Калориметры и их применение

Процесс, теплоту которого определяют, проводят в специально сконструированном приборе - калориметре и наблюдают вызванное этим процессом изменение какого-либо свойства калориметра - чаще всего температуры (иногда объема или давления).

Для измерений теплоемкостей тепловых эффектов и различных процессов служат калориметры (или калориметрические системы). Калориметрическая система - это реактор, помещенный в оболочку. Различают два случая: оболочка предотвращает тепловой обмен между реактором и окружающей средой (изолированная система) или облегчает учет такого обмена (закрытая система).

Конструкции калориметров очень разнообразны и зависят от особенностей изучаемого процесса (его длительности, величины теплового эффекта, температуры и необходимой точности измерения). В простейших случаях калориметр представляет собой сосуд Дюара или тонкостенный металлический стакан, наполненный жидкостью (обычно водой) и снабженный мешалкой и термометром. Другие детали калориметра определяются особенностями процесса, для изучения которого он предназначен. Проводя в таком калориметре процесс, тепловой эффект которого надлежит измерить, наблюдают вызванное им изменение температуры калориметра. В калориметрических записях принято величине Q приписывать знак «+» в тех случаях, когда температура калориметра увеличивается. Это наблюдается тогда, когда в калориметре проводят какой-либо процесс, связанный с уменьшением внутренней энергии или энтальпии участвующих в нем тел (остывание нагретого тела, экзотермическая реакция и т.п.).

В противоположных случаях (уменьшение температуры калориметра) величине Q приписывают знак «-». Таким образом, когда результаты калориметрических измерений хотят выразить как изменение внутренней энергии (ΔU) или энтальпии (ΔН) процесса, проведенного в калориметре, величину Q (тепло, полученное калориметром в исследуемом процессе) следует брать с обратным знаком.

В калориметрии обычно определяется не абсолютная температура, а лишь разность температур (Δt).

Изменение энтальпии веществ, находящихся в реакторе, повышает или понижает его температуру. Изменение температуры DT регистрируют подходящим прибором. Умножив DT на среднюю теплоемкость калориметрической системы С_к, получают искомую величину DН. Наоборот, сообщив реактору определенное количество теплоты, можно определить теплоемкость реактора С_к. Получаемые величины DН или С_к тем точнее отвечают определенным температурам, чем меньше интервал DT и чем точнее он измерен.

Калориметры обычно подразделяют на калориметры с постоянной температурой и с переменной. В первых оболочка содержит плавящиеся твердые тела (так называемые "ледяные" калориметры) или испаряющуюся жидкость. Во время опыта температура в таком калориметре остается постоянной, потому что вся теплота, сообщаемая системе, идет на изменение агрегатного состояния вещества. О тепловом эффекте судят по количеству расплавившегося или испарившегося вещества.

В калориметре переменной температуры возможны два способа измерений:

адиабатический, когда температуру оболочки изменяют в ходе опыта так, чтобы она в любой момент совпадала с температурой реактора; в этом случае теплообмен отсутствует и, значит, реактор является изолированной системой; такие калориметры применяют для измерения малых тепловых эффектов или тепловых эффектов медленно текущих процессов;

диатермический, когда реактор обменивается теплотой с изотермической оболочкой (реактор - закрытая система); оболочка содержит значительное количество воды, обладающей относительно большой удельной теплоемкостью, и вследствие этого сохраняет почти постоянную температуру.

Диатермический метод отличается тем, что в нем

существенную роль играет теплообмен между капсулой и оболочкой. В ходе этого теплообмена температура капсулы меняется. Теплообмен может происходить путем теплоизлучения, конвекции и теплопроводности. Для диатермического метода капсула изготавливается таким образом, чтобы исключить теплообмен путем конвекции и теплопроводности.

Если сравнивать диатермический метод с другими калориметрическими методами, то необходимо отметить, что он является менее точным и более трудоемким в расчетах по определению теплоемкости вещества.

Именно такого рода калориметры обычно применяют для измерения теплоемкостей, теплоты растворения, разведения, нейтрализации, изменения агрегатных состояний, сгорания. В последнем случае реакции проводятся при постоянном объеме в калориметрической бомбе.

Поиск по сайту: