O que é um calorímetro em física? Definição, uso. Medição de calor Distribuição por tipo
Neste artigo responderemos à pergunta: “O que é um calorímetro?” Determinemos as características gerais deste mecanismo, seu princípio de funcionamento e áreas de aplicação, funcionalidade e medição de grandezas. Também prestaremos atenção à classificação e descrição de algumas espécies específicas.
Introdução
Respondendo à questão do que é um calorímetro, em termos gerais ele pode ser caracterizado como um dispositivo pelo qual se mede a quantidade de calor liberada ou absorvida no decorrer de processos físicos, químicos ou biológicos.
A introdução de uma nova unidade terminológica “calorímetro” foi proposta em 1780 por P. Laplace e A. Lavoisier. Um dispositivo semelhante também é usado no ramo nuclear da física, que estuda partículas elementares, e é chamado de calorímetro de ionização. Porém, a função deste dispositivo é medir o potencial energético das partículas.
Mecanismo moderno
A determinação da capacidade calorífica com um calorímetro de fabricação moderna permite registrar o valor em estudo com uma precisão de dez a um centésimo de um por cento. A faixa na qual este dispositivo pode operar varia de 0,1 a 3500 Kelvin. O tipo de dispositivo calorímetro é muito diversificado. Pode ser determinado pela natureza do processo em estudo, bem como pela sua duração. Outro parâmetro importante para determinar o tipo de mecanismo é a faixa de temperatura na qual as medições ocorrem, bem como a quantidade de calor que está sendo medida.
Determinar o equivalente de energia com um calorímetro pode mostrar ao sujeito a quantidade de corpo que é liberada durante a combustão de um recurso combustível. Isto pode ser feito graças à expressão Q = C∆T, em que C é o indicador equivalente térmico (energia). Defina parâmetros de determinação calibrando o dispositivo. Outra quantidade, ∆T, é função do sinal de saída conhecido do calorímetro.
Distribuição por tipo
É impossível responder à questão do que é um calorímetro sem se familiarizar com seus tipos.
Um dos representantes mais comuns de tais dispositivos é o calorímetro integrador. Pretende-se determinar a quantidade total de calor Q que é liberada no início e no final da reação.
Outro calorímetro conhecido é um dispositivo para medir a potência térmica, ou seja, a taxa de liberação de calor - L. Eles também podem ser divididos de acordo com o desenho do mecanismo e metodologia de medição, abordagem. Existem também calorímetros líquidos e sólidos. Dispositivos simples e diferenciais também estão disponíveis.
Medição de calor
O que é um calorímetro em física? A definição diz que é um dispositivo para medir a quantidade de calor gerada. Neste caso, o calor liberado durante uma reação química só pode ser determinado por meio de um calorímetro integrador de líquido.
O desenho se apresenta na forma de um recipiente cheio de líquido (geralmente água). Contém uma câmara para a realização de um experimento (“bomba calorimétrica”), um agitador, um termômetro e um dispositivo de aquecimento.
Medições de sistemas calorimétricos
Fazer ajustes no curso natural da liberação de calor do sistema pode ser detectado quando qualquer um de seus estados muda. Eles, por sua vez, são determinados pela análise da quantidade de calor que é introduzida no dispositivo. A constante do calorímetro é determinada antes do início do trabalho de medição e comparada com o valor especificado e ajustado. Os dispositivos são calibrados, graças aos quais o coeficiente é determinado. Deve ser multiplicado pela variação da temperatura do aparelho medida pelo termômetro.
Presença de efeitos colaterais
Na verdade, os dados calorimétricos mostram diretamente apenas o número total de calores estudados no processo. Você também pode descobrir pela presença de um processo (ou processos) secundários que podem causar o fenômeno de mistura, evaporação de líquido, bem como rompimento de uma ampola com substâncias, etc. a uma comparação de indicadores de mudanças no contexto de algo. É com a sua ajuda que a informação é analisada.
O calor de uma série secundária de processos deve ser determinado por experiência ou cálculo, o que é excluído dos resultados da pesquisa. Um exemplo de efeito colateral é a inevitável troca de calor entre o calorímetro e o espaço e a matéria circundante.
