Для чего необходим внешний сосуд калориметра

Для сравнения теплоемкостей разных тел пользуются калориметром. Калориметр представляет собой металлический сосуд с крышкой, имеющий форму стакана. Сосуд ставят на пробки, помещенные в другой, больший сосуд так, что между обоими сосудами остается слой воздуха (рис. 367). Все эти предосторожности уменьшают отдачу теплоты окружающим телам.

Рис. 367. Калориметр

Сосуд наполняют известным количеством воды, температура которой до опыта измеряется (пусть она равна

). Затем берут тело, теплоемкость которого хотят измерить, и нагревают до известной температуры

(например, помещают в пары кипящей воды, так что температура

). Нагретое тело опускают в воду калориметра, закрывают крышку и, помешивая мешалкой, ждут, пока температура в калориметре установится (это будет, когда вода и тело примут одинаковую температуру). Тогда отмечают эту температуру

Из результатов опытов можно найти удельную теплоемкость тела

, пользуясь тем, что уменьшение энергии охлаждающегося тела равно увеличению энергии нагревающейся при этом воды и калориметра, т. е. применяя закон сохранения энергии.

При не очень точных измерениях можно считать, что вода калориметра, сам калориметр, мешалка и тело, теплоемкость которого измеряется, за время опыта не успеют отдать заметное количество теплоты окружающим телам.

(При более точных измерениях надо внести соответственные поправки.) Поэтому суммы энергий тела, воды, калориметра и мешалки до и после опыта можно считать одинаковыми. Иначе говоря, энергия тела уменьшается при опыте настолько, насколько увеличивается энергия воды, калориметра и мешалки. Температура тела понижается на

. Так как никакой работы внутри калориметра не производится, то убыль энергии тела равна

, где

— удельная теплоемкость вещества тела,

— масса тела.

Вода нагревается на

и приращение ее энергии равно

, где

— удельная теплоемкость воды,

— масса воды в калориметре. Предположим, что калориметр и мешалка сделаны из одного материала и общая их масса равна

, а удельная теплоемкость их материала равна

. Энергия калориметра и мешалки получит приращение, равное

. Энергией, необходимой для нагревания термометра, можно пренебречь, так как она обычно невелика. Приравнивая убыль энергии тела приращению энергии воды, калориметра и мешалки, получим

Это равенство часто называют уравнением теплового баланса. Разрешая его относительно

, находим

Таким образом, измерив

найдем удельную теплоемкость исследуемого тела

, если известны удельные теплоемкости воды

и материала калориметра

. Удельная теплоемкость воды

может быть принята равной

(§ 208). Удельную теплоемкость материала калориметра

нужно определить отдельно: например, путем наблюдения теплового баланса при опускании в калориметр тела, сделанного из того же материала, что и стенки калориметра (т. е. сделав

). Определив раз навсегда удельную теплоемкость материала калориметра

, мы сможем делать все дальнейшие определения, используя полученное соотношение.

Удельная теплоемкость ряда веществ приведена в табл. 5. В тех случаях, когда температура не указана, значения удельной теплоемкости даны для комнатной температуры. В таблице показано на примере воды, меди и свинца, что удельная теплоемкость зависит от температуры. У твердых тел при повышении температуры она увеличивается. При очень низких температурах удельная теплоемкость всех тел быстро падает. Следует обратить внимание на очень большую по сравнению с другими веществами удельную теплоемкость воды. Заслуживает внимания также то, что удельная теплоемкость льда вдвое меньше теплоемкости воды. У других веществ теплоемкости в твердом и жидком состояниях также резко отличаются друг от друга.

Таблица 5. Удельная теплоемкость некоторых веществ

Вещество		Вещество
Алюминий	0,880	Медь при	0,280
Асбест	0,210	» »	0,380
Вода при	4,180	Песок	0,840
» » .	4,220	Ртуть	0,126
Воздух, свободно расширяющийся	1,010	Свинец при	0,130
Железо	0,460	» »	0,032
Кирпич	0,840	» »	0,143
Латунь	0,390	Сера	0,710
Лед при	2,100	Сосновое дерево	2,520
Стекло	0,840

Зная удельную теплоемкость вещества, всегда можно рассчитать, какое количество воды имеет такую же теплоемкость, как и данное тело (так называемый водяной эквивалент). Пусть, например, стакан калориметра сделан из латуни и имеет массу 100 г. Его теплоемкость равна

. Следовательно, водяной эквивалент этого стакана равен

. Нагревая в таком стакане 300 г воды, можно считать, что мы нагреваем только воду, но в количестве не 300 г, а 309,3 г. Теперь можно ответить на вопрос, каким образом в опыте, описанном в § 203, Джоуль мог учесть нагревание, кроме воды, также и сосуда. Он мог сделать это, пользуясь понятием водяного эквивалента.

