KALORIMETRI: HISTORIA, OSAT, TYYPIT JA NIIDEN OMINAISUUDET - KEMIA - 2026

Kalorimetri on laite, jota käytetään mittaamaan lämpötilan muutos tietyn määrän ainetta (yleensä vesi) tunnetun ominaislämpö. Tämä lämpötilan muutos johtuu tutkittavassa prosessissa absorboituneesta tai vapautuneesta lämmöstä; kemiallinen, jos se on reaktio, tai fysikaalinen, jos se koostuu faasin tai tilan muutoksesta.

Laboratoriossa yksinkertaisin löydettävä kalorimetri on kahvilasi. Sitä käytetään mittaamaan reaktiossa absorboitunutta tai vapautunutta lämpöä vakiopaineessa vesiliuoksessa. Reaktiot valitaan reagenssien tai kaasumaisten tuotteiden väliintulon välttämiseksi.

Lähde: Ichwarsnur, Wikimedia Commonsista. Eksotermisessä reaktiossa vapautuneen lämmön määrä voidaan laskea kalorimetrin ja vesiliuoksen lämpötilan nousun perusteella:

Reaktiossa vapautuvan lämmön määrä = kalorimetrin absorboiman lämmön määrä + liuoksen absorboiman lämmön määrä

Lämpömäärää, jonka kalorimetri imee, kutsutaan kalorimetrin lämpökapasiteetiksi. Tämä määritetään syöttämällä tunnettu määrä lämpöä kalorimetriin annetulla vesimassalla. Sitten mitataan kalorimetrin ja sen sisältämän liuoksen lämpötilan nousu.

Näiden tietojen ja veden ominaislämmön (4,18 J / g.ºC) käytön avulla kalorimetrin lämpötila voidaan laskea. Tätä kapasiteettia kutsutaan myös kalorimetrin vakiona.

Vesiliuoksen aikaansaama lämpö on toisaalta yhtä suuri kuin m · ce · Δt. Kaavassa m = veden massa, ce = veden ominaislämpö ja Δt = lämpötilan vaihtelut. Tämän kaiken tietäen voidaan sitten laskea eksotermisen reaktion vapauttaman lämmön määrä.

Lämpömittarin historia

Vuonna 1780 ranskalainen kemisti AL Lavoisier, jota pidettiin yhtenä kemian isästä, käytti marsusta mitata lämmöntuotantoa hengityksellä.

Miten? Käytetään kalorimetrin kaltaista laitetta. Marsun tuottama lämpö osoitti laitteen sulavan sulavan lumen.

Tutkijat A. L Lavoisier (1743-1794) ja PS Laplace (1749-1827) suunnittelivat kalorimetrin, jota käytettiin mittaamaan kehon ominaislämpöä jää sulavan menetelmän avulla.

Lämpömittari koostui lieriömäisestä lakatusta tinakupista, jota tuettiin jalustalla ja päätettiin sisäisesti suppilolla. Sen sisälle asetettiin toinen lasi, samanlainen kuin edellinen, putkella, joka kulki ulkokammion läpi ja varustettiin avaimella. Toisen lasin sisällä oli teline.

Olema tai esine, jonka ominaislämpö oli määrä määrittää, sijoitettiin tähän ruudukkoon. Jään asetettiin samankeskisten lasien sisään, kuten koriin.

Kehon tuottama lämpö absorboi jään, aiheuttaen sen sulamisen. Ja jään sulamisen nestemäinen vesituote kerättiin avaamalla sisäinen lasiavain.

Ja lopuksi, veden ollessa raskas, sulan jään massa tiedettiin.

osat

Kemian opetuslaboratorioissa yleisimmin käytetty kalorimetri on ns kahvikupin kalorimetri. Tämä kalorimetri koostuu dekantterilasiin tai sen sijaan animeainesäiliöstä, jolla on tiettyjä eristäviä ominaisuuksia. Tämän säiliön sisään vesiliuos asetetaan rungon kanssa, joka aikoo tuottaa tai absorboida lämpöä.

Säiliön yläosaan asetetaan eristemateriaalista valmistettu kansi, jossa on kaksi reikää. Yhdessä lämpömittari asetetaan lämpötilan muutosten mittaamiseksi, ja toisessa sekoitin, joka on edullisesti valmistettu lasimateriaalista ja joka suorittaa vesiliuoksen sisällön siirtämisen tehtävän.

Kuvassa pommin kalorimetrin osat; voidaan kuitenkin nähdä, että siinä on lämpömittari ja sekoitin, yhteisiä elementtejä useissa kalorimetrissä.

Tyypit ja niiden ominaisuudet

Kuppi kahvia

Tätä käytetään määrittämään eksotermisessä reaktiossa vapautuva lämpö ja endotermisessä reaktiossa absorboitunut lämpö.

Lisäksi sitä voidaan käyttää kehon ominaislämmön määrittämiseen; ts. lämpömäärä, jonka gramma ainetta tarvitsee absorboidakseen lämpötilan nostamiseksi yhdellä celsiusasteella..

Kalorimetrinen pommi

Se on laite, jossa mitataan vakiotilavuudessa tapahtuvassa reaktiossa vapautuvan tai absorboituneen lämmön määrä.

Reaktio tapahtuu vahvassa teräsastiassa (pumpussa), joka upotetaan suureen määrään vettä. Tämä pitää veden lämpötilan muutokset pieninä. Siksi oletetaan, että reaktioon liittyvät muutokset mitataan vakiona tilavuudessa ja lämpötilassa.

Tämä osoittaa, että mitään työtä ei tehdä, kun reaktio suoritetaan pommin kalorimetrissä.

Reaktio aloitetaan toimittamalla sähköä pumppuun kytkettyjen kaapeleiden kautta.

Adiabaattinen kalorimetri

Sille on tunnusomaista, että sillä on eristävä rakenne, jota kutsutaan suojaksi. Suoja sijaitsee kennon ympärillä, missä tapahtuvat lämmön ja lämpötilan muutokset. Samoin se on kytketty elektroniseen järjestelmään, joka pitää lämpötilansa hyvin lähellä solun lämpötilaa, välttäen siten lämmönsiirron.

Adiabaattisessa kalorimetrissä lämpötilaero kalorimetrin ja sen ympäristön välillä on minimoitu; samoin kuin minimoimalla lämmönsiirtokerroin ja lämmönvaihtoaika.

Sen osat koostuvat seuraavista:

-Solu (tai säiliö), integroituna eristysjärjestelmään, jonka avulla se yrittää välttää lämpöhäviöitä.

-Lämpömittari lämpötilan muutosten mittaamiseksi.

-Lämmitin, kytkettynä ohjattavaan sähköjännitelähteeseen.

-Ja kilpi, jo mainittu.

Tämän tyyppisellä kalorimetrillä voidaan määrittää ominaisuudet, kuten entropia, debyytin lämpötila ja tilaelektronitiheys.

Isoperibol kalorimetri

Se on laite, jossa reaktiokenno ja pumppu upotetaan rakenteeseen, jota kutsutaan vaipana. Tässä tapauksessa ns. Vaippa koostuu vedestä, jota pidetään vakiona lämpötilassa.

Kennon ja pumpun lämpötila nousee, kun lämpöä vapautuu palamisprosessin aikana; Mutta vesitakin lämpötila pidetään kiinteässä lämpötilassa.

Mikroprosessori säätelee kennon ja vaipan lämpötilaa tekemällä tarvittavat korjaukset vuodolämpölle, joka johtuu näiden kahden lämpötilan eroista.

Näitä korjauksia tehdään jatkuvasti ja lopullisella korjauksella ennen testiä ja sen jälkeen suoritettujen mittausten perusteella.

