Тема 3. Калориметрія План.

1. Другий закон термодинаміки. Теорема Остроградського-Гауса.

2. Теплоємність. Одиниці вимірювання кількості теплоти.

3. Типи і принципи дії калориметрів.

4. Градуювання калориметрів.

5. Галузі застосування калориметрів.

1. Другий закон термодинаміки. Теорема Остроградського-Гауса

Сукупність методів вимірювання теплових ефектів (кількості теплової енергії), що супроводжують різноманітні фізичні, хімічні та біологічні процеси, називається калориметрією (від латинського calor – тепло). Відповідно прилади для вимірювання кількості тепла називають калориметрами. Цей термін був уведений французькими вченими Лавуазьє і Лапласом у другій половині 18-го сторіччя. Потреби вимірювання кількості теплоти виникли з початком використання теплової енергії в промислових цілях, що стимулювало значне прискорення розвитку наукових досліджень у напрямках термохімії, термодинаміки і теплотехніки. Результати калориметричних вимірювань дозволили отримати багато цінних експериментальних даних, які були використані при встановленні закону збереження енергії, визначення функції кисню у хімічних реакціях горіння і в процесі дихання живих організмів, при вивченні теплових властивостей речовини, при визначенні характеристик взаємодії радіоактивних випромінювань з речовиною тощо.

Розповсюдження теплової енергії у середовищі підкоряється Другому закону термодинаміки: Потік теплової енергії тече (переходить) від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Тепловий баланс будь-якої системи математично описується теоремою Остроградського-Гауса: Сума потужностей W джерел виділення і поглинання (стоків) теплової енергії в будь-якому об’ємі V дорівнює інтегралу густини q теплового потоку на замкненій поверхні S, яка обмежує об’єм V:

₍₁₎

2. Теплоємність. Одиниці вимірювання кількості теплоти

Джерелами виділення енергії можуть бути екзотермічні хімічні (біохімічні) та ядерні реакції. Поглинається теплова енергія при ендотермічних хімічних реакціях, а також при фазових переходах (плавлення і кипіння) і за рахунок теплоємності речовини при підвищенні температури тіла.

Теплоємність – це властивість речовини накопичувати теплову енергію при підвищенні температури тіла. Саме ця властивість була використана для визначення одиниці вимірювання кількості теплової енергії – калорії: 1 калорія дорівнює кількості теплоти, яка необхідна для підвищення температури 1 г води на 1°С (від 18,5 до 19,5°С). У даний час ця позасистемна одиниця широко використовується в теплоенергетиці. У системі СІ одиницею вимірювання кількості будь-якої енергії (механічної, теплової, електричної, хімічної, ядерної) є 1 Джоуль. Співвідношення між цими одиницями таке: 1 кал = 4,1868 Дж.

3. Типи і принципи дії калориметрів

Основні типи калориметрів – адіабатичні, ізотермічні й діатермічні. Для того, щоб виміряти кількість енергії, що виділяється в певному об’ємі, можна ізолювати його від навколишнього середовища і зареєструвати підвищення температури в цьому об’ємі. За таким принципом працює адіабатичний калориметр. Адіабатичними називають теплові процеси, які відбуваються без обміну теплотою з навколишнім середовищем. Теплоізоляція забезпечується шаром матеріалу з дуже низькою теплопровідністю (вата, скловата тощо), подвійною скляною оболонкою з викачаним повітрям (як у термосі) або подвійною металевою оболонкою, на зовнішній стороні якої розміщується нагрівач, якій підтримує її температуру рівною температурі поверхні об’єму, що досліджується.

В ізотермічних калориметрах, найчастіше льодових, відсутність теплообміну з навколишнім середовищем забезпечується масивною оболонкою з речовини, яка має постійну температуру завдяки процесу фазового переходу, наприклад танення льоду. При цьому тепловий ефект, що досліджується, відбувається всередині масивного шматка льоду. Теплота, що виділяється, витрачається на танення льоду. Вимірюється кількість (маса) води, яка розтала і відводиться за допомогою тонкої трубки.

Для вимірювання потужності виділення тепла у довготривалих процесах застосовують діатермічні калориметри, які звичайно мають дві металеві концентричні (циліндричні або сферичні) оболонки, різниця температур яких вимірюється. Це дозволяє обчислити інтегральний тепловий потік, який переходить від калориметра у зовнішнє середовище, що за теоремою Остроградського-Гауса дорівнює потужності виділення теплоти в об’ємі калориметра (при відсутності фазових переходів, у стаціонарному режимі – коли не підвищується температура калориметра).