Калориметрия реферат по физике
Обновлено: 05.07.2024
Калориметрия – вычисление теплоты в химической реакции или при физических переменах.
Задача обучения
- Рассмотреть соотношение газовой постоянной для выхода идеального газа и объема.
Основные пункты
- Калориметр применяют для вычисления тепла, создаваемого в химических реакциях или физических переменах.
- Для начала необходимо выявить удельную теплоты рассматриваемых веществ.
- Калориметрию можно проводить при постоянных объеме или давлении.
Термины
- Калориметр – прибор для вычисления тепла, создаваемого или поглощаемого химической реакцией, трансформацией между состояниями или прочими физическими переменами.
- Калориметр с постоянным объемом – используется, если изменения не связаны с переменами в объеме.
- Калориметр стабильного давления – применяют, если изменения не связаны с переменами в давлении.
Калориметрия – наука о переменах теплоты при химических реакциях или физических изменениях. Для этого используют калориметр. Обычный прибор может представлять собою термометр, прикрепленный к металлической емкости с водой, закрепленной над камерой сгорания.
Сам термин происходит от латинского calor – тепло. Впервые отличие между теплом и температурой признал Джозеф Блэк. Его считают основателем калориметрии. Калориметрия нуждается в том, чтобы нагреваемый материал обладал термическими свойствами – удельная теплоемкость.
Клазилиус и Кельвин вывели классическое правило: оказываемое калориметрическим материалом давление вычисляется его температурным показателем и объемом. Это относится к переменам, не основывающимся на смене состояния (таяние льда).
Это первый в мире калориметр, который Антуан Лавуазье и Пьер Лаплас использовали в зимние месяцы в 1782-1783 гг. Они старались вычислить тепло, образовывающееся при различных химических изменениях. Расчеты основывались на обнаружении скрытой теплоты (Джозеф Блэк). Эксперименты легли в основу термохимии
Базовая калориметрия при стабильном объеме
Речь идет о калориметрии при неизменном объеме:
δQ = CVΔT = mcVΔT (δQ – прирост тепла, CV – теплоемкость при неизменном объеме, cv – удельная теплоемкость при неизменном объеме, ΔT – изменение температуры).
Изменение энтальпии
Чтобы определить изменение энтальпии в реакции между двумя веществами (А и В), их вносят в калориметр, а начальная и финальная температуры записываются:
Деление изменения энергии на количество присутствующих граммов А дает нам перемену энтальпии. Этот метод применяют в академическом обучении, так как он хорошо отображает теорию калориметрии. Он не берет в расчет потери тепла на емкость или теплоемкость самого термометра.
Калориметрия со стабильным давлением
Вычисляет перемены энтальпии в растворе, где атмосферное давление остается неизменным. Например, модель, созданная на основе кофейного стаканчика. Это два стаканчика и крышка с двумя отверстиями. Внутренняя чаша вмещает растворенное вещество (вода), поглощающая тепло от реакции. Наружная обеспечивает изоляцию:
(Cp – удельная теплоемкость при неизменном давлении, ΔH – энтальпия, ΔT – изменение температуры, W – масса растворенного вещества, M – молекулярная масса растворенного вещества).
Это пример калориметрии со стабильным давлением. Ее используют для определения изменений энтальпии, возникающих в растворе. Здесь равно теплоте (Q = ΔH).
Калориметрические методы исследования
Нижний Новгород 2007
Основной целью учебно-методического пособия явилось стремление помочь читателю найти оптимальный путь поэкспериментальному определению требуемой калориметрической величины, который был бы наименее трудоёмким и обеспечивал бы достаточную точность результатов, используя при этом уже хорошо апробированные и детально разработанные аппаратуру и способы измерений. Большое число работ по калориметрии связано с проблемами материалов электроники и оптоэлектроники. Калориметрические измерения твердых тел позволяют исследоватькинетику релаксации структурных дефектов, характеризующих такие важные свойства, как прочность, радиационная стойкость, подвижность носителей заряда, электро- и теплопроводность. Накоплен определенный опыт использования калориметрии для изучения физических процессов на поверхности твердых тел. Калориметрические методы позволили провести физические исследования термодинамики фотоэлектрических явлений вполупроводниках и безизлучательной релаксации триплетных уровней органических молекул после импульсного фотовозбуждения, что способствовало созданию эффективного метода исследования фотолюминесценции.
© К.В. Кирьянов. 2007
СОДЕРЖАНИЕ
Введение Глава 1. Обшие сведения о калориметрии 1.1. Классификация и устройство калориметров 1.2. Градуировка калориметра 1.3. Проведение и расчет опыта в калориметре спеременной температурой 1.4. Единицы измерения теплоты Глава 2. Калориметрия сгорания 2.1. Калориметр сожжения Диккинсона 2.2. Подготовка и проведение опыта 2.3. Условия проведения опытов и вычисление результатов Глава 3. Особенности калориметрии неорганических веществ 3.1. Общие положения 3.2. Измерения теплот реакций между твердым (жидким) и газообразным веществами 3.2.1. Калориметрия реакций окислениянеметаллов 3.2.2. Калориметрия реакций окисления металлов 3.2.3. Калориметрия реакций окисления неорганических соединений 3.2.4. Калориметрия реакций хлорирования веществ 3.2.5. Калориметрия реакций фторирования веществ 3.2.6. Калориметрия реакций взаимодействия веществ с водородом, азотом и другими газами 3.3. Измерение теплот реакций между твердыми веществами и разложения твердых веществ 3.4.Калориметрия реакций, протекающих в жидкой среде 3.5. Аппаратура и методика измерений Глава 4. Дифференциальная сканирующая калориметрия Глава 5. Микрокалориметрия 5.1. Общие сведения и теория метода 5.2. Конструкция микрокалориметра и его особенности Глава 6. Области применения микрокалориметрии 6.1. Микрокалориметрия в физических исследованиях 6.2. Микрокалориметрия в химических исследованиях 6.3.Микрокалориметрии в медицине и биологии Литература 4 5 5 10 17 21 24 24 27 28 33 33 36 38 39 40 43 44 46 47 48 50 52 56 56 60 66 66 69 70 76
ВВЕДЕНИЕ
Почти все процессы, наблюдаемые в природе, связаны с превращением энергии – выделением или поглощением тепла. Знания в этой области позволяют лучше понять строение молекул, тепловые эффекты.
КАЛОРИМЕТРИЯ
измерение теплоты; более точно - измерение тепловых эффектов (количеств теплоты), сопровождающих физические, химические или биологические процессы. Калориметрия используется для определения удельной теплоемкости (количества тепла, необходимого для повышения температуры единицы массы или объема вещества на один градус), теплоты плавления или испарения (количества тепла, необходимого для плавления или испарения единицы массы или объема вещества) и теплоты реакций (количества тепла, выделяемого или поглощаемого в химических реакциях). Прибор, используемый для таких измерений, называется калориметром.
Применение. Калориметрия имеет множество практических и теоретических приложений. Например, измерения теплоты сгорания (количества тепла, выделяемого при сгорании единицы массы или объема вещества) весьма важны при выборе топлива. При проектировании реактивных и ракетных двигателей теплота сгорания топлива является наиболее важным параметром для определения получаемой тяги. Многие технологические процессы происходят при очень высоких или очень низких температурах. Количество тепла, которое надо затратить на подогрев или охлаждение используемых в этих процессах материалов, определяет экономическую целесообразность их применения; выбор материалов при конструировании оборудования производится с учетом их теплоемкости. В теоретических приложениях калориметрические измерения теплоты реакций и теплоемкости веществ могут быть использованы для определения химической стабильности или реакционной способности материалов и даже для определения их молекулярного строения.
См. также
ТЕПЛОТА;
ТЕРМОДИНАМИКА.
Типы калориметров. Существует много различных типов калориметров. При измерении теплоемкости проточным калориметром к трубке, по которой течет исследуемая среда, подводится известный поток тепла, и измеряется температура среды на входе и выходе; если надо измерить теплоту реакции, количество выделившегося (поглощенного) тепла также определяют по повышению (понижению) температуры реагирующего потока. В жидкостном калориметре исследуемые вещества могут реагировать в растворенном состоянии внутри изолированного сосуда; в этом случае выделяемое (поглощаемое) тепло определяется по измерению температуры сосуда и его содержимого (теплоемкость материалов конструкции обычно определяют тем же самым калориметром, используя в качестве источника тепла электрический нагреватель). При определении теплоты реакции в бомбовом калориметре жидкое или твердое вещество сжигается или взрывается в атмосфере кислорода внутри теплоизолированного сосуда с достаточно толстыми стенками, способного выдержать повышение давления, которым сопровождается процесс взрыва исследуемого вещества. Калориметры могут быть, с одной стороны, довольно миниатюрными, чтобы измерить теплофизические свойства нескольких миллиграммов вещества, и, с другой, достаточно большими, чтобы измерить метаболическое тепло, выделяемое, например, коровой. Калориметры применяются для измерения теплофизических свойств материалов в широком диапазоне температур - от температур, лишь на доли градуса отличающихся от абсолютного нуля (-273,16° С), до температур, превышающих 1000° С.
Высокоточный низкотемпературный адиабатический калориметр. Адиабатический калориметр для измерений теплоемкости при низких температурах представляет хороший пример устройства для точной калориметрии. Поперечное сечение такого калориметра схематически показано на рисунке. В центре его расположен калориметрический сосуд; затем - адиабатический экран и вакуумный контейнер; далее - сосуд Дьюара (криостат). Вакуумный контейнер крепится к центральной трубке; адиабатический экран подвешивается внутри контейнера на прочных нитях или рыболовной леске. Пространство внутри контейнера вакуумируется для лучшей тепловой изоляции. Этот тип калориметра называется адиабатическим (теплоизолированным), потому что специальные (охранные) нагреватели, расположенные на экране, поддерживают его температуру равной температуре калориметра с точностью 0,01° С (или меньше). Поскольку передача тепла всегда происходит только при наличии разности температур, таким способом в адиабатических калориметрах практически исключаются утечки тепла.
ВЫСОКОТОЧНЫЙ АДИАБАТИЧЕСКИЙ КАЛОРИМЕТР. 1 - трубка для заполнения калориметра; 2 - трубка для откачки калориметра; 3 - криостат (сосуд Дьюара); 4 - нити подвески; 5 - вакуумный контейнер; 6 - адиабатический экран; 7 - калориметрический сосуд; 8 - термометр с нагревателем.
Калориметрический сосуд представляет собой цилиндрическую емкость; для предотвращения коррозии он обычно изготавливается из золота или платины. В своей донной части сосуд имеет углубление, в которое плотно вставляется термометр сопротивления (в металлическом корпусе) с окружающим его электрическим нагревателем. В верхней части сосуда располагается тонкая трубка, через которую калориметр заполняют исследуемым веществом. Кроме того, калориметр обычно снабжен большим числом металлических полосок ("крылышек") для лучшего внутреннего теплообмена. Адиабатический экран представляет собой тонкостенный металлический цилиндр с коническими днищами. Кроме электрических нагревателей, на нем размещаются термопары, позволяющие сравнивать температуру его поверхности с температурой калориметрического сосуда. Адиабатический экран изнутри и калориметрический сосуд снаружи имеют хорошо отражающее покрытие, например алюминиевую фольгу, для уменьшения теплообмена излучением между ними. Центральная трубка вакуумного контейнера связана с насосом для поддержания высокого вакуума и вывода проводов нагревателей и термометров. Сосуд Дьюара содержит криогенные вещества, которые используются для захолаживания всего устройства и защиты его от внешних тепловых воздействий во время измерений. Внешние контрольно-измерительные приборы используются для измерения и регулирования температуры различных частей защитного кожуха. Сопротивление термометра, напряжение и ток нагревателя измеряются с помощью электрических приборов очень высокой чувствительности. Например, сопротивление термометра измеряется с точностью до 10-6, а другие величины - с точностью до 10-5. Такой калориметр позволяет измерять теплоемкость с точностью до 10-4 (0,01%). Внешние измерения могут быть автоматизированы, однако при этом часто происходит потеря точности. Для измерения теплоемкости исследуемое вещество помещают в калориметрический сосуд, измеряют его температуру, затем с помощью электрического нагревателя к нему подводят известное количество тепла и тщательно измеряют повышение температуры. Чтобы по этим данным определить теплоемкость исследуемого материала, нужно знать теплоемкость самого калориметра. Она может быть определена путем измерения повышения температуры калориметра при подводе известного количества тепла без испытуемого образца.
