В этой статье мы ответим на вопрос: «Что такое калориметр?». Определим общую характеристику данного механизма, его принцип работы и области применения, функциональные возможности и измерительные величины. А также уделим внимание классификации и описанию некоторых конкретных видов.
Введение
Отвечая на вопрос о том, что такое калориметр, в общих чертах его можно охарактеризовать как прибор, посредством которого производится измерение количества тепла, что выделяется или поглощается в ходе протекания физических, химических или биологических процессов.
Ввести новую терминологическую единицу «калориметр» предложили в 1780 году П. Лаплас и А. Лавуазье. Подобное устройство также используется в ядерном разделе физики, изучающем элементарные частицы, а называется оно ионизационным калориметром. Однако функция этого прибора заключается в измерении энергетического потенциала частиц.
Современный механизм
Определение теплоемкости калориметром современного производства позволяет зафиксировать исследуемую величину с точностью от десяти и до одной сотой процента. Диапазон, в котором этот прибор может работать, колеблется от 0,1 до 3500 Кельвинов. Тип устройства калориметров очень разнообразен. Он может определяться характером процесса, который изучают, а также его длительностью. Еще одним важным параметром определения типа механизма является область температур, в которых происходят измерения, а также количество измеряемой величины теплоты.
Определение энергетического эквивалента калориметром может показать субъекту количество тела, что выделяется в ходе сгорания топливного ресурса. Сделать это можно благодаря выражению Q = C∆T, в котором С – показатель теплового (энергетического) эквивалента. Задать параметры определения путем калибровки прибора. Другая величина ∆T – функция известного выходящего сигнала калориметра.
Распределение по типам
Нельзя ответить на вопрос о том, что такое калориметр, не ознакомившись с его типами.
Одним из наиболее распространенных представителей таких аппаратов является калориметр-интегратор. Он предназначается для определения общей суммы количества тепла Q, которое выделяется в начале реакции и ее конце.
Еще одним широко известным калориметром является прибор для измерения мощности тепла, то есть скорости, с которой выделяется тепло – L. А также они могут делиться по конструкции механизма и измерительной методологии, подходу. Еще выделяют калориметры жидкостного и массивного типа. Также встречаются одинарные и дифференциальные устройства.
Измерение теплоты
Что такое калориметр в физике? Определение гласит, что это прибор для измерения количества выделяемой теплоты. При этом теплоту, выделяемую в процессе химической реакции, можно узнать только благодаря жидкостному калориметру-интегратору.
Конструкция представлена в виде сосуда, наполненного жидкостью (как правило, водой). В нем располагают камеру для проведения эксперимента («калориметрическую бомбу»), мешалку, термометр и прибор для нагревания.
Измерения калориметрических систем
Внесение корректив в естественный ход выделения тепла системы можно обнаружить при изменении какого-либо из ее состояний. Они же, в свою очередь, определяются с помощью анализа величины теплоты, которая вводится в устройство. Определение постоянной калориметра происходит до начала проведения измерительных работ и сравнивается с заданной и откорректированной величиной. Приборы подвергаются градуировке, благодаря которой определяется коэффициент. Его необходимо перемножить с измеренным термометром изменением температуры прибора.
Наличие побочных эффектов
По факту калориметрические данные показывают непосредственно только суммарное число теплот, что исследуются в процессе. Еще можно узнать на наличии побочного процесса (или процессов), который мог вызвать явление перемешивания, испарения жидкости, а также разбивания ампулы с веществами и т. п. Определение константы калориметра позволяет человеку получить доступ к сравнению показателей изменений на фоне чего-либо. Именно с его помощью происходит анализ информации.
Теплота побочного ряда процессов определяться должна при помощи опыта или расчета, исключающегося из результатов исследований. Примером побочного явления может послужить неизбежный теплообмен между калориметром и окружающим пространством и материей.
Изотермические наблюдения
Существует калориметр-интегратор изотермического типа, позволяющий вводить изменения в агрегатные состояния тел, которые образуют основную часть системы. Примером может послужить таяние массы льда в ледяной камере калориметра Бунзена. Узнать изменение теплоты, которое влияет на агрегатное состояние, но не вызывает перемены температуры, можно, если рассчитать массу вещества и количество теплоты, которое для этого потребовалось бы затратить.
Для определения удельной теплоемкости калориметра необходимо знать, что она является численно равной количеству теплоты, которое затрачивается для нагревания единицы массы материи. Ее единицей является Дж/кг▪К.
Важно помнить, что показатель удельной теплоемкости – это неоднозначная характеристика. Существует зависимость между условиями осуществления теплопередачи и значением работы, которая сопровождает данный процесс.
Массивный тип
Для определения значения энтальпии вещества в условиях температуры до 2500 градусов по Цельсию используют массивные интеграторы. Масса калориметра такого типа может варьироваться в зависимости от величины веса измеряемого вещества, так как конструкция состоит из металлов. Фактически это блок с некоторым количеством выемок для сосудов. В них протекают реакции, предназначенные для нагревательного прибора и/или термометра. Произведение значения тепла, измеренного калориметром, и разности температурных подъемов в блоке показывает нам энтальпию веществ(а).
Поток
Можно определить показатель теплоемкости какого-либо газа или жидкости с помощью проточного лабиринтного калориметра. Он фиксирует разность температуры, которая входит и выходит из стационарных потоков исследуемого вещества. Также он определяет мощность такого потока и силу теплоты, которая выделяется электрообогревателем, в джоулях.
Средство для измерения мощности
Отвечая на вопрос о том, что такое калориметр, важно будет упомянуть о предназначении этого прибора для определения мощности. Такой аппарат, в отличие от интегратора, должен быть наделен значительной способностью к теплообмену. Это необходимо для того, чтобы он смог удалять то количество теплоты, которое в него вводят. Из этого следует, что состояние калориметра находится в мгновенном измерении.
Тепловую величину мощи процесса находят посредством использования калориметров с оболочкой. Изобретение было сделано ученым-физиком из Франции, Э. Кальве. Изначально механизм был представлен в виде металлического блока, оснащенного каналами. На них разложили специальные цилиндрические ячейки, предназначенные для проведения исследуемого процесса. Металл, который используют в конструкции камеры, является оболочкой. Ее температуру следует держать на постоянной отметке с точностью до пяти-шести Кельвинов.
Измерение разности между температурой ячейки и блока происходит при помощи термобатареи, имеющей до тысячи спаек. Показатели ее ЭДС и теплообмена ячейки являются величинами, пропорциональными малому различию в температуре, возникшей между такими компонентами, как блок и ячейка. При этом в самой ячейке должна выделяться или поглощаться теплота. Очень часто в подобных блоках располагают пару ячеек, которые будут работать дифференциально.
Название и классификация
Обычными названиями для калориметров являются:
- для химических реакций;
- бомбовый;
- изотермического типа;
- низкотемпературного типа;
- ледяного типа.
Все они имеют данные об историческом происхождении. Своим названием они, как правило, обязаны, области, в которой их будут использовать. Однако эти наименования не относятся к сравнительной или полной характеристике.
Общий вид классификации калориметров строится, используя в качестве основы, рассмотрение одной из трех главных величин, по отдельности или вместе. Именно подход к анализу показателей определяет методику измерений температуры, которой обладает:
- калориметрическая система Тс;
- оболочка То;
- количество выделившейся теплоты L в течение единицы времени (тепловая мощность).
Калориметры, с постоянным значением Тс и То, относятся к изотермическому типу, а приборы, в которых Тс=То, называют адиабатическими. Если устройство работает в условиях с постоянной разностью между температурами, то его называют калориметром с постоянным течением теплообмена. Изопериболический механизм обладает постоянной То, а Тс – это тепловая функция мощности L.
Окончательные результаты
Существует ряд факторов, способных повлиять на конечный результат измерений. Одним из них является наличие внесения изменений, влияющее на их окончательный результат. Оно обусловлено надежностью работы автоматического набора регуляторов температуры изотермической или адиабатической оболочки. В последней из них температурная величина определяется ее близостью к изменяющимся условиям всей калориметрической системы. Такая конструкция обладает легкостью металлической ширмы и снабжена прибором для нагревания, который уменьшает протекание и значение теплообмена до определенного уровня, при котором температура калориметра будет изменяться лишь на десятичные части градуса в минуту. Это может позволить снизить теплообмен, протекающий в течение калориметрического эксперимента, до предельно низких значений, которыми можно пренебречь.
Рассматриваемые в статье приборы играют огромную роль в жизни человека и являются одним из очень значимых достижений науки. Главная функция калориметра заключена в исследовании данных изменения температуры и определении наличия дефектов в процессе теплообмена. Существует различные способы классификации данных приборов, связанные с конкретными параметрами, резко различающимися между собой. Материалом для изготовления могут служить самые разнообразные металлы, например, есть медные калориметры, свинцовые, стальные и другие. Кроме чистых веществ, также могут использоваться и сплавы.
