Ένα θερμιδόμετρο είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ποσότητας ροής θερμότητας σε μια χημική αντίδραση. Δύο από τους συνηθέστερους τύπους θερμιδομέτρων είναι το θερμιδόμετρο καφέ φλιτζάνι και το θερμιδόμετρο βόμβας.
Καλοριφέρ ζαχαροπλαστικής
Ένα φλιτζάνι καφέ θερμιδόμετρο είναι ουσιαστικά ένα κύπελλο πολυστυρολίου (στυροπτέρυ) με ένα καπάκι. Το κύπελλο είναι μερικώς γεμάτο με έναν γνωστό όγκο νερού και ένα θερμόμετρο εισάγεται μέσω του καπακιού του κυπέλλου έτσι ώστε ο βολβός του να βρίσκεται κάτω από την επιφάνεια του νερού. Όταν λαμβάνει χώρα χημική αντίδραση στο θερμιδόμετρο του καφέ, η θερμότητα της αντίδρασης απορροφάται από το νερό. Η μεταβολή της θερμοκρασίας του νερού χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ποσότητας θερμότητας που έχει απορροφηθεί (χρησιμοποιείται για να γίνει προϊόντα, έτσι η θερμοκρασία του νερού μειώνεται) ή εξελίσσεται (χάνεται στο νερό, έτσι αυξάνει η θερμοκρασία του) στο αντίδραση.
Η ροή θερμότητας υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τη σχέση:
q = (ειδική θερμότητα) x m x Δt
Όπου q είναι η θερμική ροή, το m είναι μάζα σε γραμμάρια, και Δt είναι η μεταβολή της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμότητα είναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας του 1 γραμμαρίου μιας ουσίας 1 βαθμού Κελσίου. Η ειδική θερμότητα του νερού είναι 4,18 J / (g · ° C).
Για παράδειγμα, εξετάστε μια χημική αντίδραση που συμβαίνει σε 200 γραμμάρια νερού με αρχική θερμοκρασία 25,0 C. Η αντίδραση αφήνεται να προχωρήσει στο θερμιδόμετρο του φλιτζανιού καφέ. Ως αποτέλεσμα της αντίδρασης, η θερμοκρασία του νερού αλλάζει σε 31,0C. Η ροή θερμότητας υπολογίζεται:
qνερό = 4,18 J / (g · ° C) χ 200 g χ (31,0 ° C - 25,0 ° C)
qνερό = +5,0 x 103 J
Τα προϊόντα της αντίδρασης εξελίχθηκαν σε 5.000 J θερμότητας, η οποία χάθηκε στο νερό. ο αλλαγή ενθαλπίας, ΔH, για την αντίδραση είναι ίση σε μέγεθος αλλά αντίθετη στο σημείο της ροής θερμότητας για το νερό:
ΔHαντίδραση = - (qνερό)
Θυμηθείτε ότι για μία εξώθερμη αντίδραση, ΔΗ <0, qνερό είναι θετική. Το νερό απορροφά θερμότητα από την αντίδραση και παρατηρείται αύξηση της θερμοκρασίας. Για μια ενδοθερμική αντίδραση, ΔΗ> 0, qνερό είναι αρνητική. Το νερό τροφοδοτεί θερμότητα για την αντίδραση και παρατηρείται μείωση της θερμοκρασίας.
Βαθμονομητής βομβών
Ένα θερμιδόμετρο καφέ φλιτζάνι είναι μεγάλη για τη μέτρηση της ροής θερμότητας σε μια λύση, αλλά δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αντιδράσεις που περιλαμβάνουν αέρια δεδομένου ότι θα διαφύγουν από το κύπελλο. Το θερμιδόμετρο καφέ φλιτζάνι δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τις αντιδράσεις υψηλής θερμοκρασίας, είτε, επειδή θα λειώσει το κύπελλο. Χρησιμοποιείται θερμιδόμετρο βόμβας για τη μέτρηση των ροών θερμότητας για αέρια και αντιδράσεις υψηλής θερμοκρασίας.
Ένα θερμιδόμετρο βόμβα λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο όπως θερμιδόμετρο καφέ φλιτζάνι, με μια μεγάλη διαφορά: Σε ένα θερμιδόμετρο καφέ φλιτζάνι, η αντίδραση λαμβάνει χώρα στο νερό, ενώ σε ένα θερμιδόμετρο βόμβας, η αντίδραση λαμβάνει χώρα σε σφραγισμένο μεταλλικό δοχείο, το οποίο τοποθετείται στο νερό σε μονωμένο δοχείο. Η ροή θερμότητας από την αντίδραση διασχίζει τα τοιχώματα του σφραγισμένου δοχείου στο νερό. Η διαφορά θερμοκρασίας του νερού μετράται, ακριβώς όπως ήταν για ένα θερμιδόμετρο καφέ φλιτζάνι. Η ανάλυση της ροής θερμότητας είναι λίγο πιο πολύπλοκη από ό, τι για το θερμιδόμετρο του φλιτζανιού καφέ επειδή πρέπει να ληφθεί υπόψη η ροή θερμότητας στα μεταλλικά μέρη του θερμιδόμετρου:
qαντίδραση = - (qνερό + qβόμβα)
όπου qνερό = 4,18 J / (g · ° C) χ mνερό x Δt
Η βόμβα έχει σταθερή μάζα και ειδική θερμότητα. Η μάζα της βόμβας πολλαπλασιασμένη με την ειδική θερμότητά της ονομάζεται μερικές φορές η σταθερά θερμιδόμετρου, η οποία υποδηλώνεται από το σύμβολο C με μονάδες joules ανά βαθμό Κελσίου. Η σταθερά θερμιδομέτρου προσδιορίζεται πειραματικά και θα ποικίλει από το ένα θερμιδόμετρο στο επόμενο. ο ροή θερμότητας της βόμβας είναι:
qβόμβα = C x Δt
Μόλις γίνει γνωστή η σταθερά θερμιδόμετρου, ο υπολογισμός της ροής θερμότητας είναι ένα απλό θέμα. Η πίεση μέσα σε ένα θερμιδόμετρο βόμβας συχνά αλλάζει κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης, έτσι ώστε η ροή θερμότητας να μην είναι ίση σε μέγεθος με την αλλαγή ενθαλπίας.