Измерение времени.

Из приборов для определения временив калориметрической практике прменяют:1.секундомер, 2.хроноскоп, 3.хропометры, 4.хронографы.

Секундомеры изготовляются с делениями 0,2 и 0,01 секунды. Их показания время от времени должны проверяться сравнением с показаниями точных часов за долгий промежуток времени(несколько часов). При этом необходимо завод пружины секундомера производить в определенное время по отношению к моменту начала проверки его.

Хроноскоп представляет собой часовой механизм, приводимый в действие гирей и регулируемый звучащей пластинкой. Отсчет производите по циферблатам, деления которых соответствуют на нижнем – 1 и 0,1 и на верхнем 0.01 и на верхнем 0.01 долям секунды. Показания его верны до 0.001 секунды. С помощью короткого шнурка прибор пускается в холостой ход. Начало измерения, т.е. пуск в ход стрелки, равно как и остановка ее, осуществляется с помощью двойного реле. А именно, ток при пуске направляется в нижнее реле, а при остановке- верхнее. Изменения натяжение пружинок, удерживающих якорь двойного реле, а также силу тока в реле, можно достигнуть одновременности пуска стрелки хронометра с моментом остановки движения якоря, чем можно воспользоваться для замыкания цепи нагревателя. Хронометры употребляются с электрическими контактами для пуска и остановки. Очень удобны в работе хронографы, но они мало распространены.

В целях возможно точного совпадения момента пуска тока в нагреватель с пуском в ходе секундомера применяется прибор. При нажатии кнопки зубчатое колесо поворачивается на один зубец одновременно с пуском секундомера. Это колесо укреплено на оси вала с несколькими зубьями, которые при повороте прижимают пружину к подставке, чем и осуществляется контакт между зажимами, т.е. пуск тока в нагреватель. При точных работах ток из нагревателя переключается во вспомогательную цепь с сопротивлению нагревателя, что можно осуществить присоединяя ее к зажимам.

Классификация калориметров. Примеры .

• Ледяной калориметр

Калориметр фазового перехода. Под действием теплоты, сообщенной калориметру внесенным исследуемым образцом, температура которого выше температуры калориметра, некоторое количество льда тает, измерив массу растаявшего льда можно рассчитать теплоту погруженного объекта.

• Калориметр фазового перехода жидкость газ

К этому классу относятся приборы в которых в качестве калориметрического вещества используют легко испаряющуюся жидкость с известными термодинамическими характеристиками. Чувствительность такого калориметра определяется соотношением плотностей жидкости и газа, также удельный теплоемкости жидкости. (аналог ледяного калориметра)

• Сканирующий калориметр дифференциального типа (ДСК)

Принцип работы основан на электрической компенсации теплового эффекта. При тепловом эффекте нагреватели ячеек автоматически подают (прекращают подавать) теплоту. Разность между энергиями за время реакции представляет заданную теплоту.

• Изотермический калориметр Дюана

Квазиизотермический дифференциальный калориметр с электрической компенсацией теплового эффекта. Рабочая и сравнительная ячейки калориметра, наполовину заполненные летучей жидкостью, соединены ниже уровня жидкости капилляром, содержащим маленький пузырек воздуха. При выделение теплоты в рабочей ячейке жидкость в ней испаряется и под действием повышенного давления воздушный пузырек перемещается.

• Изопериболический калориметр

В таком калориметре температура оболочки постоянна, а температура калориметрической измерительной системы отличается от температуры оболочки. Из-за наличия конечного определенного значения сопротивления меж калориметрической системой и оболочкой теплообмен меж ними зависит от температуры оболочки и от измеренной температуры. Но так как температура оболочки постоянна, то тепловой поток является только функцией измеренной температуры. Эта зависимость имеет линейный характер и определяется градуировкой калориметра.

• Калориметра Кальве

Изопериболический дифференциальный калориметр теплового потока. В основе измерения лежит закон Зеебка. Принцип измерения заключается в наличие большого количества последовательно соединенных термопар (термобатарей), располагающихся между термостатируемой оболочкой и ячейкой с объектом исследования. Дифференциальная схема обеспечивает точность и исключает флуктуации.

• Калориметры с бесконтактной подачей энергии

При бесконтактной подаче энергии к образцу существенно уменьшаются погрешности связанные с тепловыми потерями. Однако заметно возрастает сложность определения энергии переданной образцу. Нагревание осуществляется действием медленных электронов или электронами с энергией 5 кэВ.

• Классический жидкостной калориметр (калориметр смешения)

Метод основан на том, что калориметрическому веществу передается определенное количество теплоты исследуемым веществом и происходящее в результате этого изменение температуры измеряется как функция времени. Такие измерения позволяют определить удельную теплоемкость при известном количестве подведенной теплоты либо, наоборот, по известной теплоемкости найти подведенную теплоту.

• Калориметры с реагирующим калориметрическим веществом

Вариант калориметра смешения, в котором смешиваются две реакционноспособные жидкости с одинаковой температурой. Одним из реагентов служит калориметрическая жидкость, вторым реагентом является раствор исследуемого вещества.

• Калориметры с реакционным сосудом

Калориметр этого типа предназначены для определения теплового эффекта химических реакций. Образец помещают в реакционный сосуд, содержащий калориметрическую жидкость (обычно воду), и измеряют изменение температуры в результате протекания химической реакции с участием образца. Прибор градуируют по известным тепловым эффектам реакций с участием эталонного образца

• Классические дроп-калориметры (калориметры с падающим телом)

В дроп-калориметрах начальная и конечная температура образца должны относится к термодинамически определенному состоянию. Для того чтобы избежать потерь теплоты за счет излучения и конвекции, сразу же после падения образца в калориметр (помещения в калориметрическую ячейку), калориметр необходимо оградить защитным экраном.

• Проточные калориметры

Проточные калориметры предназначены для исследования жидкости и газообразных веществ в потоке. С их помощью можно определять тепловые эффекты химических реакций, теплоту смещения газов и растворов. Кроме того, проточные калориметры можно использовать для измерения удельной теплоемкости текучих сред, пропуская через среду известный тепловой поток.

• Калориметрическая бомба

Основная часть калориметра для определения теплоты сгорания жидкого или твердого вещества- герметичный толстостенный стальной цилиндр, в котором сжигают исследуемое вещество. Значение теплоты горения органического вещества различно, в зависимости от того, определяется ли оно при постоянном давлении или при постоянном объеме.

• Калориметр Перье и Ру

Сканирующий адиабатический калориметр. Исследуемый образец помещают внутри оболочки, которую нагревают с постоянной скоростью. Сам образец также нагревают до температуры, максимально близкой к температуре оболочки. Для таких адиабатических условий измерения зависимость теплоемкости исследуемого образца от температуры рассчитывают по известному количеству подведенной к образцу в каждой момент времени электрической энергии.

Применение.

Калориметрия обладает многими практическими и теоретическими приложениями. Например, при выборе топлива необходимо измерение теплоты сгорания (количество выделяемого тепла при сгорании единицы массы или объема вещества). Для определения получаемой тяги при конструировании реактивных и ракетных двигателей теплота сгорания топлива- наиболее важный параметр. Множество технологических процессов происходит при самых высоких или самых низких температурах. Количество тепла, затраченное на подогрев или охлаждение применяемых материалов в этих процессах, позволяет определить экономическую целесообразность их применения; для выбора материалов при проектировании оборудования учитывается их теплоемкость. Оптико-акустический (ОА) метод и другие калориметрические методы исследования имеют простую обработку результатов и возможность автоматизации, что делает их уникальными с точки зрения диапазона применений в биологии и медицине. Они применяются:

1. при газовом анализе, необходимом для контроля процессов дыхания и питания животного мира, микроорганизмов и растений;

2. при анализе загрязнений атмосферы и гидросферы, необходимом для санитарного контроля окружающей среды;

3. при анализе лекарственных препаратов и биологических сред в виде порошков и тонких пленок;

4. при контроле фотохимических и биохимических реакций; изучении фотохромных биологических сред;

5. при изучении эффективности фотосинтеза с целью ранней диагностики урожайности сельскохозяйственных культур;

6. в лабораторной медицинской диагностике;

7. в оптико-акустической микроскопии;

8. в офтальмологии и дерматологии.

Газовый анализ. В процессе жизнедеятельности человека, микроорганизмов и растений выделение разнообразных газов -важнейший показатель характера протекания надлежащих биохимических реакций. Важной задачей исследований в биохимии и в диагностике некоторых заболеваний является контроль состава и концентрации выделяющихся газов.

Анализ загрязнений атмосферы и микропримесей в жидкостях. Достоинства ОА метода- высокая чувствительность и чрезвычайно широкий динамический диапазон, реализуются в полной мере при анализе загрязнений атмосферы. Динамический диапазон позволяет с помощью одного и того же устройства проследить, как следы веществ, которые загрязняют атмосферу так и источники загрязнения.

Анализ лекарственных препаратов и биологических сред в виде порошков и тонких пленок. Основными достоинствами ОА метода являются высокая чувствительность и возможность работы в условиях значительного рассеяния света, которые осуществляются при изучении поглощения света в средах в виде порошков твердых тел и тонких пленок жидкостей.

Для анализа порошков нужен точный выбор технических условий эксперимента, которые способствуют устранению влияния рассеянного излучения. Исследуемый образец должен быть оптически достаточно тонким и не поглощать падающий на него свет, иначе может возникнуть неопределенность в характере интенсивности света от глубины его проникновения в образец, определенная, как эффектом сильного рассеяния, так и эффектом насыщения и влиянием частоты модуляции.

Для определения химической стабильности или реакционной способности материалов и даже для определения их молекулярного строения могут быть использованы калориметрические измерения теплоты реакций и теплоемкости веществ.

Список литературы

1. [http://www.unn.ru/pages/e-library/aids/2007/65.pdf]

2. [http://lekmed.ru/info/arhivy/lazernaya-diagnostika-v-biologii-i-medicine-21.html]

3. Колесов В.П. Основы термохимии. М.: Изд-во МГУ. 1996.205 с.

4. Попов М.М. Термохимия и калориметрия. 2-е изд. М.:1954.

5. Скуратов С.М., Колесов В.П., Воробьёв А.Ф. Термохимия. М.: Изд-во МГУ. 1964. Ч.I. 298 с.

6. Хеммингер В., Хене Г. Калориметрия. Теория и практика. М.: Химия. 1989. 176 с.