Observações isotérmicas
Existe um calorímetro integrador do tipo isotérmico que permite introduzir alterações nos estados agregativos dos corpos que constituem a parte principal do sistema. Um exemplo é o derretimento de uma massa de gelo na câmara de gelo de um calorímetro de Bunsen. Você pode descobrir a mudança de calor, que afeta o estado de agregação, mas não causa mudança de temperatura, calculando a massa da substância e a quantidade de calor que seria necessária para gastar para isso.
Para determinar a capacidade térmica específica de um calorímetro, você precisa saber que ela é numericamente igual à quantidade de calor gasta para aquecer uma unidade de massa de matéria. Sua unidade é J/kg▪K.
É importante lembrar que a capacidade térmica específica é uma característica ambígua. Existe uma relação entre as condições de transferência de calor e o valor do trabalho que acompanha este processo.
Tipo enorme
Para determinar o valor de entalpia de uma substância em temperaturas de até 2.500 graus Celsius, são utilizados integradores massivos. O peso desse tipo de calorímetro pode variar dependendo do peso da substância que está sendo medida, já que a estrutura é composta por metais. Na verdade, trata-se de um bloco com diversas reentrâncias para embarcações. Eles contêm reações destinadas a um dispositivo de aquecimento e/ou termômetro. O produto do valor calorífico medido pelo calorímetro e a diferença de aumento de temperatura no bloco nos mostra a entalpia da(s) substância(s).
Fluxo
Você pode determinar a capacidade térmica de um gás ou líquido usando um calorímetro de labirinto de fluxo. Ele registra a diferença de temperatura que entra e sai dos fluxos estacionários da substância em estudo. Também determina a potência desse fluxo e a intensidade do calor gerado pelo aquecedor elétrico, em joules.
Ferramenta de medição de potência
Ao responder à pergunta sobre o que é um calorímetro, será importante mencionar a finalidade deste dispositivo para determinar a potência. Tal dispositivo, diferentemente de um integrador, deve ser dotado de uma capacidade significativa de transferência de calor. Isso é necessário para que possa remover a quantidade de calor que é introduzida nele. Segue-se disso que o estado do calorímetro está em medição instantânea.
O valor térmico da potência do processo é encontrado usando calorímetros de casca. A invenção foi feita por um físico francês, E. Calvet. Inicialmente, o mecanismo era apresentado na forma de um bloco metálico equipado com canais. Nelas foram dispostas células cilíndricas especiais destinadas à execução do processo em estudo. O metal utilizado na construção da câmera é a carcaça. Sua temperatura deve ser mantida constante com precisão de cinco a seis Kelvin.
A diferença entre a temperatura da célula e do bloco é medida por meio de uma termopilha com até mil soldas. Os indicadores de seu EMF e da transferência de calor da célula são quantidades proporcionais à pequena diferença de temperatura que ocorre entre componentes como o bloco e a célula. Neste caso, o calor deve ser liberado ou absorvido na própria célula. Muitas vezes, esses blocos contêm um par de células que funcionarão de maneira diferente.
Nome e classificação
Os nomes comuns para calorímetros são:
- para reações químicas;
- bombear;
- tipo isotérmico;
- tipo de baixa temperatura;
- tipo de gelo.
Todos eles possuem dados de origem histórica. Geralmente devem seu nome à área em que serão utilizados. Contudo, esses nomes não se referem a características comparativas ou completas.
O tipo geral de classificação dos calorímetros é construído tendo como base a consideração de uma das três grandezas principais, separadamente ou em conjunto. É a abordagem à análise de indicadores que determina a técnica de medição de temperatura, que possui:
- sistema calorimétrico Tc;
- concha Isso;
- a quantidade de calor liberada L por unidade de tempo (potência térmica).
Calorímetros com valores constantes de Tc e To são do tipo isotérmico, e dispositivos em que Tc = To são chamados de adiabáticos. Se o dispositivo opera em condições com diferença constante entre temperaturas, então é denominado calorímetro com fluxo constante de troca de calor. O mecanismo do isoperibol tem uma constante To, e Tc é uma função térmica da potência L.