Virtauskalorimetri

Caliendarin kehittämässä laitteessa on laite kaasun siirtämiseksi säiliössä vakionopeudella. Lisäämällä lämpöä mitataan nesteen lämpötilan nousu.

Virtauskalorimetrille on tunnusomaista:

- Vakionopeuden tarkka mittaus.

- Lämmittimen kautta nesteeseen syötetyn lämpömäärän tarkka mittaus.

- Tarkka mittaus kaasun lämpötilan noususta energian syötöstä

- Suunnitelma paineenalaisen kaasun kapasiteetin mittaamiseksi.

Kalorimetri differentiaaliseen pyyhkäisykalorimetriaan

Sille on tunnusomaista, että sillä on kaksi säiliötä: yhdessä asetetaan tutkittava näyte, kun taas toinen pidetään tyhjänä tai käytetään vertailumateriaalia.

Kaksi astiaa lämmitetään vakiona energianopeudella kahden itsenäisen lämmittimen avulla. Kun kahden astian lämmitys alkaa, tietokone piirtää lämmittimien lämpövirtauksen eron lämpötilan suhteen, jolloin lämpövirtaus voidaan määrittää.

Lisäksi lämpötilan vaihtelu ajan funktiona voidaan määrittää; ja lopuksi kalorien kapasiteetti.

Sovellukset

Fysikakemiassa

- Peruskalorimittarit, kahvikuppityyppi, antavat mahdollisuuden mitata kehon lähettämän tai absorboiman lämmön määrää. Niissä voit määrittää, onko reaktio eksoterminen vai endoterminen. Lisäksi kehon ominaislämpö voidaan määrittää.

-Adiabaattisen kalorimetrin avulla on ollut mahdollista määrittää kemiallisen prosessin entropia ja tilan elektroninen tiheys.

Biologisissa järjestelmissä

-Mikrokalorimetrit käytetään tutkimaan biologisia järjestelmiä, jotka sisältävät molekyylien välisiä vuorovaikutuksia sekä tapahtuvia molekyylin konformaatiomuutoksia; esimerkiksi molekyylin aukeamisessa. Linja sisältää sekä differentiaalisen pyyhkäisyn että isotermisen titrauksen.

- Mikrokalorimetriä käytetään pienimolekyylisten lääkkeiden, bioterapeuttisten lääkkeiden ja rokotteiden kehittämisessä.

Happipumpun kalorimetri ja kaloriteho

Happipommi-kalorimetrissä tapahtuu monien aineiden palaminen ja sen lämpöarvo voidaan määrittää. Tämän kalorimetrin käytön kautta tutkittuihin aineisiin kuuluvat: kivihiili ja koksi; syötävät öljyt, sekä raskaat että kevyet; bensiini ja kaikki moottoripolttoaineet.

Samoin kuin polttoainetyypit lentokoneissa; jätepolttoaine ja jätteiden hävittäminen; Elintarvikkeita ja lisäravinteita ihmisten ravitsemukseksi; rehukasvit ja lisäaineet eläinten rehuksi; Rakennusmateriaalit; rakettipolttoaineet ja polttoaineet.

Samoin kaloriteho on määritetty kalorimetrialla palavien materiaalien termodynaamisissa tutkimuksissa; ekologisen energiatasapainon tutkimuksessa; räjähteissä ja lämpöjauheissa sekä termodynaamisten perusmenetelmien opettamisessa.

Viitteet

1. Whitten, Davis, Peck ja Stanley. Kemia. (8. painos). CENGAGE -oppiminen.
2. González J., Cortés L. & Sánchez A. (toinen). Adiabaattinen kalorimetria ja sen sovellukset. Palautettu: cenam.mx
3. Wikipedia. (2018). Calorimeter. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, tohtori Anne Marie (22. kesäkuuta 2018). Kalorimetrin määritelmä kemiassa. Palautettu osoitteesta: gondo.com
5. Gillespie, Claire. (11. huhtikuuta 2018). Kuinka kalorimetri toimii? Sciencing. Palautettu osoitteesta: sciencing.com