209.1
. Два куска из одинакового материала (например, оба железные), но разной массы нагреты до различных температур. Увеличится или уменьшится их общий объем, если горячий кусок передаст некоторое количество теплоты холодному?

209.2
. В латунный стакан массы 163 г, имеющий температуру

, вливают 100 г воды при

и 200 г воды при

. Пренебрегая обменом теплотой с окружающими телами, определите окончательную температуру воды. Предположим, что температуры вливаёмых порций воды равны указанным выше, но что имеет место обмен теплотой через стенки сосуда с окружающими предметами, Кай повлияет это обстоятельство на окончательную температуру воды в случае, если сперва наливается горячая, а потом холодная вода, и в случае, когда порядок наливания воды обратный?

Источник

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

что такое калориметр

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.

определение энергетического эквивалента калориметра

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

в медном калориметре

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

для определения удельной теплоемкости калориметра

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

масса калориметра

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.

определение теплоемкости калориметра

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

что такое калориметр в физике определение

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.

Источник

Цель
работы:
изучить устройство калориметрического
сосуда.

Оборудование:
стеклянный калориметр, копель-хромелевая
термопара, резистор, соединительные
провода, добавочный резистор, универсальный
комплект лабораторного оборудования
по молекулярной физике ЛАБЭКС.

Вопросы к
допуску:

Устройство и
принцип действия экспериментальной
установки.
Методика проведения
эксперимента.

Контрольные
вопросы:

Для чего нужен
калориметр.
Устройство
калориметра.
Возможные утечки
из калориметра тепловой энергии.
Уравнение теплового
баланса для калориметра.
Характеристики
качества калориметра.
Физический смысл
коэффициента теплоотдачи калориметра.
Методика
экспериментального определения
коэффициента теплоотдачи.

Теоретические сведения.

Пусть
требуется определить количество теплоты,
передаваемое более нагретым телом менее
нагретому. Назовем первое из них
нагревателем,
а второе – термометрическим
телом.
Для этого необходимо привести оба тела
в тепловой контакт друг с другом и тогда,
зная массы тел, их удельные теплоемкости
а так же начальную и конечную температуры,
можно рассчитать величину переданного
(или полученного) телами тепла. Однако,
здесь возникает проблема, связанная с
тем, что излучаемое нагревателем тепло
поглощается не только термометрическим
телом, но и любыми другими телами,
имеющими температуру, ниже температуры
нагревателя. Это приводит к потере
некоторой доли тепла, расходуемого на
нагрев посторонних тел и результат
измерений оказывается заниженным. Чтобы
этого не происходило, оба исследуемых
тела должны составлять замкнутую
систему, т.е. иметь возможность обмениваться
теплом только друг с другом, а не с
внешними телами. Очевидно, что для этого
необходимо как-то оградить исследуемые
тела от окружающего пространства,
например, поместив их в специальный
сосуд, который называется калориметром,
т.к. позволяет измерять количество
передаваемого или принимаемого телами
тепла в результате их теплообмена
(«калория» – внесистемная единица
измерения тепловой энергии, «метрио»
– измерять) при минимальных потерях
тепловой энергии.

Для чего необходим внешний сосуд калориметра Простейший
калориметр представляет собой два
сосуда (рис.1), расположенных один внутри
второго. Обычно внутренний сосуд
изготовляют тонкостенным и из металла
известной теплоемкости (как правило,
латунь). Внешний сосуд должен быть
изготовлен из материала, обладающего
минимальной теплоемкостью. С целью
обеспечения наименьшей площади контакта
обоих сосудов внутренний сосуд располагают
на призматических подставках таким
образом, чтобы между стенками сосудов
оставалась воздушная прослойка. Тем
самым внешний сосуд ограждает внутренний
от случайных потоков воздуха, что в
значительной мере уменьшает потери
тепловой энергии. В объеме внутреннего
сосуда располагается мешалка, резервуар
термометра (или спай термопары), а также
электрический нагреватель (если это
необходимо).

