Прибор для измерения теплоты сгорания топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прибор для измерения теплоты сгорания топлива

Введение

Калориметр (от лат. calor - тепло и…метр) - прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе. Термин «калориметр» был предложен А. Лавуазье и П. Лапласом (1780).

Типы калориметров

Калориметр, предназначенный для измерения суммарного количества теплоты Q, выделяющейся в процессе от его начала до завершения, называют калориметр-интегратором; Калориметр для измерения тепловой мощности L и её изменения на разных стадиях процесса - измерителем мощности или калориметр-осциллографом. По конструкции калориметрической системы и методу измерения различают жидкостные и массивные калориметры, одинарные и двойные (дифференциальные).

Названия калориметров

Обычные названия калориметров - «для химической реакции», «бомбовый», «изотермический», «ледяной», «низкотемпературный» - имеют историческое происхождение и указывают главным образом на способ и область использования калориметров, не являясь ни полной, ни сравнительной их характеристикой.

Общая классификация калориметров

Общую классификацию калориметров можно построить на основе рассмотрения трёх главных переменных, определяющих методику измерений: температуры калориметрической системы Tc; температуры оболочки To, окружающей калориметрическую систему количества теплоты L, выделяемой в калориметре в единицу времени (тепловой мощности).

Калориметры с постоянными Tc и To называют изотермическим; с Tc = To - адиабатическим; калориметр, работающий при постоянной разности температур Tc - To, называют калориметром с постоянным теплообменом; у изопериболического калориметра (его ещё называют калориметром с изотермической оболочкой) постоянна To, а Tc является функцией тепловой мощности L.

1. История

В 1780 г. французские ученые Антуан Лавуазье (1743-1794) и Пьер Симон Лаплас (1749-1827) предложили прибор для измерения удельных теплоемкостей, названный ими калориметром.

Калориметром был назван прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в физических, химических или биологических процессах.

Основу калориметра составляет теплоизолированный сосуд и калориметрическое тело, в котором поглощается или выделяется тепло.

Обычно калориметр, применяется для определения теплоемкости, теплоты испарения и теплоты сгорания. Прибор состоит из углеродной мишени, в которой происходит генерация вторичных частиц - нейтральных пионов, которые, распадаясь, формируют поток фотонов. Они регистрируются слоями детекторов, расположенных между поглотителями и свинца под мишенью. Измеряя количество вторичных частиц, можно определить энергию первичной. Чем больше слоёв детекторов, тем точнее измеряемая энергия.

В 1750 г. петербургский физик - Георг Рихман (1711-1753), работавший в содружестве с М.В. Ломоносовым, установил на опыте, что если смешать равные количества воды, имеющие различную температуру, то температура смеси будет равна среднему арифметическому температур частей. Эти опыты были повторены в 1772 г. Иоганном Вильке в Германии. Вильке ввел единицу измерения количества теплоты - калорию как количество теплоты, необходимой для изменения температуры единицы массы воды на один градус. Она сохранилась до наших дней.

Концепция теплорода конкурировала с молекулярно-кинетической теорией почти 100 лет - до середины XIX в., а понятия «количество теплоты», «теплоемкость», «калориметрия», «теплота плавления», «теплота парообразования» сохраняются до сих пор (слово «скрытая» только недавно исчезло со страниц учебников). Эти понятия приспособлены уже к молекулярно-кинетической теории.

С середины XIX в. развивается теория, которая получила название механической теории теплоты. Открытие закона сохранения энергии и успехи молекулярной теории привели к представлению о тепловых процессах как процессах передачи механического движения при столкновении молекул тел. Давление газов объяснялось, как передача количества движения частицами газа стенкам сосуда. Температуру начали связывать с интенсивностью движения частиц.

Молекулы рассматривались как частицы, движение которых подчиняется законам классической механики. Отсюда терминология «механическая теория тепла».

Одновременно развиваются статистические представления. Больцман находит точную связь между средней энергией теплового движения частиц и температурой, вводя новую мировую константу, названную его именем.

Развитие статистической теории привело к представлению о тепловом движении как особой форме движения материи, которая не может быть сведена к механической. В природе действуют специфические статистические закономерности, которые имеют точные математические выражения, например распределения Максвелла, Больцмана, Ферми и т.д.

Развитие квантовой механики привело к уточнению наших представлений о взаимодействиях частиц при тепловом движении.

Чтобы обеспечить точность рассматриваемых физических понятий, следует подчеркивать исторические связи. Понятия количества теплоты, теплоемкости и т.д. неразрывно связаны с гипотезой теплорода. Нужно разъяснить, что гипотеза эта оставлена наукой, и мы вкладываем в традиционные понятия новый смысл. Поэтому, говоря о количестве теплоты, мы имеем в виду не количество чего-то материального, а количество энергии определенной формы. Эта специфическая форма энергии - энергия коллектива хаотически движущихся частиц. При нагревании она переходит от тела к телу или распространяется внутри тела, тогда мы говорим о теплопроводности. Солнечное тепло - это трансформированная в энергию теплового движения энергия электромагнитного излучения и т.д.

2. Современные калориметры

Современные калориметры работают в диапазоне температур от 0,1 до 3500К и позволяют измерять количество теплоты с точностью до 10-2%. Устройство калориметров весьма разнообразно и определяется характером и продолжительностью изучаемого процесса, областью температур, при которых производятся измерения, количеством измеряемой теплоты и требуемой точностью.

Калориметр, предназначенный для измерения суммарного количества теплоты Q, выделяющейся в процессе от его начала до завершения, называют калориметр-интегратором; Калориметр для измерения тепловой мощности L и её изменения на разных стадиях процесса - измерителем мощности или калориметр-осциллографом. По конструкции калориметрической системы и методу измерения различают жидкостные и массивные калориметры, одинарные и двойные (дифференциальные).

История изобретения калориметра связана с именами французских учёных А. Лавуазье и П. Лапласа, создавших в 1780 г. первый такой прибор. С его помощью измеряли количества теплоты, выделяющиеся в физических, химических или биологических процессах. Первый калориметр заполнялся не водой, а льдом, и мало напоминал тот, который вы видели на уроке.

Ледяной калориметр позволил ещё в XVIII веке измерить теплоёмкости многих твёрдых тел и жидкостей, а также теплоты сгорания разных топлив и теплоты, выделяемые живыми организмами (см. рисунок). Например, теплота, отдаваемая животным (или другим объектом) во внутренней камере, расходовалась на плавление льда во внутренней «ледяной рубашке». Внешняя служила для того, чтобы поддерживать температуру внутренней части постоянной. Выделенную теплоту измеряли, взвешивая талую воду, стекавшую в сосуд.

Водяной калориметр был сконструирован в 1830 г. французским физиком П.Л. Дюлонгом, и с его помощью были определены теплоты сгорания многих веществ. Школьный водяной калориметр позволяет проводить измерения в диапазоне 0-100°С и достичь точности не выше 10%. Например, выполняя традиционную ЛР «Сравнение количеств теплоты, отданной горячей водой и полученной холодной», вы обнаруживаете погрешность порядка 10-30%. Более совершенные жидконаполненные калориметры, применяемые в лабораториях, позволяют уменьшить погрешность измерения до 5%.

Бомбовый калориметр - разновидность жидконаполненного калориметра, используемая для измерения количеств теплоты, выделяющейся при очень быстром горении - взрыве. Бомбовый калориметр представляет собой прочный герметически закрывающийся сосуд-бомбу 1, окружённую «водяной рубашкой» 4. Образец горючего вещества известной массы помещается в тигель 2 внутри бомбы с чистым кислородом и поджигается электрической искрой. Цифрой 3 обозначены электрические провода для поджига образца, 5 - теплоизолирующий корпус.

Энергия, выделяющаяся в результате управляемого взрыва образца внутри бомбы, передаётся водяной рубашке. Повышение температуры воды обычно не превышает одного-двух градусов, поэтому теплопотери во внешнюю среду невелики, следовательно при использовании термометров с малой ценой деления шкалы можно проводить довольно точные измерения.

Для определения количества теплоты используют специальные приборы - калориметры. Совокупность частей калориметра, между которыми распределяется измеряемое количество теплоты, называют калориметрической системой. Она включает в себя калориметрический сосуд, в котором протекает изучаемый процесс, инструмент для измерения температуры (ртутный термометр, термометр сопротивления, термопара или термобатарея, терморезистор, кварцевый термометр и др.; при температурах выше 1300 К используют оптические пирометры), нагреватель и др. Калориметрическую систему защищают экранами или оболочками, предназначенными для регулирования ее теплообмена с окружающей средой. Оболочки могут быть изотермическими или адиабатическими. Разность температур калориметрической системы и оболочки контролируют простыми и дифференциальными термопарами и термобатареями, терморезисторами и т.д. Температуру оболочки, снабженную электрическим нагревателем, регулируют автоматически с помощью электронных устройств.

