Калориметр – это специальный измерительный прибор для определения теплоёмкости изучаемого тела или материала либо количества теплоты, которая поглощается при протекании эндотермических реакциях или выделяется в ходе экзотермических реакций. Это могут быть различные биологические, физические, химические процессы с участием разных сред.
Калориметр: что измеряет устройство?
Итак, для чего нужен калориметр? В зависимости от типа, он может определять такие показатели:
- Удельная теплоёмкость жидкостей, твёрдых тел и газов. Она характеризует количество тепла, которое должно быть передано 1 килограмму вещества для изменения его начальной температуры на 1°C. Иными словами, это способность материала отдавать тепловую энергию, а также поглощать её.
- Тепловой эффект. Это количественная оценка выделяемой в ходе реакции теплоты или, наоборот, поглощаемой.
- Показатели потока электричества. Их изменения также можно отслеживать с помощью калориметрии.
- Количество тепла в течение определённого процесса, к примеру, испарения, плавления.
- Изменения агрегатного состояния анализируемых веществ, например, теплоты перехода из одной фазы в другую при таянии льда.
- Тепловая мощность, демонстрирующая скорость тепловыделения на разных этапах процесса.
Строение калориметра
Примитивное устройство калориметра – это ёмкость, которая состоит из двух сосудов. Один от другого отделён воздушной камерой, то есть заполненным воздухом промежутком. Дно внутреннего резервуара отделяется от наружного подставкой из пластика, что сокращает теплообмен содержимого внутренней зоны с внешней средой.
В жидкостном калориметре предусмотрен наполненный водой или другой жидкостью сосуд, в котором располагаются так называемая «калориметрическая бомба» (камера для изучаемого процесса), а также термометр, нагревательный элемент и мешалка. Тепло, вырабатываемое в камере, распространяется по этому резервуару, потом по жидкой среде и всем частям прибора, образующих калориметрическую систему.
Какими бывают калориметры
Рассмотрим основные типы калориметров:
- Проточные. В них анализируется протекающая по системе жидкая либо газообразная среда. Контролируются температуры на её входе в прибор, а затем на выходе. Далее проводятся расчёты, к примеру, мощности теплового потока.
- Жидкостные. Они помогают выяснять разницу температур закрытого резервуара с изучаемым материалом.
- Адиабатические. Они отличаются наличием изолированной вакуумом оболочки, могут работать с низкими температурами и фиксируют общий объём выделенного тепла.
- Бомбовые. В них твёрдые или жидкие образцы, помещаемые в тигли, контролируемо взрываются либо сжигаются внутри «бомбы» – усиленного резервуара. После такого спровоцированного взрыва оценивается объём образовавшегося тепла.
- Изотермические. Они определяют не температуры, а изменения, затрагивающие агрегатное состояние. Пример – постепенно таящий лёд. В этом случае система позволяет выяснить, как меняется объём водной и ледяной частей, а также какова теплота, свойственная фазовому переходу.
- Дифференциальные сканирующие. С их помощью оценивают свойства материалов на различных производствах – пищевых, фармацевтических, химических.
Калориметр: как работает этот прибор?
Принцип работы калориметра зависит от его вида. Так, если прибор предназначен для выяснения теплоты, то есть теплового эффекта реакции, то в устройство по очереди помещаются реагирующие вещества. Далее фиксируются их температуры: исходные и конечные. Изменения температурных значений умножаются на удельную теплоёмкость и массы всех веществ. В итоге получается количество поглощённой либо выделенной тепловой энергии.
Прибор для измерения теплоёмкости функционирует иначе. Его сосуд заполняется водой, имеющей известную температуру и заданный объём. Далее исследуемое тело нагревается до определённого температурного значения, например, в водяной бане и сразу погружается в заполненный резервуар устройства. После закрывания калориметра крышкой и перемешивания содержимого выжидают стабилизации температуры воды. Когда показатели водной среды и анализируемого тела станут идентичными, результаты фиксируются. По ним, используя закон сохранения энергии, можно вычислить удельную теплоёмкость, ведь энергия охлаждающегося тела совпадает с энергией нагревающейся воды.
Сфера применения
Калориметр – это прибор, применяемый в различных областях, таких как:
- металлургия – определение режимов плавления металлов;
- нефтедобывающая отрасль и нефтехимия – тестирования нефтепродуктов;
- стекольные производства;
- микробиология – выяснение жизнеспособности микроорганизмов, кинетики и термодинамики биохимических процессов;
- изготовление полимеров;
- пищевая, химическая промышленность;
- агрономия, сельское хозяйство – анализ метаболизма биологических структур, оптимизация расходования энергии, выяснение теплоты сгорания растительности.
Заключение
Калориметр – это прибор для измерения важных показателей реакций или веществ. Достоверность результатов исследований зависит от его характеристик, а также от качества другого лабораторного оборудования, используемого для тестирований. Его можно приобрести в интернет-магазине «Пять Капель».