ЛИТЕРАТУРА
Низкотемпературная калориметрия. М., 1971 Резницкий Л.А. Калориметрия твердого тела. М., 1981 Гаджиев С.Н. Бомбовая калориметрия. М., 1988
Энциклопедия Кольера. — Открытое общество . 2000 .
Полезное
Смотреть что такое "КАЛОРИМЕТРИЯ" в других словарях:
калориметрия — калориметрия … Орфографический словарь-справочник
КАЛОРИМЕТРИЯ — (от лат. calor теплота и греч. metron мера). Измерение степени теплоты. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. КАЛОРИМЕТРИЯ от лат. calor, теплота, и греч. metron, мера. Измерение степени теплоты.… … Словарь иностранных слов русского языка
КАЛОРИМЕТРИЯ — совокупность методов измерения тепловых эффектов (кол в теплоты), сопровождающих различные физ., хим. и биол. процессы. К. включает измерения теплоёмкостей тел, теплот фазовых переходов (плавления, кипения и др.), тепловых эффектов намагничивания … Физическая энциклопедия
калориметрия — калориметрирование Словарь русских синонимов. калориметрия сущ., кол во синонимов: 2 • биокалориметрия (1) • … Словарь синонимов
калориметрия — и, ж. calorimétrie f. <лат. calor тепло + гр. metreo меряю. Отдел физики, занимающийся измерением количества теплоты. БАС 1. Приношу Вам благодарность за сборник ваших изумительных исследований по калориметрии. не ранее 26. 4. 1895. И. Н.… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
КАЛОРИМЕТРИЯ — совокупность методов измерения тепловых эффектов, сопровождающих различные физические, химические и биологические процессы. Методами калориметрии определяют теплоемкости, теплоты фазовых переходов, тепловые эффекты химических реакций и т. п … Большой Энциклопедический словарь
КАЛОРИМЕТРИЯ — КАЛОРИМЕТРИЯ, калориметрии, мн. нет. жен. (от лат. calor теплота и греч. metreo мерю) (физ.). Отдел физики, занимающийся измерением количества теплоты. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
калориметрия — методы измерения количества теплоты, выделяемой организмом (культурой микроорганизмов) в процессе жизнедеятельности за определенный промежуток времени. К. позволяет определять общий уровень энергетических затрат организма. (Источник:… … Словарь микробиологии
КАЛОРИМЕТРИЯ — (от лат. calor тепло и греч. metron мера), количественное определение тепла, выделившегося или поглощенного при различного рода физ. или хим. процессах. Со времени развития термохимии для выяснения хода и направления различных реакций стали… … Большая медицинская энциклопедия
калориметрия — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN calorimetry … Справочник технического переводчика
КАЛОРИМЕТРИЯ — совокупность методов измерения тепловых эффектов, сопровождающих различные физ., хим. и биологические процессы; измерения производят с помощью (см.) … Большая политехническая энциклопедия
калориметр представляет собой устройство, которое используется для измерения изменения температуры определенного количества вещества (обычно воды) с известной удельной теплоемкостью. Это изменение температуры связано с поглощением или выделением тепла в исследуемом процессе; химический, если это реакция, или физический, если он состоит из изменения фазы или состояния.
В лаборатории самый простой калориметр, который можно найти, это калориметр. Он используется для измерения тепла, поглощенного или выделенного в реакции при постоянном давлении, в водном растворе. Реакции выбираются так, чтобы избежать вмешательства реагентов или газообразных продуктов..
