Курсовая работа по предмету «физическая химия»

2.3. Названия калориметров
Общую классификацию калориметров можно построить на основе рассмотрения трёх главных переменных, определяющих методику измерений: температуры калориметрической системы T_c; температуры оболочки T_o, окружающей калориметрическую систему; количества теплоты L, выделяемой в калориметре в единицу времени (тепловой мощности).
Калориметры с постоянными T_c и T_o называют изотермическим; с T_c = T_o — адиабатическим; калориметр, работающий при постоянной разности температур T_c — T_o, называют калориметром с постоянным теплообменом; у изопериболического калориметра (его ещё называют калориметром с изотермической оболочкой) постоянна T_o, а T_c является функцией тепловой мощности L.
Важным фактором, влияющим на окончательный результат измерений, является надёжная работа автоматических регуляторов температуры изотермических или адиабатических оболочек. В адиабатическом калориметре температура оболочки регулируется так, чтобы она была всегда близка к меняющейся температуре калориметрической системы. Адиабатическая оболочка — лёгкая металлическая ширма, снабженная нагревателем, — уменьшает теплообмен настолько, что температура калориметра меняется лишь на несколько десятитысячных град/мин. Часто это позволяет снизить теплообмен за время калориметрического опыта до незначительной величины, которой можно пренебречь. В случае необходимости в результаты непосредственных измерений вводится поправка на теплообмен, метод расчёта которой основан на законе теплообмена Ньютона — пропорциональности теплового потока между калориметром и оболочкой разности их температур, если эта разность невелика (до 3-4 °C).

• 
  Для калориметра с изотермической оболочкой теплоты химической реакции могут быть определены с погрешностью до 0,01 %. [13-14]
  

Если размеры калориметра малы, температура его изменяется более чем на 2-3 °C и исследуемый процесс продолжителен, то при изотермической оболочке поправка на теплообмен может составить 15-20 % от измеряемой величины и существенно ограничить точность измерений. В этих случаях целесообразнее применять адиабатическую оболочку.
При помощи адиабатического калориметра определяют теплоёмкость твёрдых и жидких веществ в области от 0,1 до 1000 К. При комнатных и более низких температурах адиабатический калориметр, защищённый вакуумной рубашкой, погружают в сосуд Дьюара, заполненный жидким гелием, водородом или азотом. При повышенных температурах (выше 100 °C) калориметр помещают в термостатированную электрическую печь.

• 
  Ионизацио́нный калори́метр (от лат. calor — тепло и …метр) в физике элементарных частиц и ядерной физике — прибор, который измеряет энергию частиц. Большинство частиц, попадающих в калориметр, при взаимодействии с его веществом инициируют возникновение вторичных частиц, передавая им часть своей энергии. Вторичные частицы образуют ливень, который поглощается в объёме калориметра и его энергия измеряется с помощью полупроводниковых, ионизационных детекторов, пропорциональных камер, детекторов черенковского излучения или сцинтилляционных детекторов^[1][2]. Энергия может быть измерена полностью (это требует полного поглощения частиц ливня в чувствительном объёме калориметра), или частично, с последующим пересчётом поглощённой энергии в полную энергию первичной частицы. Как правило, калориметры имеют поперечную (относительно траектории частицы) сегментацию для получения информации о направлении движения частицы и выделившейся энергии, и продольную сегментацию для получения информации о форме ливня и, исходя из этого, — о типе частицы. [13-14]
  

Проектирование калориметров — активная область исследований в физике элементарных частиц, как при исследовании космических лучей, так и для изучения частиц в ускорителях.
По типу детектируемых частиц ионизационные калориметры делятся на два класса:

• 
  Электромагнитные калориметры спроектированы для измерения энергии частиц, которые взаимодействуют с веществом главным образом посредством электромагнитного взаимодействия (фотоны, заряженные лептоны).
  
• 
  Адронные калориметры измеряют энергию частиц, взаимодействующих в основном посредством сильного взаимодействия (адроны).
  

По геометрии калоримеры разделяются на гомогенные и гетерогенные (самплинг-калориметры). Адронные калориметры почти всегда являются гетерогенными, так как очень трудно создать детектор частиц (сцинтиллятор, полупроводниковый детектор и т. д.) таких размеров, чтобы обеспечить в нём полное развитие и поглощение адронного ливня. Гетерогенный детектор состоит из чередующихся слоёв поглощающего и детектирующего материалов (сэндвич-геометрия). Поглощающим материалом служат тяжёлые элементы (медь, свинец, уран и т. п.). Предпочтительно использование тяжёлых ядер и в детектирующем материале, в качестве которого может выступать сцинтиллятор (например, вольфрамат свинца PbWO₄) или черенковский радиатор (например, свинцовое стекло). В ходе остановки вторичных частиц ливня выделившаяся (в виде света) энергия собирается из детектирующих слоёв, преобразуется в электрический импульс (с помощью фотодетекторов, как правило, фотоэлектронных умножителей) и регистрируется.

• 
  Электромагнитные детекторы, как правило, являются гомогенными. Электроны, позитроны и гамма-кванты, из которых состоит электромагнитный ливень, [13-14]
  

хорошо поглощаются в детектирующих материалах, и детектор может иметь разумные размеры.
Гомогенные калориметры имеют лучшее энергетическое разрешение, чем самплинг-калориметры.
Иногда для регистрации адронной и электромагнитной компонент ливня используют расположенные последовательно электромагнитный и адронный калориметры.
Электромагнитная компонента ливня поглощается в первом из них, тогда как адронная компонента проходит его без значительных потерь и поглощается адронным калориметром. За адронным калориметром в этом случае ставят мюонные камеры для регистрации мюонов, обладающих большой проникающей способностью и слабо поглощающихся даже в массивных слоях адронного калориметра.
Калориметры используются практически во всех современных ускорительных экспериментах. См., например, статьи Эксперимент ATLAS, КЕДР, СНД.
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, [13-14]
  
• 
  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.
  Калориметр можно использовать для измерения энергетической ценности (калорийности) пищевых продуктов и/или готовых блюд. Для этого пищу необходимо сначала избавить от влаги (высушить), затем поместить образец известной массы в калориметрическую бомбу. Она сжигает пищу, а тепло передаётся воде. Измеряя количество теплоты, получают известные всем «килокалории», упоминания о которых можно встретить на упаковках продуктов, а также в рекомендациях по диетическому питанию. [13-14]
  
• 
  Почему же сначала был изобретён прибор, которым можно было пользоваться только зимой, когда лёд был в достатке на улице? Дело в том, что во времена, когда жили изобретатели калориметра, не было общепринятых методов измерения температуры и точных термометров Устройство современных калориметров весьма
  

разнообразно и определяется характером и продолжительностью изучаемого процесса, областью температур, при которых проводятся измерения, количеством измеряемой теплоты и требуемой точностью.
Почти все современные калориметры – это высокотехнологичные приборы без привычных термометров. Вместо них используются встроенные датчики температуры. Данные измерения выводятся на дисплей калориметра, кроме того, прибор может быть подключен к компьютеру. Это позволяет проводить контроль над экспериментом, а также расчёты в соответствии с международными стандартами. На стрелочкой отмечена капсула-бомба с исследуемым образцом. Такие калориметры используют в лабораториях для измерения теплоты сгорания топлива, экспресс-анализа качества и состава нефтепродуктов, анализа параметров других видов топлива.

• 
  Встречающиеся в технической литературе 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. Современные калориметры работают в диапазоне температур от 0,1 до 3500 К и позволяют измерять количество теплоты с точностью до 2%. [13-14]
  

Ⅲ