. Wie groß ist die Wärmemenge? Wärmemenge. Ein Gerät zur Messung der Wärmemenge. Moderne Kalorimeter. J. Joule, englischer Physiker, der thermische Phänomene untersuchte. Kalorimeter. Hochpräzises adiabatisches Kalorimeter.
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Kalorimeter, m. [aus dem Lateinischen. calor – Wärme und Griechisch. Metron – Maß] (physikalisch). Ein Gerät zur Messung der Wärmemenge. Großes Wörterbuch mit Fremdwörtern
Wissenschaftler begannen mit der Messung der Wärmemenge, lange bevor der Energiebegriff in der Physik auftauchte. Dann wurde eine spezielle Einheit zur Messung der Wärmemenge eingeführt – die Kalorie (cal).
Eine Kalorie ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um \(1\) g Wasser um \(1\)°C zu erwärmen.
\(1\) cal \(= 4.19\) J \(≈ 4.2\) J.
Der Begriff „Kalorie“ (vom lateinischen „calor“ – Wärme) wurde vom französischen Chemiker Nicolas Clément-Desormes (\(1779-1842\)) in den wissenschaftlichen Gebrauch eingeführt.
Nicolas Clément-Desormes
Seine Definition der Kalorie als Wärmeeinheit wurde erstmals 1824 in der Zeitschrift Le Producteur veröffentlicht und erschien 1842 in französischen Wörterbüchern.
Allerdings erschien lange bevor dieser Begriff erschien, der erste Kalorimeter – Instrumente zur Wärmemessung.
Das erste Kalorimeter wurde vom englischen Chemiker Joseph Black erfunden und in \(1759-1763\) nutzte er es, um die Wärmekapazitäten verschiedener Substanzen, die latente Wärme beim Schmelzen von Eis und die Verdunstung von Wasser zu bestimmen.
Joseph Schwarz
Die berühmten französischen Wissenschaftler Antoine Laurent Lavoisier (\(1743-1794\)) und Pierre Simon Laplace (\(1749-1827\)) nutzten die Erfindung von D. Black.
Antoine Laurent Lavoisier
Pierre Simon Laplace
Im Jahr 1780 begannen sie mit einer Reihe kalorimetrischer Experimente, die es ermöglichten, thermische Energie zu messen.
Dieses Konzept findet sich bereits im 18. Jahrhundert in den Werken des schwedischen Physikers Johann Karl Wilcke (1732–1796), der elektrische, magnetische und thermische Phänomene untersuchte und über Äquivalente nachdachte, mit denen thermische Energie gemessen werden könnte.
Johann Karl Wilcke
Das Gerät, das später als Kalorimeter bezeichnet wurde, wurde von Lavoisier und Laplace verwendet, um die bei verschiedenen physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen freigesetzte Wärmemenge zu messen. Zu dieser Zeit gab es keine genauen Thermometer, daher musste man zur Messung der Wärme auf Tricks zurückgreifen.
Das erste Kalorimeter war eiskalt. Die innere Hohlkammer, in der ein wärmeabgebendes Objekt (z. B. eine Maus) platziert wurde, war von einer mit Eis oder Schnee gefüllten Hülle umgeben. Und der Eismantel wiederum war von Luft umgeben, damit das Eis unter dem Einfluss äußerer Hitze nicht schmolz. Die Wärme des Objekts im Kalorimeter erhitzte und schmolz das Eis. Durch das Wiegen des Schmelzwassers, das aus dem Mantel in ein spezielles Gefäß floss, ermittelten die Forscher die vom Objekt erzeugte Wärme.
Alle thermischen Veränderungen, die ein Materialsystem erfährt und die seinen Zustand ändern, erfolgen in umgekehrter Reihenfolge, wenn das System in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt.
Mit anderen Worten: Um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen, muss die gleiche Energiemenge aufgewendet werden, die freigesetzt wird, wenn Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser reagiert.
Im selben Jahr (1780) platzierte Lavoisier ein Meerschweinchen im Kalorimeter. Die Wärme ihres Atems ließ den Schnee in seinem Hemd schmelzen. Dann folgten weitere Experimente, die für die Physiologie von großer Bedeutung waren.
Damals äußerte Lavoisier die Idee, dass die Atmung eines Tieres dem Abbrennen einer Kerze ähnelt, wodurch die notwendige Wärmeversorgung im Körper aufrechterhalten wird. Er war auch der Erste, der die drei wichtigsten Funktionen eines lebenden Organismus miteinander in Verbindung brachte: Atmung, Ernährung und Transpiration (Verdunstung von Wasser). Anscheinend redet man seitdem darüber, dass Nahrung in unserem Körper verbrennt.
Im 19. Jahrhundert wurde dank der Bemühungen des berühmten französischen Chemikers Marcelin Berthelot (1827–1907), der mehr als 200 Werke zur Thermochemie veröffentlichte, die Genauigkeit der kalorimetrischen Methoden erheblich verbessert und die Instrumente modernisiert erschienen - ein Wasserkalorimeter und eine versiegelte kalorimetrische Bombe.
Marcelin Berthelot
Das letzte Gerät ist für uns besonders interessant, da es die bei sehr schnellen Reaktionen – Verbrennung und Explosion – freigesetzte Wärme messen kann.
Eine Probe der trockenen Testsubstanz wird in einen Tiegel gegossen, in die Bombe gestellt und das Gefäß hermetisch verschlossen. Anschließend wird der Stoff mit einem elektrischen Funken entzündet. Es verbrennt und gibt Wärme an das Wasser im umgebenden Wassermantel ab. Mit Thermometern können Sie Änderungen der Wassertemperatur genau aufzeichnen.
In einem ähnlichen Kalorimeter führte in den dreißiger Jahren des 19. Jahrhunderts der berühmte deutsche Chemiker Justus von Liebig (\(1803-1873)) seine ersten Experimente mit Nahrungsmitteln durch, der Lavoisiers Vorstellungen teilte, dass Nahrungsmittel Brennstoff für den Körper sind, wie Brennholz für den Körper Herd.
Justus von Liebig