Калориметр
лучшего качества (рис.2) представляет
собой стеклянный сосуд с двойными
стенками, между которыми откачан воздух.
Внутренние поверхности обоих стенок
обычно серебрят или алюминируют.
Отсутствие между стенками калориметра
воздуха предотвращает перенос тепловой
энергии путем теплоотдачи, а светлое и
блестящее покрытие, хорошо отражая
электромагнитные волны инфракрасной
части спектра, предотвращает перенос
тепла путем излучения. Естественно, эти
меры не способны обеспечить полной
теплоизоляции находящихся внутри
калориметра тел, но сводят потери
тепловой энергии к минимуму. Наибольший
отток тепла из калориметра происходит
через пробку, закрывающую отверстие
калориметра, а также через «шейку» –
стеклянную перемычку, связывающую
внутреннюю и внешнюю поверхности
калориметра.

Вообще
говоря, существует и третий механизм
переноса тепла – явление конвекции.
Однако, от этого фактора можно легко
освободиться, плотно закрыв калориметр
пробкой изготовленной из материала,
обладающего низкой теплопроводностью.
Тогда конвективные потоки окажутся
замкнутыми внутри калориметра и не
будут иметь возможности уносить тепло
в окружающее пространство.

В
тех случаях, когда при помощи калориметра
измеряется количество тепла, переданное
одним телом другому, в калориметр
наливают некоторое количество так
называемой термометрической
жидкости,
что улучшает тепловой контакт между
исследуемыми телами. Обычно в качестве
такой жидкости применяют дистиллированную
воду или машинное масло с хорошо известной
удельной теплоемкостью.

Упомянутая выше
мешалка используется для перемешивания
калориметрической жидкости с целью
устранения градиента температуры,
который приводит к неравномерному
распределению тепла между всеми телами
внутри калориметра и, как следствие,
сильно снижает точность измерений.

Изображенный на
рис.1 электрический нагреватель внутри
калориметра, используется не всегда.
Например, он необходим, при измерении
удельной теплоемкости жидкости, роль
которой выполняет сама термометрическая
жидкость. При измерении же удельной
теплоемкости твердых тел вместо
электрического нагревателя используется
исследуемое тело, предварительно
нагретое до известной температуры вне
нагревателя.

Процесс
теплообмена между телами внутри
калориметра описывается уравнением
теплового баланса,
согласно которому внутренний
сосуд калориметра и все находящиеся в
нем тела в единицу времени приобретают
такое же количество теплоты
какое ()
за тот же промежуток времени теряет
нагреватель:

,
(1)

где знак «-»
указывает на противоположные направления
перетока тепла.

Качество
любого калориметра описывается двумя
его характеристиками – водяным
эквивалентом и коэффициентом теплоотдачи
поверхности. Водяным
эквивалентом W
калориметра называется то количество
теплоты, которое расходуется нагревателем
на нагрев всех присутствующих в
калориметре тел и внутренней оболочки
самого калориметра на один градус.
Так, если помимо термометрической
жидкости и исследуемых тел в калориметре
имеются мешалка, термометр и нагреватель,
то водяной эквивалент данного калориметра
окажется равным:

(2)

где
,,,– массы перечисленных выше тел, а,,,– их удельные теплоемкости. Очевидно,
что единицей измерения водяного
эквивалента являетсяДж/К.
Эта величина, как правило, определяется
экспериментально и является характеристикой
только данного калориметра. Поэтому
следует помнить, что смена мешалки или
термометра в калориметре требует нового
измерения величины водяного эквивалента.

Коэффициентом
теплоотдачи α калориметра называется
то количество теплоты, которое излучается
оболочкой калориметра в единицу времени
при разности температур оболочки и
окружающей среды равной 1 градус.
Эта величина также является характеристикой
данного калориметра и может быть
определена только экспериментально по
формуле:

,
(3)

где
dQ
– количество теплоты, излучаемое в
окружающее пространство (теряемое)
калориметром за время
при данной разности температур оболочки
и окружающей среды. Знак «-» указывает
на отдачу оболочкой калориметра тепла
в окружающее пространство.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник