4. Метод вимірювання

Існує чимало методів визначення теплоємності речовин і матеріалів. Серед них найбільш точними є методи калориметрії.

Калориметрія - розділ експериментальної теплофізики, до якої нале­жать методи визначення теплових ефектів різноманітних процесів, зокрема теплоємності речовин, теплових ефектів фазових переходів (плавлення, кристалізації, випаровування, сублімації тощо), теплових ефектів хімічних перетворень. Калориметрія ґрунтується на законі збереження енергії. Ка­лориметричні дослідження проводять в калориметрі.

К алориметр - пристрій, який дозволяє вимірювати теплові ефекти. В більшості випадків калориметричні вимірювання теплоємності грунтуються на вимірюванні початкової і кінцевої температури речовини що досліджується при дозуванні в неї певної кількості теплоти. Існує чимало конструкцій калориметрів для вимірювання теплоємності речовин і матеріалів. Вони залежать від природи речовини, області зміни температур, методу і точності вимі­рювань, тощо. В даній роботі використовується калориметричний метод дозування теплоти і калориметр змінної температури. Конструкція калориметра показана на рисунку 1.1

Рисунок 1.1. Схема калориметру змін­ної температури: 1 - корпус, 2 – рідина що досліджується, 3 - електричний нагрівач з токопідводами, 4 - термодатчик, 5 - електромеханічний перемішувач, 6 - кришка, 7 - пристрій для вимірюван­ня температури, 8 - джерело живлен­ня електричного нагрівача.

Вимірювання теплоємності калориметричним методом дозування теплоти проводять в такій послідовності. В калориметр вносять задану кіль­кість рідини що досліджується. Поступово теплообмін між рідиною і елементами конструкції калориметра приводить до встановлення теплової рівноваги (температури вирівнюються). Після цього протягом певного часу вимірюють температуру рідини в калориметрі. Внаслідок теп­лообміну калориметра з довкіллям температура рідини повільно змінюється - це так званий початковий дрейф температури. З початку дозування теплоти в калориметр за допомогою електричного нагрівача температура рідини швидко зростає. Після зростання температури на 20...25°С від початкової дозування тепла закінчують. Внаслідок теплообміну калориметра з довкіллям температура рідини починає зменшуватися - це так званий кінцевий дрейф температури. Графічне зображення температурних процесів, які відбуваються в калориметрі, наведено на рисунку 1.2.

Рис. 1.2. Крива «Температура - час» в калориметричному дослідженні:

t₁ - t₂ початковий дрейф температури, t₂ – t₃ - дозування теплоти, t₃ – t₄ кінцевий дрейф температури.

Сутність вимірювань полягає в тому, що одночасно фіксують зро­стання температури і кількість підведеного тепла. Підведене до калориме­тра нагрівачем тепло Q_о витрачається на нагрівання рідини що досліджується Q_р нагрівання конструктивних елементів калориметра Q_k, а також част­ково розсіюється в довкіллі Q_j. Теплоємність рідини обчислюють з рів­няння теплового балансу:

Q_о= Q_р + Q_k + Q_j, або (1.1)

P∆ = m_pc_p∆t + C_k∆t + Q_j, або (1.2)

с_р= (Р∆t - Q_j - C_k∆t)/m_p∆t (1.3)

де Ср - середня питома ізобарна теплоємність рідини: Р - потужність нагрівача ∆ - час нагрівання: C_k - теплоємність калориметра: m_p - маса рідини: ∆t - зміна температури калориметра з рідиною.

Урахування тепла Q_j, яке частково розсіюється внаслідок теплообмі­ну з довкіллям виконують графічним способом (див. рис. 1.2). Сутність способу полягає у тому, що лінії початкового та кінцевого дрейфу темпера­тури екстраполюють до перетину з лінією, яка перпендикулярна вісі ча­су і перетинає криву «Температура - час» у точці t_сер=(t₂+t₃) / 2. Різниця екстрапольованих значень температур початку і кінця нагрівання ∆t = t -t враховує теплообмін калориметра з довкіллям. Тоді рівняння (1.3) перетворюється на:

с_р= (Р∆ - C_k∆t)/m_p∆t (1.4)