Все калориметры (в зависимости от принципа измерения количества теплоты) можно условно разделить на калориметры переменной температуры, постоянной температуры и теплопроводящие. Наиболее распространены калориметры переменной температуры, в которых количество теплоты Q определяется по изменению температуры калориметрической системы:

Q=W.DT,

где W - тепловое значение калориметра (т.е. кол-во теплоты, необходимое для его нагревания на 1 К), найденное предварительно в градуировочных опытах, DT - изменение температуры во время опыта. Калориметрический опыт состоит из трех периодов. В начальном периоде устанавливается равномерное изменение температуры, вызванное регулируемым теплообменом с оболочкой и побочными тепловыми процессами в калориметре, т. наз. температурный ход калориметра. Главный период начинается с момента ввода теплоты в калориметр и характеризуется быстрым и неравномерным изменением его температуры. В конечном периоде опыта, по завершении изучаемого процесса, температурный ход калориметра снова становится равномерным. В калориметрах с изотермической оболочкой (иногда называют изопериболич. калориметрами) температура оболочки поддерживается постоянной, а температуры калориметрич. системы измеряют через равные промежутки времени. Для вычисления поправки на теплообмен, которая достигает нескольких% от DТ используют метод расчета, основанный на законе охлаждения Ньютона. Такие калориметры обычно применяют для определения теплот сравнительно быстрых процессов (продолжительность главного периода опыта 10-20 мин). В калориметрах с адиабатической оболочкой температуру оболочки поддерживают близкой к температуре калориметрической системы в продолжение всего опыта (температуру последней измеряют только в начальном и конечном периодах опыта). Поправка на теплообмен в этом случае незначительна и вычисляется как сумма поправок на неадиабатичность и на ход температуры. Такие калориметры применяют при определении теплот медленно протекающих процессов.

По конструкции калориметрич. системы и методике измерения различают жидкостные и массивные, одинарные и двойные (дифференциальные) калориметры и др.

В жидкостном калориметре сосуд заполнен определенным кол-вом т. наз. калориметрич. жидкости (обычно дистиллированной воды, реже этанола. жидкого NH₃, вазелинового масла, расплавленного Sn и др.). В сосуд помещают калориметрическую бомбу или ампулу с веществом. Часто калориметрич. жидкость служит одновременно одним из компонентов какой-либо хим. реакции. Такие калориметры наиболее часто применяют для работы при комнатных температурах для измерения теплоемкости твердых и жидких тел, энтальпий сгорания, разложения, испарения. растворения, хим. реакций, протекающих в растворах, и др.

В массивном калориметре вместо калориметрической жидкости используют блок из металла с хорошей теплопроводностью (Сu, Al, Ag) с выемками для реакционного сосуда, термометра и нагревателя. Их применяют для измерения энтальпий сгорания, испарения. адсорбции и др., но чаще всего для определения энтальпии веществ при температурах до 3000 К по методу смешения. Энтальпию вещества рассчитывают как произведение теплового значения калориметра и изменения температуры блока, измеренных после сбрасывания нагретого до нужной температуры образца в гнездо блока.

Для определения теплоемкости твердых и жидких веществ в области от 0,1 до 1000 К и энтальпий фазовых переходов используют калориметры-контейнеры, в которых калориметрическим сосудом служит тонкостенный контейнер (ампула для вещества) обычно небольшого размера (от 0,3 до 150 см³), изготовленный из меди. серебра. золота. платины. нержавеющей стали.

Калориметры-контейнеры, предназначенные для работы при низких температурах, кроме системы изотермич. или адиабатич. оболочек, защищают вакуумной рубашкой и помещают в криостат (сосуд Дьюара), заполненный в зависимости от температурной области жидким Не, Н₂ или N₂. Для работы при повыш. температурах калориметр помещают в термостатированную электрич. печь. Теплоемкость С = Q/DТ обычно определяют методом периодического, реже - непрерывного ввода теплоты.

Теплоемкость газов и жидкостей при постоянном давлении определяют в проточных калориметрах - по разности температур на входе и выходе стационарного потока газа или жидкости, мощности этого потока и джоулевой теплоте, выделенной электрич. нагревателем.

При измерениях небольших тепловых эффектов, а также теплоемкостей применяют двойной калориметр, имеющий две совершенно одинаковые калориметрические системы (жидкостные, массивные, тонкостенные), которые находятся при одной и той же температуре и имеют одинаковый теплообмен с оболочкой. Вместо поправки на теплообмен вводят небольшую поправку на неидентичность калориметрических систем (блоков), определяемую предварительно. При определении тепловых эффектов экзотермических реакций в одном из блоков выделяется неизвестное кол-во теплоты исследуемой реакции Q_x (напр., реакции полимеризации), а в другой блок вводится известное кол-во теплоты Q так, чтобы температуры обоих блоков были равны в продолжение всего опыта, тогда Q_x = Q. В случае эндотермич. реакций теплота Q вводится в тот блок, в котором протекает процесс.

В калориметрах постоянной температуры, или изотермических, кол-во теплоты измеряют по кол-ву вещества, изменившего свое агрегатное состояние (плавление льда, нафталина или испарение жидкости).

Теплопроводящие калориметры (иногда их наз. диатермическими) используют в калориметрии теплового потока, в которой определение Q основано на измерении мощности теплового потока dQ/dt (t - время). К этой калориметрии относят микрокалориметрию Тиана-Кальве и дифференциальную сканирующую калориметрию. В первой записывают кривые dQ/dt =f(t) при постоянной температуре, во второй - кривые dQ/dt = f (t, I) при постоянной скорости нагревания и охлаждения. Величину Q определяют по площади пика на кривой нагревания: Q.m = K.A, где К - калибровочная константа, А - площадь, т - масса вещества. Теплопроводящие калориметры должны обладать значит. теплообменом с оболочкой, чтобы большая часть вводимой в них теплоты быстро удалялась и состояние калориметра определялось мгновенным значением мощности теплового процесса. Такие калориметры (рис. 3) представляют собой металлический блок с каналами, в которых помещаются цилиндрич. камеры, чаще всего две, работающие как дифференц. калориметр. В камере проводится исследуемый процесс, металлич. блок играет роль оболочки, температура которой может поддерживаться постоянно с точностью до 10^-6 калориметрия Передача теплоты и измерение разности температур камеры и блока осуществляется с помощью термобатарей, имеющих до 1000 спаев; эдс измерительной термобатареи и соответствующий тепловой поток пропорциональны малой разности температур, возникающей между блоком и камерой, когда в ней выделяется или поглощается теплота. Чувствительность калориметров достигает 0,1 мкВт.

Микрокалориметры типа Кальве используют для изучения кинетики и определения энтальпий медленно протекающих процессов, а также энтальпий растворения в металлических и оксидных расплавах (т. наз. высокотемпературная калориметрия растворения). Калориметры дифференциально-сканирующей калориметрии применяют для определения теплоемкости, энтальпии фазовых превращений, хим. реакций с участием газа и др. Для определения теплоемкости веществ при температурах до 4000 К, обладающих значит. электропроводностью (металлы, сплавы), используют методы модуляционной и импульсной калориметрия В первой измеряют амплитуду колебаний температуры образца при пропускании через него перем. тока известной частоты, во второй - подъем температуры при нагр. тонкой проволоки (или стержня), изготовленной из образца, импульсами тока. К импульсной калориметрии относится метод с нагревом вспышкой лазера, который применяют для исследования металлических и керамических материалов, а также жидких веществ в интервале температур 80-1100 К.

Выбор методики, конструкции и типа калориметра определяется характером и продолжительностью изучаемого процесса, диапазоном температур, в котором проводят измерение, кол-вом измеряемой теплоты и требуемой точностью.

Современные калориметры охватывают диапазон температур от 0,1 до 4000 К и позволяют измерять количество теплоты от 10^-5 до нескольких тыс. Дж с длительностью изучаемых процессов от долей с до десятков суток. Точность измерений до 10^-2%.

Данные калориметрии применяют во мн. областях химии, в теплотехнике, металлургии, хим. технологии. Они используются для расчета термодинамических свойств веществ, расчета хим. равновесий, установления связи между термодинамических характеристиками вещества и их свойствами и строением; составления тепловых балансов технол. процессов. Важное значение имеет калориметрич. изучение природы и структуры растворов, процессов образования минералов. Калориметрия теплового потока применяется: в металлургии для определения энтальпий образования жидких и твердых металлических сплавов, интерметаллических соединений и других, в физической химии и биохимии для изучения жидких кристаллов, идентификации и изучения свойств полимеров (напр., степени кристалличности и кинетики кристаллизации, температур стеклования), изучения кинетики и термодинамики процессов с участием высокомолекулярных соединений, в том числе биополимеров; в аналитической химии для количественного анализа смесей, определения чистоты веществ.

Основоположником калориметрии считают Дж. Блэка, создавшего в сер. 18 в. первый ледяной калориметр. Термин «калориметр» предложен А. Лавуазье и П. Лапласом в 1780.

калориметр тепловой энтальпия микрокалориметрия

Размещено на Allbest.ru