Resultados finais
Existem vários fatores que podem afetar o resultado final da medição. Um deles é a presença de alterações que afetam o seu resultado final. Isso se deve à confiabilidade do conjunto automático de controladores de temperatura para uma casca isotérmica ou adiabática. No último deles, o valor da temperatura é determinado pela sua proximidade com as mudanças nas condições de todo o sistema calorimétrico. Este projeto tem a leveza de uma tela metálica e está equipado com um dispositivo de aquecimento que reduz o fluxo e a quantidade de transferência de calor a um determinado nível no qual a temperatura do calorímetro mudará apenas em partes decimais de grau por minuto. Isso pode permitir reduzir a troca de calor que ocorre durante um experimento calorimétrico para valores extremamente baixos que podem ser desprezados.
Os dispositivos discutidos no artigo desempenham um papel importante na vida humana e são uma das conquistas mais significativas da ciência. A principal função do calorímetro é estudar dados de mudança de temperatura e determinar a presença de defeitos no processo de transferência de calor. Existem diversas formas de classificação desses dispositivos, associadas a parâmetros específicos que diferem bastante entre si. Uma grande variedade de metais pode servir como materiais de fabricação, por exemplo, existem calorímetros de cobre, chumbo, aço e outros. Além de substâncias puras, também podem ser utilizadas ligas.
Dispositivo para medir energia de partículas.
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✪ Exame Estadual Unificado de Física 2014: A9 - um cilindro de alumínio foi imerso em um calorímetro com água fria
✪ Física 8ª série. Quantidade de calor. Unidades para medir a quantidade de calor
✪ Física Há água no calorímetro com massa mw = 2 kg, cuja temperatura é 30 0C. Para calorímetro
✪ Experimentos de Joule
✪ Física | Preparação para as Olimpíadas de 2017 | Problema "Cozinhamos o calorímetro"
Legendas
Calorímetros modernos
Os calorímetros modernos operam na faixa de temperatura de 0,1 a 3.500 e permitem medir a quantidade de calor com uma precisão de 0,01-10%. O design dos calorímetros é muito diversificado e é determinado pela natureza e duração do processo em estudo, pela faixa de temperatura na qual as medições são feitas, pela quantidade de calor medida e pela precisão necessária.
Tipos de calorímetros
Calorímetro projetado para medir a quantidade total de calor P, liberado no processo do início ao fim, é denominado calorímetro integrador
Calorímetro para medir a energia térmica (taxa de liberação de calor) eu e suas mudanças nas diferentes fases do processo - medidor de energia ou calorímetro-osciloscópio. Com base no projeto do sistema calorimétrico e no método de medição, é feita uma distinção entre calorímetros líquidos e sólidos, simples e duplos (diferenciais).
Integrador de calorímetro líquido
Um calorímetro integrador de líquido de temperatura variável com concha isotérmica é usado para medir os calores da solução e dos calores das reações químicas. É composto por um recipiente com um líquido (geralmente água), que contém: uma câmara para a realização do processo em estudo (“bomba calorímetro”), um agitador, um aquecedor e um termômetro. O calor liberado na câmara é então distribuído entre a câmara, o líquido e outras partes do calorímetro, cuja totalidade é chamada de sistema calorimétrico do aparelho.
Para calorímetros líquidos, a temperatura isotérmica do invólucro é mantida constante. Ao determinar o calor de uma reação química, as maiores dificuldades estão frequentemente associadas não à consideração de processos colaterais, mas à determinação da completude da reação e à necessidade de levar em consideração diversas reações.
Medições calorimétricas
Alterar o estado (por exemplo, temperatura) do sistema calorimétrico permite medir a quantidade de calor introduzida no calorímetro. O aquecimento do sistema calorimétrico é registrado com um termômetro. Antes de fazer medições, o calorímetro é calibrado - a mudança na temperatura do sistema calorimétrico é determinada quando uma quantidade conhecida de calor é transmitida a ele (pelo aquecedor do calorímetro ou como resultado de uma reação química na câmara com uma quantidade conhecida de uma substância padrão). Como resultado da calibração, obtém-se o valor térmico do calorímetro, ou seja, o coeficiente pelo qual deve ser multiplicada a variação da temperatura do calorímetro medida pelo termômetro para determinar a quantidade de calor nele introduzida. O valor térmico de tal calorímetro é a capacidade calorífica (c) do sistema calorimétrico. Determinação de um calor de combustão desconhecido ou outra reação química P se resume a medir a mudança de temperatura Δ t sistema calorimétrico causado pelo processo em estudo: Q=cΔ t. Geralmente o valor P refere-se à massa da substância localizada na câmara do calorímetro.
Processos colaterais em medições calorimétricas
As medições calorimétricas permitem determinar diretamente apenas a soma dos calores do processo em estudo e de vários processos colaterais, como mistura, evaporação de água, quebra de uma ampola com uma substância, etc. experimentalmente ou por cálculo e excluído do resultado final. Um dos processos colaterais inevitáveis é a troca de calor do calorímetro com o meio ambiente por meio de radiação e condução térmica. Para ter em conta os processos secundários e, sobretudo, a transferência de calor, o sistema calorimétrico é rodeado por uma concha cuja temperatura é controlada.
Calorímetro integrador isotérmico
Num calorímetro integrador de outro tipo - isotérmico (temperatura constante), o calor introduzido não altera a temperatura do sistema calorimétrico, mas provoca uma alteração no estado agregado do corpo que faz parte deste sistema (por exemplo, o fusão de gelo em um calorímetro de gelo de Bunsen). A quantidade de calor introduzida é calculada neste caso a partir da massa da substância que alterou o estado de agregação (por exemplo, a massa do gelo derretido, que pode ser medida pela variação do volume da mistura de gelo e água) , e o calor da transição de fase.
Calorímetro integrador maciço
Um calorímetro integrador massivo é mais frequentemente usado para determinar a entalpia de substâncias em altas temperaturas (até 2.500 °C). O sistema calorimétrico deste tipo de calorímetro é um bloco de metal (geralmente cobre ou alumínio) com reentrâncias para o recipiente onde ocorre a reação, um termômetro e um aquecedor. A entalpia de uma substância é calculada como o produto do valor térmico do calorímetro e a diferença no aumento de temperatura do bloco, medida após colocar uma ampola com uma certa quantidade de substância em seu ninho, e depois uma ampola vazia aquecida a a mesma temperatura.
Calorímetros de labirinto de fluxo
A capacidade térmica dos gases, e às vezes dos líquidos, é determinada na chamada. calorímetros de labirinto de fluxo - pela diferença de temperatura na entrada e saída de um fluxo estacionário de líquido ou gás, pela potência desse fluxo e pelo calor Joule liberado pelo aquecedor elétrico do calorímetro.
Calorímetro - medidor de potência
Um calorímetro operando como medidor de potência, ao contrário de um calorímetro integrador, deve ter troca de calor significativa para que as quantidades de calor nele introduzidas sejam rapidamente removidas e o estado do calorímetro seja determinado pelo valor instantâneo da potência do calor. processo. A potência térmica do processo é encontrada a partir da troca de calor entre o calorímetro e a casca. Esses calorímetros, desenvolvidos pelo físico francês E. Calvet, são um bloco de metal com canais nos quais são colocadas células cilíndricas. O processo em estudo é realizado na célula; o bloco de metal desempenha o papel de uma concha (sua temperatura é mantida constante com uma precisão de 10 −5 -10 −6 K). A diferença de temperatura entre a célula e o bloco é medida por uma termopilha com até 1000 junções. A transferência de calor da célula e a fem da termopilha são proporcionais à pequena diferença de temperatura que ocorre entre o bloco e a célula quando o calor é liberado ou absorvido nela. Na maioria das vezes, duas células são colocadas em um bloco, operando como um calorímetro diferencial: as termopilhas de cada célula têm o mesmo número de junções e, portanto, a diferença em seu EMF permite determinar diretamente a diferença na potência dos fluxos de calor que entram no células. Este método de medição permite excluir distorções do valor medido por flutuações aleatórias na temperatura do bloco. Normalmente são montadas duas termopilhas em cada célula: uma permite compensar a potência térmica do processo em estudo com base no efeito Peltier, e a outra (indicador) serve para medir a parte não compensada do fluxo de calor. Neste caso, o dispositivo funciona como um calorímetro de compensação diferencial. À temperatura ambiente, tais calorímetros medem a potência térmica dos processos com precisão de 1 μW.
Nomes de calorímetros
Os nomes usuais dos calorímetros - “para uma reação química”, “bomba”, “isotérmico”, “gelo”, “baixa temperatura” - são de origem histórica e indicam principalmente o método e área de utilização dos calorímetros, sem ser uma descrição completa ou comparativa deles.
Classificação geral de calorímetros
Uma classificação geral dos calorímetros pode ser construída com base na consideração de três variáveis principais que determinam a técnica de medição: temperatura do sistema calorimétrico Tc; temperatura da bainha Para, circundando o sistema calorimétrico; quantidade de calor eu, liberado no calorímetro por unidade de tempo (potência térmica).
Calorímetros com constantes Tc E Para chamado isotérmico; Com Tc = Para- adiabático; calorímetro operando a uma diferença de temperatura constante Tc - Para, denominado calorímetro com troca de calor constante; para um calorímetro de isoperibol (também chamado de calorímetro com casca isotérmica), a constante Para, A Tcé uma função da energia térmica eu.
Fatores que influenciam o resultado final da medição
Um fator importante que influencia o resultado final da medição é a operação confiável dos controladores automáticos de temperatura para cascas isotérmicas ou adiabáticas. Em um calorímetro adiabático, a temperatura da casca é controlada de forma que esteja sempre próxima da variação de temperatura do sistema calorimétrico. A carcaça adiabática – uma tela de metal leve equipada com um aquecedor – reduz tanto a transferência de calor que a temperatura do calorímetro muda apenas alguns dez milésimos de grau/min. Freqüentemente, isso permite reduzir a transferência de calor durante um experimento calorimétrico a um valor insignificante que pode ser desprezado. Se necessário, uma correção para transferência de calor é introduzida nos resultados das medições diretas, cujo método de cálculo é baseado na lei de transferência de calor de Newton - a proporcionalidade do fluxo de calor entre o calorímetro e a casca com a diferença em suas temperaturas, se esta diferença for pequena (até 3-4°C).
Para um calorímetro com casca isotérmica, os calores de uma reação química podem ser determinados com um erro de até 0,01%. Se as dimensões do calorímetro forem pequenas, sua temperatura mudar em mais de 2-3 °C e o processo em estudo for longo, então com um invólucro isotérmico a correção para transferência de calor pode ser de 15-20% do valor medido e significativamente limitar a precisão das medições. Nestes casos, é mais conveniente utilizar uma casca adiabática.
Usando um calorímetro adiabático, a capacidade calorífica de substâncias sólidas e líquidas é determinada na faixa de 0,1 a 1000 K. Em temperaturas ambiente e mais baixas, um calorímetro adiabático, protegido por uma camisa de vácuo, é imerso em um frasco Dewar cheio de hélio líquido , hidrogênio ou nitrogênio. Em temperaturas elevadas (acima de 100 °C), o calorímetro é colocado em um forno elétrico controlado termostaticamente.
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Calorímetro, m. calor – calor e grego. metron - medida] (físico). Um dispositivo para medir a quantidade de calor. Grande dicionário de palavras estrangeiras
Os cientistas começaram a medir a quantidade de calor muito antes de o conceito de energia aparecer na física. Em seguida, foi estabelecida uma unidade especial para medir a quantidade de calor - calorias (cal).
Uma caloria é a quantidade de calor necessária para aquecer \(1\) g de água em \(1\)°C.
\(1\) cal \(= 4,19\) J \(≈ 4,2\) J.
O termo “caloria” (do latim “calor” - calor) foi introduzido no uso científico pelo químico francês Nicolas Clément-Desormes (\(1779-1842\)).
Nicolas Clément-Desormes
Sua definição de caloria como unidade de calor foi publicada pela primeira vez em 1824 na revista Le Producteur e apareceu em dicionários franceses em 1842.
No entanto, muito antes deste termo aparecer, o primeiro calorímetros - instrumentos para medir calor.
O primeiro calorímetro foi inventado pelo químico inglês Joseph Black, e em \(1759-1763\) ele o utilizou para determinar as capacidades térmicas de várias substâncias, o calor latente de derretimento do gelo e a evaporação da água.
José Negro
Os famosos cientistas franceses Antoine Laurent Lavoisier (\(1743-1794\)) e Pierre Simon Laplace (\(1749-1827\)) aproveitaram a invenção de D. Black.
Antoine Laurent Lavoisier
Pierre Simon Laplace
Em \(1780\) iniciaram uma série de experimentos calorimétricos que permitiram medir a energia térmica.
Este conceito é encontrado já no século XVIII nas obras do físico sueco Johann Karl Wilcke (1732-1796), que estudou fenômenos elétricos, magnéticos e térmicos e pensou em equivalentes nos quais a energia térmica poderia ser medida.
Johann Karl Wilcke
O aparelho, que mais tarde passou a ser chamado de calorímetro, foi utilizado por Lavoisier e Laplace para medir a quantidade de calor liberada em diversos processos físicos, químicos e biológicos. Naquela época não existiam termômetros precisos, então para medir o calor era necessário recorrer a truques.
O primeiro calorímetro estava gelado. A câmara oca interna, onde era colocado um objeto que emitia calor (por exemplo, um rato), era cercada por uma jaqueta cheia de gelo ou neve. E a camada de gelo, por sua vez, era cercada de ar, para que o gelo não derretesse sob a influência do calor externo. O calor do objeto dentro do calorímetro aqueceu e derreteu o gelo. Ao pesar a água derretida que fluiu da jaqueta para um recipiente especial, os pesquisadores determinaram o calor gerado pelo objeto.
Quaisquer mudanças térmicas que qualquer sistema material experimente, mudando seu estado, ocorrem na ordem inversa, quando o sistema retorna novamente ao seu estado original.
Em outras palavras, para decompor a água em hidrogênio e oxigênio, é necessário gastar a mesma quantidade de energia liberada quando o hidrogênio reage com o oxigênio para formar água.
No mesmo ano (1780), Lavoisier colocou uma cobaia no calorímetro. O calor da respiração dela derreteu a neve em sua camisa. Seguiram-se outros experimentos que foram de grande importância para a fisiologia.
Foi então que Lavoisier expressou a ideia de que a respiração de um animal é semelhante ao acendimento de uma vela, por meio da qual o corpo mantém o suprimento de calor necessário. Ele também foi o primeiro a conectar as três funções mais importantes de um organismo vivo: respiração, nutrição e transpiração (evaporação da água). Aparentemente, desde então começaram a falar sobre o fato de que a comida queima em nosso corpo.
No século XIX, graças aos esforços do famoso químico francês Marcelin Berthelot (\(1827-1907\)), que publicou mais de 200 trabalhos sobre termoquímica, a precisão dos métodos calorimétricos aumentou muito e instrumentos mais avançados apareceu - um calorímetro de água e uma bomba calorimétrica selada.
Marcelino Berthelot
O último dispositivo é especialmente interessante para nós porque pode medir o calor liberado durante reações muito rápidas - combustão e explosão.
Uma amostra da substância de teste seca é colocada em um cadinho, colocado dentro da bomba e o recipiente é hermeticamente fechado. A substância é então inflamada com uma faísca elétrica. Ele queima, liberando calor para a água na camisa d'água circundante. Os termômetros permitem registrar com precisão as mudanças na temperatura da água.
Em um calorímetro semelhante, na década de trinta do século XIX, o famoso químico alemão Justus von Liebig (\(1803-1873)) realizou seus primeiros experimentos com alimentos, que compartilhava das ideias de Lavoisier de que o alimento é combustível para o corpo, como a lenha para o forno.
Justus von Liebig
