Calorímetre

Un calorímetre un dispositiu per mesurar la quantitat de calor alliberada o absorbida en qualsevol procés físic, químic o biològic.

Els calorímetres moderns operen en el rang de temperatura de 0.1 a 3500 Kelvin i li permeten mesurar la quantitat de calor amb una precisió de 0,01-10%. La disposició dels calorímetres és molt diversa i està determinada per la naturalesa i la durada del procés en estudi, el rang de temperatures a les que es realitzen els mesuraments, la quantitat de calor mesurada i la precisió requerida.

A la termodinàmica s'utilitzen calorímetres per mesurar l'entalpia d'un procés termodinàmic.

Calorímetres i energia solar

Una de les aplicacions dels calorímetres en el camp de l'energia solar el trobem en els sistemes d'energia solar tèrmica. Aquests dispositius són importants per calcular l'eficiència tèrmica en sistemes de calefacció i generació d'aigua calenta sanitària.

El calorímetre, en un sistema de calefacció, és un dispositiu que s'instal·la en cada radiador i que mesura dues temperatures: la de la superfície del mateix i la ambient de l'habitació, calculant el consum amb aquestes dades i en base a les característiques i mida del radiador.

Tipus de calorímetres

Un calorímetre dissenyat per mesurar la quantitat total de calor Q alliberat durant el procés des del seu inici fins a la seva finalització s'anomena calorímetre integrador.

El calorímetre s'utilitza per mesurar la potència tèrmica i els seus canvis en diferents etapes del procés termodinàmic, mitjançant un mesurador de potència o un calorímetre-oscil·loscopi. El disseny del sistema calorimètric i el mètode de mesurament distingeixen entre calorímetres líquids i massius, simples i dobles (diferencials).

Calorímetre integrador de líquid

S'utilitza un integrador de calorímetre líquid de temperatura variable amb una coberta isotèrmica per mesurar les calors de dissolució i les calors de les reaccions químiques, o energia química. Consisteix en un recipient amb un líquid (generalment aigua), en el qual hi ha: una càmera per dur a terme el procés en estudi ( "bomba calorimètrica"), un agitador, un escalfador i un termòmetre. La calor alliberat en la càmera després es distribueix entre la càmera, el líquid i altres parts del calorímetre, la totalitat es denomina sistema calorimètric del dispositiu.

En calorímetres líquids, la temperatura isotèrmica de la coberta es manté constant. En determinar la calor d'una reacció química, les majors dificultats sovint s'associen no amb tenir en compte els processos secundaris, sinó amb determinar la integritat de la reacció i la necessitat de tenir en compte diverses reaccions.

Mesuraments calorimètrics

Un canvi en l'estat (per exemple, la temperatura) del sistema calorimètric li permet mesurar la quantitat de calor introduït en el calorímetre. L'escalfament del sistema calorimètric es registra amb un termòmetre. Abans de prendre mesures, el calorímetre es calibra: el canvi de temperatura del sistema calorimètric es determina quan se li comunica una quantitat coneguda de calor (mitjançant un escalfador d'calorímetre o com a resultat d'una reacció química a la càmera amb una quantitat coneguda d'una substància estàndard).

Com a resultat del calibratge, s'obté el valor tèrmic del calorímetre, és a dir, el coeficient pel qual el canvi en la temperatura del calorímetre mesurat pel termòmetre ha de multiplicar-se per determinar la quantitat de calor introduït en ell. El valor tèrmic de tal calorímetre és la capacitat de calor del sistema calorimètric. La determinació del valor calorífic desconegut o una altra reacció de la termodinàmica química Q es redueix a mesurar el canvi de temperatura Δ t del sistema calorimètric causat pel procés en estudi: Q = c At. Típicament, el valor Q es refereix a la massa de la substància a la cambra del calorímetre.

Processos secundaris en mesuraments calorimètriques

Els mesuraments calorimètriques permeten determinar directament només la suma de les calors del procés en estudi i diversos processos secundaris, com la barreja, l'evaporació de l'aigua, la ruptura d'una ampolla amb una substància, etc. La calor dels processos secundaris s'ha de determinar empíricament o per càlcul i excloure del resultat final.

Un dels processos termodinàmics secundaris inevitables és l' intercanvi de calor del calorímetre amb el medi ambient a través de la radiació i la conductivitat tèrmica. Per tenir en compte els processos secundaris i, sobretot, la transferència de calor, el sistema calorimètric està envoltat per una closca la temperatura està controlada.

Calorímetre integrador isotèrmic

En l'estudi de la termodinàmica hi ha un altre tipus de calorímetre integrador: isotèrmic (temperatura constant), la calor introduït no canvia la temperatura del sistema calorimètric, però causa un canvi en l'estat d'agregació del cos que forma part d'aquest sistema (per exemple , el gel fonent en el calorímetre de gel Bunsen).

La quantitat de calor introduït es calcula en aquest cas per la massa de la substància que va canviar l'estat d'agregació (per exemple, la massa de gel fos, que es pot mesurar pel canvi en el volum de la barreja de gel i aigua) i la calor de la transició de fase.

Calorímetre integrador massiu

Un calorímetre integrador massiu s'usa amb més freqüència per determinar l'entalpia de substàncies a altes temperatures (fins a 2500 graus Celsius). El sistema calorimètric per a aquest tipus de calorímetre és un bloc de metall (generalment coure o alumini) amb buits per al recipient en què té lloc la reacció, per al termòmetre i l'escalfador.

L'entalpia d'una substància es calcula com el producte del valor tèrmic del calorímetre per la diferència en l'augment de temperatura del bloc, mesura després de deixar caure una ampolla amb una certa quantitat de substància en el seu niu, i després una ampolla buida escalfada a la mateixa temperatura.

Flux de calorímetres laberíntics

La capacitat calorífica dels gasos, i de vegades dels líquids, es determina en els anomenats. calorímetres de laberint de flux: d'acord amb la diferència de temperatura a l'entrada i sortida d'un flux estacionari de líquid o gas, la potència d'aquest flux i la calor en joules emès per l'escalfador elèctric del calorímetre.

Calorímetre - mesurador de potència

Un calorímetre que funciona com un mesurador de potència, en contrast amb un calorímetre integrador, ha de tenir un intercanvi de calor significatiu perquè les quantitats de calor introduïdes en ell s'eliminin ràpidament i l'estat del calorímetre estigui determinat pel valor instantani de la potència del procés tèrmic. El poder tèrmic del procés es troba en l' intercanvi de calor del calorímetre amb la carcassa.

Aquests calorímetres, desenvolupats pel físic francès E. Calvet, són un bloc de metall amb canals en els quals es col·loquen les cèl·lules cilíndriques. A la cel·la, es porta a terme el procés investigat; un bloc de metall exerceix el paper d'una closca (la seva temperatura es manté constant amb una precisió de 10 -5 -10 -6K) La diferència de temperatura entre la cel·la i la unitat es mesura mitjançant una termopila que té fins a 1000 unions. L' intercanvi de calor de la cel·la i l'EMF de la termopila és proporcional a la petita diferència de temperatura que sorgeix entre la unitat i la cel quan s'allibera o absorbeix calor.

Molt sovint, es col·loquen dues cel·les en el bloc, que funcionen com un calorímetre diferencial: la termopila de cada cel·la té el mateix nombre d'unions i, per tant, la diferència en el seu EMF li permet determinar directament la diferència en la potència del flux de calor que entra a les cel·les.

Aquest mètode de mesurament elimina la distorsió del valor mesurat per fluctuacions aleatòries en la temperatura del bloc. En general, es munten dues bateries tèrmiques en cada cel: un li permet compensar la potència tèrmica del procés en estudi en funció de l'efecte Peltier, i l'altre (indicador) serveix per mesurar la part no compensada del flux de calor. En aquest cas, el dispositiu funciona com un calorímetre de compensació diferencial. A temperatura ambient, els calorímetres mesuren la potència tèrmica dels processos amb una precisió d'1 μW.