В экзотермической реакции количество выделяемого тепла может быть рассчитано по увеличению температуры калориметра и водного раствора:
Количество тепла, которое выделяется в реакции = количество тепла, поглощенного калориметром + количество тепла, поглощенного раствором
Количество тепла, поглощаемое калориметром, называется калориметрической емкостью калориметра. Это определяется подачей известного количества тепла в калориметр с заданной массой воды. Затем измеряют повышение температуры калориметра и содержащегося в нем раствора..
С этими данными и использованием удельной теплоемкости воды (4,18 Дж / г ºC) можно рассчитать калорийность калориметра. Эта емкость также называется постоянной калориметра.
С другой стороны, тепло, получаемое водным раствором, равно m · ce · Δt. В формуле m = масса воды, ce = удельная теплоемкость воды и Δt = изменение температуры. Зная все это, можно рассчитать количество тепла, выделяемое экзотермической реакцией..
- 1 История калориметра
- 2 части
- 3 Типы и их характеристики
- 3.1 Кофейная чашка
- 3.2 Калориметрический насос
- 3.3 Адиабатический калориметр
- 3.4 Изопериболический калориметр
- 3.5 Проточный калориметр
- 3.6 Калориметр для дифференциальной сканирующей калориметрии
- 4.1 В физикохимии
- 4.2 В биологических системах
- 4.3 Калориметр кислородного насоса и калорийность
История калориметра
В 1780 году французский ученый А. Л. Лавуазье, считающийся одним из отцов химии, использовал морскую свинку, чтобы измерить выработку тепла при дыхании..
Как? Использование устройства, похожего на калориметр. О тепле, производимом морской свинкой, свидетельствует таяние снега, окружавшего аппарат.
Исследователи А. Л. Лавуазье (1743-1794) и П. С. Лаплас (1749-1827) разработали калориметр, который использовался для измерения удельной теплоты тела методом таяния льда.
Калориметр состоял из луженого цилиндрического стакана, покрытого лаком, удерживаемого штативом и внутренне ограниченного воронкой. Внутри было помещено еще одно стекло, похожее на предыдущее, с трубкой, проходящей через внешнюю камеру и снабженной ключом. Внутри второго стекла была сетка.
В эту сетку помещалось существо или объект, удельное тепло которого было желательно определить. Лед был помещен внутри концентрических сосудов, как в корзине.
Тепло, выделяемое телом, поглощалось льдом, вызывая его слияние. И жидкий водный продукт таяния льда собирали, открывая ключ внутреннего стекла.
И, наконец, при взвешивании воды масса расплавленного льда была известна.
части
Наиболее часто используемый калориметр в учебных лабораториях по химии - это так называемый калориметр для кофейных чашек. Этот калориметр состоит из стакана, или вместо этого, контейнера из аниме материала, который имеет определенные изолирующие свойства. Внутри этого контейнера находится водный раствор с телом, которое будет производить или поглощать тепло.
В верхней части контейнера размещена крышка из изоляционного материала с двумя отверстиями. В одном термометр вводится для измерения изменений температуры, а в другом - мешалка, предпочтительно из стеклянного материала, которая выполняет функцию перемещения содержимого водного раствора..
Изображение показывает части калориметрического насоса; Тем не менее, можно заметить, что он имеет термометр и мешалку, общие элементы в нескольких калориметрах.
Типы и их характеристики
Кофейная чашка
Это тот, который используется для определения тепла, выделяемого экзотермической реакцией, и тепла, поглощаемого в эндотермической реакции..
Кроме того, его можно использовать при определении удельной теплоты тела; то есть количество тепла, которое должен поглотить грамм вещества, чтобы повысить его температуру на один градус Цельсия. .
Калориметрический насос
Это устройство, в котором измеряется количество тепла, которое выделяется или поглощается в реакции, которая происходит при постоянном объеме..
Реакция протекает в прочном стальном сосуде (насосе), который погружается в большой объем воды. Это делает изменения температуры воды небольшими. Следовательно, предполагается, что изменения, связанные с реакцией, измеряются при постоянной температуре и объеме..
Вышесказанное указывает на то, что при проведении реакции в калориметрическом насосе работа не выполняется..
Реакция начинается с подачи электричества через кабели, подключенные к насосу.
Адиабатический калориметр
Он характеризуется наличием изолирующей структуры, называемой экраном. Экран расположен вокруг ячейки, где происходят изменения температуры и тепла. Он также подключен к электронной системе, которая поддерживает свою температуру очень близко к температуре элемента, чтобы избежать передачи тепла.
В адиабатическом калориметре разница температур между калориметром и его окружением сводится к минимуму; а также минимизировать коэффициент теплопередачи и время теплообмена.
Его части состоят из следующего:
-Ячейка (или контейнер), интегрированная в систему изоляции, с помощью которой пытаются избежать потери тепла.
-Термометр, для измерения изменений температуры.
-Нагреватель, подключенный к контролируемому источнику электрического напряжения.
-И щит, уже упоминавшийся.
В калориметре этого типа могут быть определены такие свойства, как энтропия, температура Дебая и плотность электронного состояния..
Изопериболический калориметр
Это устройство, в котором реакционная ячейка и насос погружены в конструкцию, называемую рубашкой. В этом случае так называемая рубашка состоит из воды, поддерживаемой при постоянной температуре.
Температура ячейки и насоса повышается при выделении тепла во время процесса сгорания; но температура водяной рубашки поддерживается на фиксированной температуре.
Микропроцессор контролирует температуру ячейки и кожуха, внося необходимые поправки в тепло утечки, возникающее в результате различий между двумя температурами..
Эти поправки применяются непрерывно и с окончательной поправкой, основанной на измерениях до и после испытания..
Проточный калориметр
Разработанный Caliendar, он имеет устройство для перемещения газа в контейнере с постоянной скоростью. При добавлении тепла измеряется увеличение температуры в жидкости..
Проточный калориметр характеризуется:
- Точное измерение постоянного расхода.
- Точное измерение количества тепла, вводимого в жидкость через нагреватель.
- Точное измерение повышения температуры в газе, вызванное подводом энергии
- Конструкция для измерения емкости газа под давлением.
Калориметр для дифференциальной сканирующей калориметрии
Он характеризуется наличием двух контейнеров: в одном помещается исследуемый образец, в то время как другой остается пустым или используется контрольный материал.
Два сосуда нагреваются с постоянной скоростью энергии с помощью двух независимых нагревателей. Когда начинается нагрев двух емкостей, компьютер будет отображать разницу тепловых потоков нагревателей в зависимости от температуры, что позволяет определить поток тепла..
Кроме того, можно определить изменение температуры как функции времени; и, наконец, калорийность.
приложений
По физикохимии
-Основные калориметры, типа кофейной чашки, позволяют измерять количество тепла, которое организм выделяет или поглощает. Они могут определить, является ли реакция экзотермической или эндотермической. Кроме того, удельная теплоемкость тела может быть определена.
-С помощью адиабатического калориметра удалось определить энтропию химического процесса и электронную плотность состояния.
В биологических системах
-Микрокалориметры используются для изучения биологических систем, которые включают взаимодействия между молекулами, а также происходящие конформационные изменения молекул; например, при развертывании молекулы. Линия включает в себя как дифференциальное сканирование, так и изотермическое титрование.
-Микрокалориметр используется при разработке лекарственных препаратов малых молекул, биотерапевтических средств и вакцин..
Кислородный насос калориметр и калорийность
Сжигание многочисленных веществ происходит в калориметре кислородного насоса, и его калорийность может быть определена. В число веществ, изученных с помощью этого калориметра, входят: уголь и кокс; пищевые масла, как тяжелые, так и легкие; бензин и все моторные топлива.
А также виды топлива для авиационных реакторов; топливные отходы и размещение отходов; пищевые продукты и добавки для питания человека; кормовые культуры и добавки для кормления животных; строительные материалы; ракетное и ракетное топливо.
Аналогично, калорийность была определена с помощью калориметрии в термодинамических исследованиях горючих материалов; в изучении энергетического баланса в экологии; во взрывчатых веществах и термопорошках и в обучении основным термодинамическим методам.
Читайте также: