Калориметр: что это, основные виды, сферы применения

Калориметрия применяется для определения объема выделяемого/поглощаемого тепла химических, физических, биологических эндотермических и экзотермических процессов. Диапазон рабочих температур современных приборов 0,1 - 3500 К, погрешность 0,01-10% (в зависимости от вида калориметра и условий эксплуатации). Чаще всего определяется теплоемкость, температура испарения или плавления.

Прибор может быть высокотемпературный (от 599 К), среднетемпературный (90-500 К), низкотемпературный (до 90 К), измерения относительные или абсолютные.

Для классификации чаще всего используется:

1. метод измерений;

2. режим измерений;

3. вид конструкции.

Принципы методов измерений:

• определение объема тепла/теплового эффекта;

• измерение параметров электротока;

• определение объема тепловой энергии при компенсации другим процессом;

• измерение тепла по времени процесса;

• определение тепловой энергии в пространстве прибора.

Режимы измерений:

• изотермический (с повышенной теплопроводностью);

• изопериболический, в том числе диатермический (с изменениями температуры);

• адиабатический (без обмена теплом со средой);

• проводящий тепло (калориметры Кальве);

• проточный (с отводом тепла);

• бомбовый;

• сканирующий дифференциальный (для производства полимеров, медицинских препаратов, определения свойств продуктов питания).

Изотермические калориметры отличаются максимальной теплопроводностью, тепловая энергия быстро перемещается в окружающую среду. Измерения затруднены минимальной разностью температур. Объем тепловой энергии определяется по веществу, которое испаряется или плавится. Изотермические модели часто используются для работы с тающими веществами. Измеряется объем тепловой энергии двух агрегатных состояний, объем при переходе из одного в другое.

К категории изотермических калориметров относятся ледяные и водяные. Первые появились в 18-ом веке, использовались при необходимости сравнить различные виды топлива и объем тепла, выделяемый животными. Объект исследования помещался во внутреннюю камеру, выделяемая тепловая плавила лед в «рубашке», заполненной льдом. Количество тепловой энергии определялось по объему воды.

Водяные калориметры появились в 1830 году во Франции, использовались для определения количества тепловой энергии в процессе сгорания. Этот вид приборов с диапазоном температур 0-100°С и точностью 10-30% до сих пор используется в школах. Встречаются приборы для лабораторий с точностью до 5%.

Изопериболические, (в том числе диатермические) калориметры объем тепла определяют по изменениям в системе. Оболочка может быть адиабатическая. Учет тепловой энергии зависит от режима измерений.

В адиабатических калориметрах оболочки разделены вакуумом, служащим термоизолятором. Весь объем тепла, выделяющегося при испарении, перемешивании, в ходе тепловой реакции, суммируется. Это вид приборов чаще всего используется, если температура в системе ниже окружающей.

Из-за двух или трех камер калориметры Кавье выделяются в отдельную группу. Измеряется термоэлектродвижущая сила батареи в процессе прохождения через нее потока тепла от блока термостата до реакционной камеры или наоборот.

Проточные приборы количество тепловой энергии определяют по удельной теплоемкости жидкости или газа. Устанавливается температура на входе и выходе, вычисляется джоулевая теплота нагревателя и мощность потока.

Бомбовые калориметры наполнены жидкостью, которая используется для измерения тепловой энергии, выделяющейся при взрыве. Горючее вещество помещается внутри, сосуд заполняется кислородом, взрыв инициируется электрической искрой. Тепло передается воде, температура которой не меняется более чем на один, два градуса, теплообмен со средой близок к нулю. Точность измерений обеспечивается использованием термометров с минимальными делениями шкалы. Результат исследования — определение теплопроводности конкретного вещества.

Дифференциальные сканирующие калориметры разработаны для учебных, заводских, исследовательских лабораторий, результаты определяются по потоку тепла. Теплопроводность минимальная, скорость проведения анализов, чувствительность и точность высокие. Для решения каждой конкретной задачи используется отдельный охладитель.

Самый высокочувствительный вид исследований — микрокалориметрия, которая применяется при необходимости определить глубину и скорость реакций, изменения структуры и фазовые превращения. Определяется рассеивание тепла, термическая стабильность. Для направления потока тепла используются элементы Пельтье (термоэлектрические преобразователи с эффектом Зеебека). Результаты отражаются в Вт и времени.

Область применения

Современные калориметры высокоточные, разработаны для различных отраслей. Данные выводятся на дисплей, записываются, передаются на компьютер. Существуют приборы для лабораторий и использования в полевых условиях.

Сферы применения:

1. определение состава нефтепродуктов;

2. определение теплотворности, качества различных видов топлива;

3. металлургия;

4. стекольная промышленность;

5. фармацевтическая, пищевая промышленность;

6. производство полимеров;

7. микробиология;

8. агрономия.

В промышленности калориметры устанавливают в системы измерения и управления, связанные с сжиганием, они выполняют роль тепловых датчиков, позволяют поддерживать неизменную мощность горелок.

Бомбовые калориметры можно использовать для определения количества калорий в пищевых продуктах, блюдах. Пища высушивается, помещается в бомбу, сжигается, тепло переходит в воду. Объем тепла — это килокалории.

Критерии выбора

Перед покупкой необходимо ответить на ряд вопросов:

1. сколько исследований будет проводиться ежедневно;

2. требования каких стандартов необходимо учесть;

3. будут ли образцы содержать серу или галогены, в каком количестве;

4. потребуется ли определение серы, галогенов;

5. какой метод исследований предпочтительнее.

   Дополнительно необходимо определить рабочую температуру, требования к точности, необходимость в передаче данных на компьютер.